JP3512352B2

JP3512352B2 - 負イオン源、イオンビーム分析装置、エッチング装置、酸素ラジカル発生装置及び排ガス処理装置

Info

Publication number: JP3512352B2
Application number: JP09435499A
Authority: JP
Inventors: 憲一井上; 嘉宏横田; 武史橘; 和志林; 信之川上; 浩一宮田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2004-03-29
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000285818A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負イオンを発生す
る負イオン源、イオンビーム分析装置、エッチング装
置、酸素ラジカル発生装置及び排ガス処理装置に関し、
特に、分析分野におけるイオンビームの散乱の応用分析
装置、半導体製造分野における負イオンビームを応用し
た微細加工用エッチング装置、半導体製造用レジスト・
アッシング装置及び酸素ラジカルを媒介としたＣＶＤ成
膜装置並びに環境分野における大気浄化、水質浄化のた
めのオゾン発生及び排ガス処理装置等の構成要素として
利用される高効率高出力の負イオン源、イオンビーム分
析装置、エッチング装置、酸素ラジカル発生装置及び排
ガス処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、イオン源又はプラズマ・プロセス
といえば、通常殆ど熱平衡プラズマから引出された正イ
オンの応用が殆どである。これは、直流又は高周波放電
による熱平衡プラズマには高密度の正イオンが発生して
おり、バイアス電圧を印加するだけで容易に大きなイオ
ン電流を引出すことができるからである。

【０００３】しかしながら、負イオンには正イオンには
ない利点がある。第１に、負イオンの高エネルギイオン
ビームを作る場合には、同じ加速電圧でも、途中で電荷
変換（電子剥ぎ取り）をすることにより、正イオンの２
倍以上のエネルギを得ることができるため、小型又は低
電圧の発電装置で高性能の分析装置が実現できる。

【０００４】第２に、負イオンをプラズマ・エッチング
等に使用する場合には、従来の正イオンではウエハ表面
に衝突させた際にウエハ表面を帯電させて素子を破壊す
ることが問題となっているが、負イオンの場合には衝突
時に電子を容易に解離し、解離された電子はすぐに真空
中に飛散してしまうため、中性化され静電破壊が正イオ
ンと比較してはるかに起こりにくい。このことは、ます
ます微細化が進む高集積半導体素子（ＬＳＩ）において
大きな魅力である。

【０００５】このような特徴のある負イオンを熱平衡プ
ラズマから取り出すことができればよいが、以下の理由
からプラズマ中の負イオンの存在比は極めて少ない。プ
ラズマは電気的に中性を保たなければならないが、その
構成要素の大半は、負電荷は電子、正電荷は正イオンで
ある。プラズマのような高温（≧数ｅＶ乃至数百万℃）
では、負イオン（＝電子＋中性原子）の結合エネルギ
（電子親和力）は、正イオンの電離電圧（十乃至数十ｅ
Ｖ）に比較して、十分に小さいため、負イオンを生成し
ても、電子又は正イオンとの衝突で、すぐに電子が剥ぎ
取られ中性原子に戻る。そのため、存在比は１０^-7程度
に留まる。従って、熱平衡プラズマにより負イオンを多
量に引出すには原理的に不可能である。

【０００６】このような理由から、負イオンの生成の方
法としては、固体、主に伝導電子をもつ金属表面とその
近傍に近づいた中性原子との表面反応を利用するのが、
一般的である。しかし、イオン電流が少ないために、分
析用途等に限り実用化されているのが現状である。

【０００７】図７は縦軸にエネルギ、横軸に固体表面の
距離と自由電子密度をとり、固体表面電離過程を示すグ
ラフ図である。図８は縦軸にエネルギ、横軸に固体表面
の距離と自由電子密度をとり、強電界が存在する場合の
固体表面電離過程を示すグラフ図である。

【０００８】図７に示すように、エネルギ準位を固体原
子の最外殻電子のエネルギ準位（フェルミ準位Ｅ_F）と
真空準位Ｅｖとの差を仕事関数φとし、負イオンの電子
エネルギ準位と真空準位Ｅｖとの差を電子親和力Ｅａと
すると、両者の差Ｅａ−φが大きな条件において、固体
から近接原子ｇへ電子移動し負イオンが生成される確率
が大きくなる。

【０００９】これらの具体的な物質としては、低い仕事
関数φをもつＨｆ、Ｔｈ及びＬａＢ ₆等の耐熱金属であ
る。電気親和力Ｅａの大きなものとしては、フッ素、塩
素、臭素及びヨウ素等のハロゲン系又はオゾン系の分子
である。

【００１０】電子移動の確率を左右するのは、上記元素
の組み合わせ以外に固体表面Ｓの電界Ｅの強さが大きく
影響する。固体表面Ｓを鋭く尖らせ電圧を印加すると、
先端に電界Ｅが集中する。図８に示すように、その近傍
の電位分布が変形して近接原子のエネルギ準位が相対的
に上昇し、電子移動が容易になる。この現象を利用した
ものが表面電界電離型と呼ばれるものである。

【００１１】Ｃｓのような仕事関数の低い元素を固体表
面Ｓに一層だけでも付着させると、電子親和力Ｅａ準位
を固体内のフェルミ準位Ｅ_Fより下げることが可能で、
負イオン生成が促進される。この効果は、原子と固体表
面Ｓとの距離Ｘを短くすると、即ち、原子を固体表面Ｓ
に近づけると増強される。この方法は、スパッタ２次イ
オン源として知られている。

【００１２】スパッタ２次イオン源として、アルカリ金
属のＣｓの混入を嫌う半導体用途のため、Ｃｓの代わり
に仕事関数が比較的低く負の電子親和力をもつダイヤモ
ンドを電子放出部として使用し、スパッタリングにより
放出されたスパッタ粒子に電子を放出して負イオン化さ
せるものが開示されている（特開平１０−２５５６７５
号公報）。

【００１３】また、負イオン源の生成率を増強する方法
として、仕事関数の小さな固体表面を作る方法以外に
「表面に何らかの細工をして仕事間数を等価的に下げた
ものも使用することができる可能性がある。固体内での
電子の存在する準位を上げるために、半導体、電子衝撃
及びそのほかの方法を使用することができる。」ことが
示唆されている（石川順三、イオン源工学、アイオニク
ス社、pp.44）。

【００１４】ダイヤモンドは半導体として、５．４ｅＶ
と非常に大きなエネルギギャップをもち、アンドープダ
イヤモンドでは常温で１０ＭＶ／ｃｍもの絶縁破壊電界
を有し、「固体真空」とも言える材料であるが、ｎ型ド
ーピングを作ることが困難な材料でもある。近時、薄膜
ダイヤモンドの合成技術が発展し、欠陥の少ないダイヤ
モンド材料が利用できるようになってきている。

【００１５】例えば、ダイヤモンド薄膜を気相により合
成する技術は特公昭５９―２７７５号公報及び特公昭６
１―３３２０号公報に開示されている。また、ホウ素
（Ｂ）原子をドーピングすることによりｐ型半導体ダイ
ヤモンドを合成する技術は特開昭５９―１３７３９６号
公報に開示されている。更に、単結晶ダイヤモンド基板
上には気相合成により単結晶薄膜を合成することができ
ることは公知である（「ダイヤモンドに関する研究」
（無機材質研究所研究報告書第３９号、科学技術庁、19
84、pp.39-43））。また、シリコン基板上にダイヤモン
ドの（１００）面又は（１１１）面の結晶面が配向して
成長したダイヤモンド薄膜の合成方法も開示されている
（2nd International Conference On The applica
tions of Diamond Films and Related Material
s，Ed.M.Yoshikawa，et al.,MYU,Tokyo,1993，pp.691-
693.）。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、負イオ
ン源は熱平衡プラズマ型では原理的に実用出力を得るこ
とができず、表面電離効果による小出力のイオン源が存
在するだけであるという問題点がある。

【００１７】また、表面電界電離型では、鋭く尖った突
起構造に強電界を集中させるので、負イオンの生成に寄
与する面積は非常に小さく、大出力を得ることができな
いという問題点もある。

【００１８】更に、特開平１０−２５５６７５号公報に
開示されたスパッタ２次イオン型では、スパッタによる
２次イオンの負イオンの割合が小さいため、大きな収率
を期待することができないことが原因である。

【００１９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、低仕事関数及び負電子親和力等の単にダイ
ヤモンドそのままの諸性質に依存することなく、ダイヤ
モンドを半導体と捉えて、ダイヤモンド半導体デバイス
構造を利用して、面的な負イオン生成を実現することに
より、大きなイオン電流を実現することができる負イオ
ン源、イオンビーム分析装置、エッチング装置、酸素ラ
ジカル発生装置及び排ガス処理装置を提供することを目
的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本願第１発明に係る負イ
オン源は、ダイヤモンド層と、このダイヤモンド層の一
方の面に形成され前記ダイヤモンド層よりも抵抗が低い
低抵抗ダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層の他方の
面に形成された電極と、前記低抵抗ダイヤモンド層の前
記ダイヤモンド層と反対側の面に形成され負イオンが透
過可能の表面電極と、前記表面電極からダイヤモンド層
の厚さ方向に間隔をおいて配置された引出し電極と、を
有し、前記低抵抗ダイヤモンド層の表面には負イオン源
となる原料ガスが吹き付けられることを特徴とする。

【００２１】本発明においては、複数の前記ダイヤモン
ド層と前記低抵抗ダイヤモンド層とが交互に形成されて
いることが好ましい。そして、前記電極と最上層の前記
低抵抗ダイヤモンド層との間に、ダイヤモンドのバンド
ギャップエネルギと前記低抵抗ダイヤモンド層の層数と
の積以上の電圧を印加することが好ましい。

【００２２】また、前記ダイヤモンド層は、アンドープ
ダイヤモンドからなり、前記低抵抗ダイヤモンド層はＢ
が添加されたダイヤモンドからなることが好ましい。

【００２３】更に、前記低抵抗ダイヤモンド層はＢが添
加されたダイヤモンドであり、前記ダイヤモンド層はＢ
が添加され平均Ｂ濃度が前記低抵抗ダイヤモンド層の平
均Ｂ濃度よりも低く、このダイヤモンド層内部でＢが連
続的に分布していることが好ましい。

【００２４】更にまた、前記表面電極は、例えば、Ｂが
添加されたダイヤモンド又はＢが一定の濃度勾配を有す
るように添加されたダイヤモンドからなるものである。

【００２５】また、本発明の負イオン源は、イオンビー
ム分析装置、エッチング装置、酸素ラジカル発生装置及
び排ガス処理装置に適応することができる。

【００２６】本発明においては、ダイヤモンド半導体デ
バイス構造を利用して、外部電源により固体内部の電子
準位を上げて、等価的に仕事関数を下げることにより、
従来のように突起先端ではなく、面的に負イオン生成を
実現することができるために、大きなイオン電流を実現
することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に係る負イ
オン源について添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明に係るＭＩＳ型構造のダイヤモンド
デバイスを示す模式図であり、（ｂ）は縦軸に対数で電
圧、横軸に対数で電流をとり、本発明に係るＭＩＳ型構
造のダイヤモンドデバイスの特性を示すグラフ図であ
る。

【００２８】本願発明等は図１（ａ）に示すように、通
常半導体デバイスで一般的なｐｎ結合の代わりに、高濃
度Ｂドープダイヤモンド層（ｐ型層）２を陽極とし、こ
の陽極と電極３との間に絶縁層としてアンドープダイヤ
モンド層（ｉ型層）１を挟んだ、デバイス長がＬのＭＩ
Ｓ素子構造を試作した。なお、ｐ型層２の表面には表面
電極４が形成されている。この表面電極４と電極３との
間に電圧Ｖを与え、電界Ｅ（＝Ｖ／Ｌ）における動作を
注意深く観察した。

【００２９】（１）構造的に、ｐ型層よりアンドープダ
イヤモンド層１に注入される正孔６（多数キャリア）だ
けでは、図１（ｂ）に示すように、閾値を超えて、電流
の値がＩｔを超えたとき、電流をＩとし、定数をＣとす
るとき、電圧に対して電流が下記数式１に示すように指
数関数的に急激に上昇する電流増加特性を説明すること
ができない。なお、下記数式１における指数は約１１で
ある。

【００３０】

【数１】Ｉ＝Ｖⁿ＋Ｃ（ｎ≒１１）

【００３１】（２）ダイヤモンド特有の正孔６の移動度
は、他の半導体材料と比べて際立って高く、１５００乃
至２０００ｃｍ²／（Ｖ・ｓ）もの値であるため、ｐ型
層２よりｉ型層１へ注入された正孔６は電極３付近のシ
ョットキーバリア領域５では印加電圧（〜４０Ｖ）相当
のエネルギをもち、表面付近の格子ひずみによる散乱で
容易に、電子−正孔対を生成し得る。

【００３２】（３）図１（ａ）に示すＭＩＳ素子構造で
は、可視又は紫外光の微発光８が観測される。これは、
アンドープダイヤモンド薄膜及びＢドープｐ型半導体ダ
イヤモンド薄膜の単独の試料に、夫々電子線を照射し発
光を分光分析（カソード・ルミネッセンス）の結果か
ら、アンドープダイヤモンド薄膜からは発光が観測され
ない。一方、Ｂドープｐ型半導体ダイヤモンド薄膜から
は波長２５０ｎｍ付近の紫外線が観測される。即ち、観
測される発光は全てｐ型層２で起こっており、何らかの
機構でアンドープダイヤモンド層１で電子７が生成増殖
され、ｐ型層２に注入されている。

【００３３】（４）アンドープダイヤモンド層１を通過
してｐ型層２に注入された電子７は、上述の（３）の正
孔６と同様に印加電圧に相当する加速エネルギ（〜４０
ｅＶ）をもつはずである。

【００３４】以上の考察により、図１（ａ）に示すよう
に、最初にｐ型層２からアンドープダイヤモンド層１に
注入された正孔６が電場により加速され、電極３付近の
ショットキーバリア領域５の例えば、Ａ地点で電子−正
孔対が生成され、正孔６は電極３に吸収されるが、電子
７はｐ型層２に向かって加速され、ｐ型層２の外表面近
傍では高いエネルギで注入されているものと仮定した。
即ち、この構造のｐ型層２の外表面近傍では高いエネル
ギの電子７が内部から外表面に向かって衝突する高い準
位の電子７が存在することになる。言い換えると等価的
に仕事関数は低くなっている状態が実現されている。上
述のことから、本願発明者等はこのような状態の表面を
負イオン生成に利用することができることを見出した。

【００３５】次に、本発明の第１実施例について添付の
図面を参照して具体的に説明する。図２は本発明の第１
実施例に係る負イオン源を示す模式図である。

【００３６】本実施例においては、図２に示すように、
電極３上に高抵抗ダイヤモンド層として、アンドープダ
イヤモンド層（以下、ｉ型層という。）１が形成されて
いる。このｉ型層１の上に、ｉ型層１よりも抵抗の低い
低抵抗ダイヤモンド層として、高濃度Ｂドープダイヤモ
ンド層（ｐ型層）２が形成されている。このｐ型層２の
外表面にはイオンが通過可能なようにｐ型層２の表面を
露出させて表面電極４が形成されている。ｐ型層２から
任意の間隔を隔てて、網目状の導電性の引出し電極９が
配置されている。ｐ型層２の外表面から引出し電極９と
の間の空間は真空排気され、ｐ型層２の外表面に向け
て、負イオン１２にするべき原料ガスを導入し、吹き付
けるガス配管系（図示せず）が具備されている。

【００３７】次に、本実施例の負イオン源の製造方法に
ついて説明する。先ず、例えば、白金（Ｐｔ）からなる
電極３の上に、高抵抗ダイヤモンド層として、例えば、
アンドープダイヤモンド層１を例えば、ヘテロエピタキ
シャル成長により形成する。次に、例えば、ジボランガ
スを導入して、高抵抗ダイヤモンド層よりも抵抗の低い
低抵抗ダイヤモンド層として、Ｂをドープした高濃度Ｂ
ドープダイヤモンド層２をアンドープダイヤモンド層１
の上に形成する。次に、高濃度Ｂドープダイヤモンド層
２の表面が露出する部分をもつように表面電極４を蒸着
する。次に、この高濃度Ｂドープダイヤモンド層２から
任意の間隔を隔てて、網目状の引出し電極９を通常のイ
オン源と同じく配置する。

【００３８】次に、本発明の実施例の負イオン源の動作
について説明する。アンドープダイヤモンド層１を陰極
とし、引出し電極９を接地電位とし、表面電極４をそれ
らの中間電位とする。アンドープダイヤモンド層１と表
面電極４との間の電位をＶａとし、約４０Ｖ以上の電圧
を印加する。表面電極４と引出し電極９との間の電位を
Ｖｂとし、数百Ｖ乃至数ｋＶのイオン引出し電圧を印加
する。

【００３９】このように夫々の領域に対して電位を印加
することにより、先ず、ｐ型層２からからｉ型層１へ正
孔６が注入され、ｉ型層１中で加速され、電極３付近で
表面近傍の格子欠陥と衝突し、電子−正孔対を生成す
る。正孔６は電極３に吸収されるが電子７はｐ型層２に
向かって逆方向に加速され、ｐ型層２へ印加電圧（〜４
０Ｖ）のエネルギで注入され、ｐ型層２内では、高いエ
ネルギの電子７が外表面へ向かって衝突する高い準位の
電子７が存在することになる。言い換えると、等価的に
仕事関数は低くなっている。一方、ｐ型層２の表面の外
側からは、負イオン１２となるガス分子１１が飛来し、
高濃度Ｂドープダイヤモンド層２の表面に吸着分子１０
が吸着分子１０として吸着（静止）する。このときのｐ
型層２の表面近傍の電位分布は図７に示すように変形
し、高濃度Ｂドープダイヤモンド層２内側に存在する高
準位の電子７が吸着分子１０へと移動して、負イオン１
２が生成される。この負イオン１２は引出し電極９の分
布開孔９ａを通過してイオンビームとなる。

【００４０】本実施例においては、ｉ型層１とｐ型層２
とからなるダイヤモンド半導体デバイス構造を利用し
て、外部電源により固体内部の電子準位を上げて、等価
的に仕事関数を下げることにより、従来のように突起先
端ではなく、面的に負イオン１２生成を実現することが
できる。

【００４１】また、本実施例においては負イオン１２生
成を促進するために、ｐ型層２の表面により多くの負イ
オン１２となるガス分子１１を吸着させるべく、例え
ば、ペルチェ素子等の冷却手段により、ｐ型層２の温度
を強制的に下げることが有効である。また、このことは
引出された負イオン１２が残留ガス分子等と衝突して、
副次的に生成された正イオンが逆流加速されて高濃度ダ
イヤモンド層２の表面に衝突してスパッタ損傷の誘起の
抑制効果も期待することができる。

【００４２】更に、本実施例においては、ｐ型層２の表
面に形成された表面電極４及び引出し電極９は開孔が分
布した構造であればよく、網目状のもの限定されるもの
ではなく、例えば、格子状、櫛状及び螺旋状等を用途に
より決定されるダイヤモンド素子の形状又は耐久性の要
求に応じて適宜選択することができる。

【００４３】また、本実施例においては、ｐ型層２の形
成終了間際にＢを高濃度化して薄い電極を形成し、これ
を表面電極４とすることもできる。

【００４４】本発明においては、ダイヤモンドの結晶性
を高めることが要点であり、金属等の非ダイヤモンド基
板上に形成する場合には、ダイヤモンドの合成条件を最
適化して結晶欠陥又は粒界の密度を低減する必要があ
る。

【００４５】代表的な合成条件としては、基板として白
金単結晶を使用する。マイクロ波ＣＶＤ法により、アン
ドープダイヤモンド層（ｉ型層）１を合成するには反応
ガスにはＣＨ₄とＨ₂との混合ガス（ＣＨ₄：０．３％）
を使用して、基板温度を８７５℃とし、ガス圧力を５０
Ｔｏｒｒとし、合成時間を１０時間とする。

【００４６】一方、ｐ型半導体ダイヤモンド層（ｐ型
層）を合成するには、反応ガスにＣＨ ₄とＨ₂、Ｂ₂Ｈ₆の
混合ガス（ＣＨ₄濃度：０．３％、Ｂ₂Ｈ₆濃度：５ｐｐ
ｍ）を使用し、基板温度を８７５℃とし、ガス圧力を５
０Ｔｏｒｒとし、合成時間を２時間とする。膜厚は夫々
０．５μｍである。

【００４７】形成された夫々のダイヤモンドは２次イオ
ン質量分析（ＳＩＭＳ：SecondaryIon Mass Spectrom
etry）により分析した結果、ｐ型層２には濃度が３×１
０²⁰ｃｍ^-3のＢがドーピングされていた。

【００４８】次に、本実施例の変形例について説明す
る。図３は本発明の第１実施例の変形例を示す模式図で
ある。図４は本発明の第１実施例の変形例の動作を示す
模式図である。本変形例においては第１実施例と比較し
て、図３に示すように、電極３と高濃度Ｂドープダイヤ
モンド層２ａとの間に、高抵抗ダイヤモンド層としての
ｉ型層１と、低抵抗ダイヤモンド層としてのｐ型層２と
が夫々厚さ方向に交互に複数組格子整合するように形成
されている点で異なり、それ以外は第１実施例と同様の
構成である。

【００４９】次に、本変形例の負イオン源の動作につい
て説明する。図４に示すように、先ず、バンドギャップ
エネルギＥｇと積層組数ｍとの積以上の電圧を電極３と
高濃度Ｂドープダイヤモンド層２ａとの間に印加する。
各ｉ型層１にはバンドギャップエネルギＥｇ相当以上の
電位差が両端に生じ、陽極であるｐ型層２から注入され
た正孔６はｉ型層１内の電界でバンドギャップエネルギ
Ｅｇ相当以上のエネルギに加速され、隣接する薄いｐ型
層２に衝突するが、電界強度の急激な不連続が存在する
ために、電子−正孔対が生成される。生成された電子７
及び正孔６は夫々逆方向に隣接するｉ型層１に注入され
同様に加速を受け、夫々次に隣接するｐ型層２内で再
度、電子−正孔対を生成する。この過程を繰り返して、
電子−正孔対が増殖され、引出し電極９の分布開孔９ａ
から負イオン１２が放出される。

【００５０】本変形例においては、増殖率は不安定又は
不確定な表面及び界面状態に依存する第１実施例と比較
して、ｐ型層２のドーピング濃度及び厚さを最適化する
ことにより、より一層安定かつ確実な増殖作用が行われ
る。ｐ型層２の表面の外側からは、負イオン１２となる
ガス分子１１が飛来し、高濃度Ｂドープダイヤモンド層
２ａの表面に吸着分子１０が吸着分子１０として吸着
（静止）する。高濃度Ｂドープダイヤモンド層２ａ内側
に存在する高準位の電子７が吸着分子１０へと移動し
て、負イオン１２が生成される。この負イオン１２は引
出し電極９の分布開孔９ａを通過してイオンビームとな
る。

【００５１】本発明の第２実施例について図５を参照し
て詳細に説明する。なお、図１乃至図４に示す第１実施
例と同一構成物には同一符号を付しその詳細な説明は省
略する。図５は本発明の第２実施例に係るタンデム型高
エネルギイオン散乱分析装置を示す模式図である。

【００５２】本実施例においては、第１実施例と比較し
て、図５に示すように、表面電極４と引出し電極９との
間にイオン種を供給するイオン種ガスボンベ２３が設け
られている。また、負イオン源の負イオン放出方向に加
速管１６が設けられている。この加速管１６には、負イ
オン１２を加速させるための高電圧発生器１８が設けら
れている。また、この加速管１６の内部の長手方向中央
に荷電変換フォイル１７が設けられている。加速管１６
の先には分析電磁石１９が設けられている。この分析電
磁石１９の先には、収束レンズ２０が設けられている。
更に、収束レンズ２０の先には試料２１が設置可能にな
っている。試料２１に当たった負イオン１２により放出
される２次電子を検出する検出器２２が設けられてい
る。これらの点で異なり、それ以外の構成は第１実施例
と同様である。

【００５３】次に、本実施例のタンデム型高エネルギイ
オン散乱分析装置の動作について説明する。例えば、Ｈ
ｅからなる引出された負イオン１２が正極（＋Ｖ）の高
電圧発生装置１８に搭載された加速管１６の前半部で加
速され、Ｖ（ｅＶ）のエネルギになる。加速された負イ
オン１２は加速管１６の内部中央に設置された例えば、
カーボンからなる薄膜でできた荷電変換フォイル１７に
衝突又は透過する際に、電子７を剥ぎ取られ、正イオン
（＋１又は＋２価）が生成する。加速管１６の後半部で
加速され、最終的には、＋１価の正イオンは２Ｖ（ｅ
Ｖ）のエネルギとなり、＋２価の正イオンは３Ｖ（ｅ
Ｖ）のエネルギに達する。この正イオンビームを分析電
磁石１９により、運動量弁別して、＋１価又は＋２価の
イオンの一方のイオンを選択すると共に、電荷変換及び
加速管１６内で混入する目的外イオンを排除する。次
に、収束レンズ２０でイオンビームを収束させて分析す
る試料２１に衝突させ、衝突の際に発生する散乱イオン
を検出器２２で検出し、エネルギ分析を行い試料２１の
元素組成又は表面構造を解析する。

【００５４】本実施例においては、一旦吸着した吸着分
子１０、即ち静止状態の原子が、そのまま負イオン１２
化して外部電界により引出されるために、非常にエミッ
タンスの小さな、即ち、平行性の高いイオンビームを得
ることができ、収束レンズ２０により収束させると非常
に小さなビームスポット径を得ることができる。このた
め、高い空間分解能の分析をすることが可能である。

【００５５】また、本実施例においては、負イオン１２
となる原料ガスとしては、Ｈｅガスに限定されるもので
はなく、水素等の軽元素からなるガスとすることができ
る。また、負イオン源を真空排気ダクト内で動作させて
もよい。

【００５６】本発明の第３実施例について図６に参照し
て詳細に説明する。なお、図１乃至図４に示す第１実施
例と同一構成物には同一符号を付しその詳細な説明は省
略する。図６は本発明の第３実施例に係るエッチング装
置を示す模式図である。

【００５７】本実施例においては、第１実施例と比較し
て、図６に示すように、引出し電極９からのイオン進行
方向にウエハホルダ２６が設置されており、このウエハ
ホルダ２６と引出し電極９との間にはバイアス電圧Ｖｃ
がかけられている。また、このウエハホルダ２６には例
えば、酸化膜２５によりパターニングされたウエハ２４
を設置することができる。更に、表面電極４と引出し電
極９との間には原料ガスを供給する配管（図示せず）と
原料ガスボンベ２３ａとが設けられている。更に、引出
し電極９とウエハ２４との間の空間を真空に排気する排
気ポンプ２７が設けられている。これらの点で第１実施
例とは異なり、それ以外の構成は第１実施例と同様の構
成である。即ち、本実施例は第１実施例の負イオン源を
ＲＩＥ型（Reactive Ion Etching）エッチング装置に
使用している。

【００５８】本実施例においては、例えば、ハロゲン系
の塩素、フッ素及び臭素系の引出されたイオンをそのま
ま、半導体ウエハ等の加工試料に衝突させるものであ
る。衝突エネルギは引出し電極９とウエハホルダ２６の
陽極との間に別途給電するバイアス電圧Ｖｃにより調整
することができる。また、引出し電圧Ｖｂをバイアス電
圧Ｖｃで相殺すると負イオン１２が消滅して雰囲気ガス
を励起したラジカル種でのエッチングも可能になる。例
えば、塩素等の負イオン１２では正イオンではエッチン
グが困難な白金又はセラミックス等のエッチングが可能
であることが報告されており、強誘電体メモリ又はマイ
クロメカニクス系の微細加工にも有用である。

【００５９】また、本実施例においては、一旦吸着した
吸着分子１０、即ち静止状態の原子が、そのまま負イオ
ン１２化して外部電界により引出されるために、非常に
エミッタンスの小さな、即ち、平行性の高いイオンビー
ムを得ることができ、エッチングに利用すると深堀する
ことができ、負イオン１２特有のチャージアップ抑制効
果と共に、近時の高集積ＬＳＩ微細加工装置としても非
常に有用である。

【００６０】更に、本実施例においては、原料ガスとし
て、塩素に限定されるものではなく、フッ素及びヨウ素
等を含むハロゲン系ガス並びに酸素等とすることができ
る。また、負イオン源を真空排気チャンバ内で動作させ
てもよい。また、酸素ラジカル発生装置に適用すること
ができ、更に排ガス処理装置の負イオン源として使用す
ることができる。

【００６１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明においては、
ダイヤモンド半導体デバイス構造を利用して、外部電源
により固体内部の電子準位を上げて、等価的に仕事関数
を下げることにより、従来の突起先端ではなく、面的に
負イオン生成を実現することができるために、大きなイ
オン電流を実現することができる。

【００６２】即ち、一端吸着した原子又は静止状態の原
子が、そのまま負イオン化し、外部電界により引出され
るために、非常にエミッタンスの小さな即ち、平行性の
高いイオンビームを得ることができる。

【００６３】また、収束すると非常に小さなビームスポ
ットを得ることができるため、高分解能の分析が可能と
なる。

【００６４】更に、この平行性の高いイオンビームをエ
ッチングに利用すると深堀することができ、負イオン特
有のチャージアップ抑制効果と共に、近時の高集積ＬＳ
Ｉ微細加工装置としても非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係るＭＩＳ型構造のダイヤモ
ンドデバイスを示す模式図であり、（ｂ）は縦軸に対数
で電圧、横軸に対数で電流をとり、本発明に係るＭＩＳ
型構造のダイヤモンドデバイスの特性を示すグラフ図で
ある。

【図２】本発明の第１実施例に係る負イオン源を示す模
式図である。

【図３】本発明の第１実施例の変形例を示す模式図であ
る。

【図４】本発明の第１実施例の変形例の動作を示す模式
図である。

【図５】本発明の第２実施例に係るタンデム型高エネル
ギイオン散乱分析装置を示す模式図である。

【図６】本発明の第３実施例に係るエッチング装置を示
す模式図である

【図７】縦軸にエネルギ、横軸に固体表面の距離と自由
電子密度をとり、固体表面電離過程を示すグラフ図であ
る。

【図８】縦軸にエネルギ、横軸に固体表面の距離と自由
電子密度をとり、強電界が存在する場合の固体表面電離
過程を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１；アンドープダイヤモンド層２、２ａ；高濃度Ｂドープダイヤモンド層３；電極４；表面電極５；ショットキーバリア領域６；正孔７；電子８；微発光９；引出し電極９ａ；分布開孔１０；吸着分子１１；ガス分子１２；負イオン１６；加速管１７；荷電変換フォイル１８；高電圧発生器１９；分析電磁石２０；収束レンズ２１；試料２２；検出器２３；イオン種ガスボンベ２３ａ；原料ガスボンベ２４；ウエハ２５；酸化膜２６；ウエハホルダ２７；排気ポンプＡ；電子−正孔対生成点Ｅ；電界Ｅａ；電子親和力Ｅｇ；エネルギギャップＥ_F；フェルミ準位Ｅｖ；真空準位ｇ；近接原子Ｓ；固体表面Ｖ；電圧Ｖａ；電位Ｖｂ；引出し電圧Ｖｃ；バイアス電圧Ｘ；距離 φ；仕事関数

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橘武史兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者林和志兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者川上信之兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者宮田浩一兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (56)参考文献特開平９−320450（ＪＰ，Ａ) 特開平５−121024（ＪＰ，Ａ) 特開平９−221559（ＪＰ，Ａ) 特開平７−57643（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−191940（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−72151（ＪＰ，Ａ) 特開2000−260300（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 27/20 H01J 27/26 H01J 37/08 H01J 1/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤモンド層と、このダイヤモンド層
の一方の面に形成され前記ダイヤモンド層よりも抵抗が
低い低抵抗ダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層の他
方の面に形成された電極と、前記低抵抗ダイヤモンド層
の前記ダイヤモンド層と反対側の面に形成され負イオン
が透過可能の表面電極と、前記表面電極からダイヤモン
ド層の厚さ方向に間隔をおいて配置された引出し電極
と、を有し、前記低抵抗ダイヤモンド層の表面には負イ
オン源となる原料ガスが吹き付けられることを特徴とす
る負イオン源。
【請求項２】複数の前記ダイヤモンド層と前記低抵抗
ダイヤモンド層とが交互に形成されていることを特徴と
する請求項１に記載の負イオン源。
【請求項３】前記電極と最上層の前記低抵抗ダイヤモ
ンド層との間に、ダイヤモンドのバンドギャップエネル
ギと前記低抵抗ダイヤモンド層の層数との積以上の電圧
を印加することを特徴とする請求項１又は２に記載の負
イオン源。
【請求項４】前記ダイヤモンド層は、アンドープダイ
ヤモンドからなり、前記低抵抗ダイヤモンド層はＢが添
加されたダイヤモンドからなることを特徴とする請求項
１乃至３のいずれか１項に記載の負イオン源。
【請求項５】前記表面電極は、Ｂが添加されたダイヤ
モンドからなることを特徴とする請求項１乃至４のいず
れか１項に記載の負イオン源。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
負イオン源を有することを特徴とするイオンビーム分析
装置。
【請求項７】請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
負イオン源を有することを特徴とするエッチング装置。
【請求項８】請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
負イオン源を有することを特徴とする酸素ラジカル発生
装置。
【請求項９】請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
負イオン源を有することを特徴とする排ガス処理装置。