JP3525134B2 - Cluster ion beam mass separation method - Google Patents

Cluster ion beam mass separation method

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JP3525134B2 JP08822493A JP8822493A JP3525134B2 JP 3525134 B2 JP3525134 B2 JP 3525134B2 JP 08822493 A JP08822493 A JP 08822493A JP 8822493 A JP8822493 A JP 8822493A JP 3525134 B2 JP3525134 B2 JP 3525134B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、クラスターイオンビ
ームの質量分離方法に関するものである。さらに詳しく
は、半導体、その他電子デバイス等の表面清浄化やその
改質、スパッタリング等に有用な、常温で気体状物質の
クラスターイオンビームの質量分離方法に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mass separation method for cluster ion beams. More specifically, the present invention relates to a mass separation method of a cluster ion beam of a gaseous substance at room temperature, which is useful for surface cleaning of semiconductors and other electronic devices, modification thereof, sputtering and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術とその課題】従来より、半導体等の電子デ
バイスの表面清浄化や、イオン注入による表面改質、あ
るいは薄膜形成などを目的に各種の気相反応方法が開発
され、たとえばスパッタリング、真空蒸着、CVD、イ
オンビーム蒸着などの方法が実用化されてきている。
2. Description of the Related Art Conventionally, various gas phase reaction methods have been developed for the purpose of surface cleaning of electronic devices such as semiconductors, surface modification by ion implantation, or thin film formation. Methods such as vapor deposition, CVD, and ion beam vapor deposition have been put to practical use.

【0003】しかしながら、これら従来の方法の場合に
は、対象とする固体表面の損傷、劣化等の好ましくない
影響を避けることが難しく、高精度、高品質な電子デバ
イスの製造等にとって大きな課題となっていた。すなわ
ち、たとえば、表面清浄化の方法としてArイオンなど
の不活性ガスイオンを用いて固体表面に照射し、表面に
吸着している不純物原子や酸化物をスパッタリングして
清浄化する方法が知られている。しかしながら、この従
来の方法の場合には、入射エネルギーが100eV以下で
はイオン電流が極端に少なくなるため、入射エネルギー
を数keVと高くしたイオンビームを利用しなければなら
なかった。そのため、固体表面に欠陥を発生させたり、
あるいはArが表面に注入され不純物原子となるため、
清浄な表面が得られない等の欠点があった。また、単原
子や分子状のイオンを用いた固体表面へのイオン照射で
は、固体内部にイオンが注入されるため、極く浅い表面
表層部のみの改質は困難であった。
However, in the case of these conventional methods, it is difficult to avoid undesired effects such as damage and deterioration of the target solid surface, which is a major problem for manufacturing high-precision and high-quality electronic devices. Was there. That is, for example, as a surface cleaning method, there is known a method in which an inert gas ion such as Ar ion is used to irradiate a solid surface and the impurity atoms and oxides adsorbed on the surface are sputtered to be cleaned. There is. However, in the case of this conventional method, when the incident energy is 100 eV or less, the ion current is extremely small, so that it is necessary to use an ion beam having a high incident energy of several keV. Therefore, it may cause defects on the solid surface,
Alternatively, since Ar is injected into the surface and becomes an impurity atom,
There was a defect that a clean surface could not be obtained. Further, in ion irradiation of a solid surface using monatomic or molecular ions, it is difficult to modify only an extremely shallow surface layer because the ions are implanted inside the solid.

【0004】このため、ULSI等の高度エレクトロニ
クスの発展へと向うための基盤技術として、イオンビー
ムを用いながらも無損傷で固体表面を清浄化クリーニン
グし、あるいはまた、固体表面の極めて浅い表層部への
イオン注入や高品質スパッタリング等を行うことができ
る新しいイオンビーム技術の実現が強く望まれていた。
Therefore, as a basic technique for the development of advanced electronics such as ULSI, the solid surface can be cleaned and cleaned without damage while using an ion beam, or to the extremely shallow surface layer portion of the solid surface. There has been a strong demand for the realization of a new ion beam technology capable of performing ion implantation, high quality sputtering, etc.

【0005】このような状況は、クラスターイオンビー
ム(CIB)技術の検討を進めてきたこの発明の発明者
にとっても焦眉の課題となっていた。そこで鋭意検討を
行った結果、これまでに知られていない新しい技術とし
て、常温で気体のガスクラスターをイオン化することに
より、生成するガスクラスターイオンビームは、従来の
課題を克服するものであることが明らかになった。この
知見を踏まえて、新しい技術をすでに提案してもいる。
Such a situation has been a serious problem for the inventor of the present invention who has been studying the cluster ion beam (CIB) technique. As a result of extensive studies, it was found that a gas cluster ion beam generated by ionizing gas clusters of a gas at room temperature overcomes conventional problems as a new technology that has not been known so far. It was revealed. Based on this knowledge, we are already proposing a new technology.

【0006】その後、さらに検討を進めた結果、このク
ラスターには、各種の大きさの集団が形成されることか
ら、気相反応の選択性を向上させるためには、使用する
クラスターの選択的抽出を行わねばならないという課題
が浮上してきた。この発明は、以上の通りの事情に鑑み
てなされたものであり、従来のクラスターイオンビーム
技術をさらに発展させ、さらに高品質な無損傷表面清浄
化クリーニングや、極めて浅い表層部のみへのイオン注
入層の形成、そしてスパッタリングなどが簡便に、小型
の装置によって可能となる新しい方策を提供することを
目的としている。
As a result of further study, clusters of various sizes are formed in this cluster. Therefore, in order to improve the selectivity of the gas phase reaction, selective extraction of clusters to be used is performed. Has emerged as a challenge. The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and further develops the conventional cluster ion beam technology to further improve high-quality non-damaged surface cleaning and ion implantation into only an extremely shallow surface layer portion. It is an object of the present invention to provide a new method in which layer formation, sputtering, and the like can be easily performed with a small device.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、常温で気体状物質の塊状原子集
団または分子集団であるクラスターを形成し、これに電
子を浴びせて生成させたイオンを加速電圧によって加速
するに際し、複数の開孔電極の開孔部にクラスタービー
ムを通過させ、この電極に電圧印加してクラスターを質
量分離することを特徴とするクラスターイオンビームの
質量分離方法を提供する。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present invention forms clusters, which are lumpy atomic groups or molecular groups of a gaseous substance at room temperature, and produces clusters by exposing them to electrons. When accelerating ions with an accelerating voltage, a cluster beam is passed through the apertures of a plurality of aperture electrodes, and a voltage is applied to the electrodes to separate the clusters by mass. provide.

【0008】すなわち、通常は、前記した通りの常温で
気体状の物質、たとえば炭化物、酸化物、弗化物、塩化
物、水素化物、硫化物、希ガス物質およびそれらの適度
な割合での混合気体状の物質などを用い、これら物質の
クラスターイオンをイオンビームとして利用する場合に
は、クラスターは、通常数百個の原子によって構成され
ているのでたとえ印加電圧が1kVでもそれぞれの原子
は、10eV以下の超低速イオンビームとして、固体表
面に照射される。
That is, usually, a substance which is in a gaseous state at room temperature as described above, for example, a carbide, an oxide, a fluoride, a chloride, a hydride, a sulfide, a noble gas substance and a mixed gas thereof in an appropriate ratio. When a cluster-like substance is used and the cluster ions of these substances are used as an ion beam, the cluster is usually composed of several hundred atoms, so even if the applied voltage is 1 kV, each atom is 10 eV or less. The solid surface is irradiated with the ultra-slow ion beam.

【0009】しかし、この状態でのクラスターイオンビ
ームは、各種のクラスターサイズのものが共存してい
る。そこで、この発明では、たとえば単原子やクラスタ
ーサイズの小さいイオンを除去するために、エネルギー
アナライザー/加速電極を用い、クラスターサイズを所
要の範囲のものとして選択使用する。
However, in this state, cluster ion beams of various cluster sizes coexist. Therefore, in the present invention, in order to remove, for example, a single atom or ions having a small cluster size, an energy analyzer / accelerating electrode is used, and the cluster size is selected and used within a required range.

【0010】このため、この発明の方法によって、クラ
スターイオンビームによる反応、表面処理の高度選択性
が可能とされ、また簡便、小型な装置でも優れた作用効
果が期待されることになる。以下、実施例を示してさら
に詳しくこの発明の方法について説明する。
Therefore, according to the method of the present invention, the reaction by the cluster ion beam and the high degree of selectivity of the surface treatment are possible, and the excellent action and effect are expected even in a simple and compact device. Hereinafter, the method of the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

【0011】[0011]

【実施例】添付した図面の図1は、この発明の超低速イ
オンビームによる表面処理装置の概略図である。この図
1に沿ってクラスターイオンビームを用いた表面クリー
ニング方法について説明すると、まずCO2 や弗化物あ
るいは塩化物などの常温で気体状のガスを導入孔(1)
を通してガスソース(2)にガス圧力が数気圧になるま
で導入する。次いで、導入したガスをガスソース(2)
の先端に設けられたノズル(3)から噴射する。この時
断熱膨脹によって数百個の原子から成るクラスター、す
なわち塊状原子集団あるいは塊状分子集団が形成され
る。このクラスターをスキマー(4)を通じイオン化部
(5)に導く。イオン化部(5)を通過するときにその
クラスターの一部はイオン化されクラスターイオンとな
る。次いで、このクラスターイオンは加速電極(6)及
び基板ホルダー(7)に印加された負の加速電圧によっ
て加速され、基板(8)に衝突する。1個のクラスター
は数百個の原子から構成されているので、印加電圧が1
kVでもそれぞれの原子は10eV以下の超低速ビーム
となって基板に衝突する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 of the accompanying drawings is a schematic view of a surface treatment apparatus using an ultra-slow ion beam according to the present invention. When the surface cleaning method will be described using the cluster ion beam along the Figure 1, first, CO 2 and fluorides or introducing a gaseous gas at ordinary temperature, such as chloride hole (1)
Through the gas source (2) until the gas pressure reaches several atmospheres. Next, the introduced gas is used as a gas source (2).
It is ejected from a nozzle (3) provided at the tip of. At this point, adiabatic expansion forms clusters of hundreds of atoms, that is, clustered atomic groups or clustered molecular groups. This cluster is led to the ionization part (5) through the skimmer (4). When passing through the ionization part (5), a part of the cluster is ionized and becomes a cluster ion. Then, the cluster ions are accelerated by the negative accelerating voltage applied to the acceleration electrode (6) and the substrate holder (7) and collide with the substrate (8). Since one cluster consists of hundreds of atoms, the applied voltage is 1
Even at kV, each atom becomes an ultra-slow beam of 10 eV or less and collides with the substrate.

【0012】この時クラスターはサイズの異なるものが
共存することから、イオン化に際し、図2に示したよう
に、エネルギーアナライザー/加速電極系(60)など
の質量分離手段によって特定の大きさのクラスターを取
り出して利用する。この分離手段としてのアナライザー
は、孔の開いた電極板を複数組合せ、各々の電極に適当
に電圧を与えることによって可能となる。これにより、
たとえばクラスターサイズの小さなものが除去可能とな
る。
At this time, since clusters of different sizes coexist, upon ionization, as shown in FIG. 2, a cluster of a specific size is formed by a mass separation means such as an energy analyzer / accelerating electrode system (60). Take it out and use it. The analyzer as this separating means can be realized by combining a plurality of electrode plates having holes and applying an appropriate voltage to each electrode. This allows
For example, those with a small cluster size can be removed.

【0013】もちろん、ノズル(3)の形状は各種のも
のが可能である。また、ノズルの長さや直径は、ガスの
種類によって異なり、断熱膨張によってクラスターが形
成される寸法にする。ノズルの材料はガラス製以外の金
属製でもよい。また、実際の装置構成としては、ノズル
(3)の置かれている空間は、差動排気ポンプによって
排気することが望ましい。
Of course, the nozzle (3) may have various shapes. In addition, the length and diameter of the nozzle differ depending on the type of gas, and are dimensioned so that clusters are formed by adiabatic expansion. The material of the nozzle may be made of metal other than glass. Further, as an actual device configuration, it is desirable that the space in which the nozzle (3) is placed is exhausted by a differential exhaust pump.

【0014】実際、この発明によって、たとえばクラス
ターイオンのサイズを100以上のもの等として選択的
に利用可能となる。
In fact, according to the present invention, it is possible to selectively use, for example, cluster ions having a size of 100 or more.

【0015】[0015]

【発明の効果】この発明によって、クラスターサイズの
選択利用により高品質、高性能な固体表面の処理が可能
となる。
According to the present invention, it is possible to treat a solid surface of high quality and high performance by selectively utilizing the cluster size.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】ガスクラスターイオンビームの形成のための装
置例を示した断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an apparatus for forming a gas cluster ion beam.

【図2】質量分離手段を組込んだ装置例を示した断面図
である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of an apparatus incorporating a mass separation means.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ガス導入孔 2 ガスソース 3 ノズル 4 スキマー 5 イオン化部 6 加速電極 7 基板ホルダー 8 基 板 60 エネルギーアナライザー/加速電極系 1 gas inlet 2 gas sources 3 nozzles 4 Skimmer 5 Ionization section 6 Accelerating electrode 7 Board holder 8 base plates 60 Energy analyzer / accelerating electrode system

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 常温で気体状物質の塊状原子集団または
分子集団であるクラスターを形成し、これに電子を浴び
せて生成させたイオンを加速電圧によって加速するに際
し、複数の開孔電極の開孔部にクラスタービームを通過
させ、この電極に電圧印加してクラスターを質量分離す
ることを特徴とするクラスターイオンビームの質量分離
方法。
1. When forming clusters, which are a group of massive atoms or groups of molecules of a gaseous substance at room temperature, and accelerating ions generated by exposing electrons to the clusters by an accelerating voltage, a plurality of aperture electrodes are opened. A mass separation method for a cluster ion beam, characterized in that a cluster beam is passed through a portion and a voltage is applied to this electrode to separate the clusters by mass.
【請求項2】 固体表面の無損傷クリーニングを行う請
求項1の表面処理方法。
2. The surface treatment method according to claim 1, wherein the solid surface is cleaned without damage.
【請求項3】 固体表面の浅い表層部にイオン注入を行
う請求項1の方法。
3. The method according to claim 1, wherein ions are implanted into a shallow surface layer portion of the solid surface.
【請求項4】 固体表面にスパッタリングを行う請求項
1の方法。
4. The method of claim 1, wherein the solid surface is sputtered.
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