JPH02301940A - Ion source - Google Patents

Ion source

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JPH02301940A
JPH02301940A JP1123059A JP12305989A JPH02301940A JP H02301940 A JPH02301940 A JP H02301940A JP 1123059 A JP1123059 A JP 1123059A JP 12305989 A JP12305989 A JP 12305989A JP H02301940 A JPH02301940 A JP H02301940A
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JP
Japan
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plasma
vacuum chamber
gas
flow
ion
Prior art date
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Pending
Application number
JP1123059A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koichi Ono
高一 斧
Tatsuo Omori
達夫 大森
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH02301940A publication Critical patent/JPH02301940A/en
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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make it possible to apply the generation of low energy ion beams and convergent ion beams to ultra high brightness ion beams by extracting ion current from the super-sonic molecule flow of plasma obtained from super- sonic expansion taking a place when plasma generated in a discharge chamber is introduced into a vacuum chamber. CONSTITUTION:Plasma composed of specimen gas B generated in a discharge chamber 1 and of carrier gas A, flows out into the first vacuum chamber 22 through a nozzle 26 so as to be super-sonically expanded so that the super-sonic free jet steam D of plasma is thereby formed. In the second place, a section close to the center axis of the super-sonic free jet stream D of plasma in a region of stillness is extracted out as super-sonic molecule flow E into the second vacuum chamber 23 by means of a skimmer 28 provided for the first bulkhead 27. The super-sonic molecule flow E passes through a collimator 30 provided for the second bulkhead 29 so as to flow in the third vacuum chamber 24. Plasma ions are extracted as ion current F out of an electric hole 8 while being accelerated to the direction of an electrode 7 by means of the electric field applied between the collimator 30 and the electrode 7.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、イオン源に関し、特に半導体素子製造プロ
セスの分野におけるイオン注入、イオンビーム露光、イ
オンビーム堆積、イオンビームエツチング、またはイオ
ンビーム描画などの超微細加工に用いられる高輝度イオ
ンビームを生成する気体イオン源に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to an ion source, and particularly to ion implantation, ion beam exposure, ion beam deposition, ion beam etching, ion beam writing, etc. in the field of semiconductor device manufacturing processes. This invention relates to a gas ion source that generates a high-intensity ion beam used in ultra-fine processing.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第5図は、例えば伊藤糾次「イオンインプランンテーシ
ョン」p92〜p95(昭晃堂、昭和51年10月25
日発行)に掲載された従来の気体イオン源を示す概略断
面図であり、図において、1は放電室、2はこの放電室
1に設置された陰極、3は上記放電室1に設置された陽
極、4はこの陽極3が有する陽極孔、5は上記放電室1
の陰極2と陽極3との間に設置された中間電極、6はこ
の中間電極5が有する中間電極孔、7は上記陽極3に近
接して設置された引き出し電極、8はこの引き出し電極
7が有する引き出し電極孔である。
FIG.
This is a schematic cross-sectional view showing a conventional gas ion source published in Japan (Japanese edition), in which 1 is a discharge chamber, 2 is a cathode installed in this discharge chamber 1, and 3 is a cathode installed in the discharge chamber 1. an anode; 4 is an anode hole that this anode 3 has; 5 is the discharge chamber 1;
An intermediate electrode is installed between the cathode 2 and the anode 3, 6 is an intermediate electrode hole that this intermediate electrode 5 has, 7 is an extraction electrode installed close to the anode 3, and 8 is an intermediate electrode that this extraction electrode 7 has. This is a lead-out electrode hole.

9は上記引き出し電極7を含み上記放電室1に陽極3を
介して隣接配置された真空室、10はこの真空室9の排
気のための真空引口、11は上記放電室1の陰極2と中
間電極5との間にキャリア気体Aを導入するためのキャ
リア気体導入口、12は上記放電室1の中間電極5と陽
極3との間に試料気体Bを導入するための試料気体導入
口、Cは上記引き出し電極7から引き出し電極孔8を通
して引き出されたイオン流である。なお、上記陰極2、
中間電極孔6、陽極孔4、及び引き出し電極孔8は一直
線上に配置され、上記引き出されたイオン流Cの中心軸
と同一軸上にある。
9 is a vacuum chamber that includes the extraction electrode 7 and is adjacent to the discharge chamber 1 via the anode 3; 10 is a vacuum outlet for exhausting the vacuum chamber 9; 11 is the cathode 2 of the discharge chamber 1; A carrier gas introduction port for introducing carrier gas A between the intermediate electrode 5; 12 a sample gas introduction port for introducing the sample gas B between the intermediate electrode 5 and the anode 3 of the discharge chamber 1; C is an ion flow extracted from the extraction electrode 7 through the extraction electrode hole 8. Note that the cathode 2,
The intermediate electrode hole 6, the anode hole 4, and the extraction electrode hole 8 are arranged in a straight line and are coaxial with the central axis of the extracted ion flow C.

次に動作について説明する。Next, the operation will be explained.

まず、真空引目10から真空室9の排気を行い、放電室
1と真空室9を所定の真空度にする。次いで、真空引口
10からの排気を行いつつ、放電室1にキャリア気体導
入口11からキャリア気体Aを導入し、陰極2と中間電
極5との間に直流電圧を印加する。その結果、キャリア
気体Aは陰極2と中間電極5との間に生じるグロー放電
あるいはアーク放電により電離し、プラズマが生成され
る。
First, the vacuum chamber 9 is evacuated through the vacuum puller 10 to bring the discharge chamber 1 and the vacuum chamber 9 to a predetermined degree of vacuum. Next, while evacuation is performed from the vacuum port 10, carrier gas A is introduced into the discharge chamber 1 from the carrier gas introduction port 11, and a DC voltage is applied between the cathode 2 and the intermediate electrode 5. As a result, the carrier gas A is ionized by glow discharge or arc discharge generated between the cathode 2 and the intermediate electrode 5, and plasma is generated.

そして生成されたプラズマは、中間電極孔6を通過して
、中間電極5と陽極3との間に流入する。
The generated plasma then passes through the intermediate electrode hole 6 and flows between the intermediate electrode 5 and the anode 3.

ここで、試料気体Bを試料気体導入口12から放電室1
内に導入すると、試料気体Bはキャリア気体Aのプラズ
マとの相互作用により電離する。この電離した試料気体
を含むキャリア気体Aのプラズマは、陽極孔4を通過し
、陽極3と引き出し電極7との間に流入する。ここでは
陽極3と引き出し電極7との間には直流電圧が印加され
電界が生じているので、この電界により引き出し電極孔
8からイオン流Cが矢印の方向に引き出される。このと
きイオン流Cと共に、電離していない中性気体も真空室
9内に流入する。
Here, the sample gas B is introduced into the discharge chamber 1 from the sample gas inlet 12.
When introduced into the sample gas B, the sample gas B is ionized by interaction with the plasma of the carrier gas A. The plasma of the carrier gas A containing the ionized sample gas passes through the anode hole 4 and flows between the anode 3 and the extraction electrode 7. Here, since a DC voltage is applied between the anode 3 and the extraction electrode 7 to generate an electric field, the ion flow C is extracted from the extraction electrode hole 8 in the direction of the arrow. At this time, non-ionized neutral gas also flows into the vacuum chamber 9 together with the ion flow C.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

従来の気体イオン源は、以上のように、放電室1で生成
された高温のプラズマからイオンを引き出すように構成
されているので、得られるイオン流Cの温度は高く、イ
オンの熱運動速度が大きいため、低エネルギーイオンビ
ームを発生させることは不可能であった。また、この熱
運動はイオン流Cを加速して得られるイオンビームにお
いても残存するので、電磁場を用いてビームを集束させ
得る径には限界があり、従来の気体イオン源を集束イオ
ンビームなどの超高輝度イオンビームに適用することは
不可能であるなどの問題点があった。
As described above, the conventional gas ion source is configured to extract ions from the high-temperature plasma generated in the discharge chamber 1, so the temperature of the resulting ion flow C is high and the thermal velocity of the ions is low. Due to its large size, it was impossible to generate a low-energy ion beam. In addition, this thermal motion remains even in the ion beam obtained by accelerating the ion flow C, so there is a limit to the diameter that can be focused using an electromagnetic field. There were problems such as the impossibility of applying it to ultra-high-brightness ion beams.

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、低エネルギーイオンビームを発生することが
できるとともに、集束イオンビームなどの超高輝度イオ
ンビームに適用することができる極低温気体のイオン源
を得ることを目的とする。
This invention was made to solve the above-mentioned problems, and it uses a cryogenic gas that can generate low-energy ion beams and can be applied to ultra-high-brightness ion beams such as focused ion beams. The aim is to obtain an ion source for

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

この発明に係るイオン源は、生成気体の噴出ノズルを有
し、上記原料気体の原子分子を電離して電離気体を生成
するための放電室を設けるとともに、該電離気体を上記
噴出ノズルを介して内部に導入し、これを超音速膨張さ
せて超音速自由噴流を形成するための第1の真空室、及
び該電離気体の超音速自由噴流から超音速分子流を抽出
するスキマーを有し、該超音速分子流を導入するための
第2の真空室を設け、該分子流からからイオン流を分離
して引き出すようにしたものである。
The ion source according to the present invention has a generated gas jetting nozzle, and is provided with a discharge chamber for generating ionized gas by ionizing atoms and molecules of the raw material gas, and also includes a discharge chamber for generating ionized gas by ionizing atoms and molecules of the raw material gas, and the ionized gas is supplied through the jetting nozzle. a first vacuum chamber for introducing the ionized gas into the interior and expanding it at supersonic speed to form a supersonic free jet; and a skimmer for extracting a supersonic molecular flow from the supersonic free jet of the ionized gas; A second vacuum chamber is provided for introducing a supersonic molecular flow, and an ion flow is separated and extracted from the molecular flow.

〔作用〕[Effect]

この発明においては、放電室で生成されたプラズマをノ
ズルを通して第1の真空室内に導入して超音速膨張させ
、該膨張により得られる超音速自由噴流からプラズマの
超音速分子流を抽出し、さらにこのプラズマの超音速分
子流からイオン流を引き出すようにしたから、超音速膨
張により温度が十分低いプラズマを生成することができ
、つまり気体温度が極めて低い、即ち中性原子分子やイ
オンなど重粒子の熱運動速度が極めて小さく重粒子間の
相互作用が無視できるプラズマの超音速分子流を生成す
ることができ、さらにこのプラズマの超音速分子流から
イオンを引き出すので、引き出して得られるイオン流を
その温度が極めて低く、イオンの熱運動速度が極めて小
さいものとすることができる。この結果、低エネルギー
イオンビームの発生及び集束イオンビームなどの超高輝
度イオンビームへの適用が可能となる。
In this invention, plasma generated in a discharge chamber is introduced into a first vacuum chamber through a nozzle and expanded at supersonic speed, and a supersonic molecular flow of the plasma is extracted from a supersonic free jet obtained by the expansion. Since the ion flow is extracted from the supersonic molecular flow of this plasma, it is possible to generate a plasma whose temperature is sufficiently low due to supersonic expansion. It is possible to generate a plasma supersonic molecular flow in which the thermal kinetic velocity of The temperature can be extremely low and the thermal velocity of the ions can be extremely low. As a result, it becomes possible to generate low-energy ion beams and apply to ultra-high-intensity ion beams such as focused ion beams.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の一害施例を図について説明する。 Hereinafter, an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図はこの発明の一実施例によるイオン源の構成を示
す要部断面図である。図において、1は放電室、2はこ
の放電室1に設置された陰極、3は上記放電室1に設置
された陽極、5は上記放電室1の陰極2と陽極3の間に
設置された中間電極、6はこの中間電極5が有する中間
電極孔、22は上記放電室1に隣接して配置された第1
の真空室、23はこの第1の真空室22に隣接して配置
された第2の真空室、24はこの第2の真空室23に隣
接して配置された第3の真空室である。また26は上記
陽極3に設置されたノズル、27は上記第1の真空室2
2と上記第2の真空室23を仕切る第1の隔壁、28は
この第1の隔壁27に設置されたスキマー、29は上記
第2の真空室23と上記第3の真空室24を仕切る第2
の隔壁、30はこの第2の隔壁29に設置されたコリメ
ーターである。
FIG. 1 is a sectional view of essential parts showing the configuration of an ion source according to an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a discharge chamber, 2 is a cathode installed in this discharge chamber 1, 3 is an anode installed in the discharge chamber 1, and 5 is installed between the cathode 2 and the anode 3 in the discharge chamber 1. An intermediate electrode, 6 is an intermediate electrode hole that this intermediate electrode 5 has, and 22 is a first electrode located adjacent to the discharge chamber 1.
23 is a second vacuum chamber disposed adjacent to the first vacuum chamber 22, and 24 is a third vacuum chamber disposed adjacent to the second vacuum chamber 23. Further, 26 is a nozzle installed on the anode 3, and 27 is the first vacuum chamber 2.
2 and a first partition wall that partitions the second vacuum chamber 23, 28 a skimmer installed on the first partition wall 27, and 29 a skimmer that partitions the second vacuum chamber 23 and the third vacuum chamber 24. 2
The partition wall 30 is a collimator installed on this second partition wall 29.

また31は上記第1の真空室22の排気のための第1の
真空引口、32は上記第2の真空室23の排気のための
第2の真空引口、33は上記第3の真空室24の排気の
ための第3の真空引口、11は上記放電室1の陰極2と
中間電極5との間にキャリア気体Aを導入するためのキ
ャリア気体導入口、12は上記放電室1の中間電極5と
陽極3との間に試料気体Bを導入するための試料気体導
入口であり、ここでDは上記放電室1で生成されたプラ
ズマが上記ノズル26を通して上記第1の真空室22内
に超音速膨張することによって形成されたプラズマの超
音速自由噴流、Eはこのプラズマの超音速自由噴流りか
ら上記スキマー28を通して上記第2の真空室23内に
抽出されたプラズマの超音速分子流である。
Further, 31 is a first vacuum port for evacuation of the first vacuum chamber 22, 32 is a second vacuum port for evacuation of the second vacuum chamber 23, and 33 is the third vacuum port. 11 is a third vacuum inlet for exhausting the chamber 24; 11 is a carrier gas inlet for introducing carrier gas A between the cathode 2 and intermediate electrode 5 of the discharge chamber 1; 12 is the discharge chamber 1; D is a sample gas introduction port for introducing sample gas B between the intermediate electrode 5 and the anode 3, where the plasma generated in the discharge chamber 1 passes through the nozzle 26 and enters the first vacuum chamber. E is the supersonic free jet of plasma formed by supersonic expansion into the second vacuum chamber 23, and E is the supersonic velocity of the plasma extracted from this supersonic free jet of plasma through the skimmer 28 into the second vacuum chamber 23. It is a molecular flow.

7は上記コリメーター30に近接して上記第3の真空室
24に設置された引き出し電極、8はこの引き出し電極
7が有する引き出し電極孔、Fは、上記プラズマの超音
速分子流Eのうち上記コリメーター30を通過して上記
第3の真空室24内に導入するプラズマの超音速分子流
から、上記引き出し電極7の引き出し電極孔8を通して
上記第3の真空室24内に引き出されたイオン流である
7 is an extraction electrode installed in the third vacuum chamber 24 in close proximity to the collimator 30, 8 is an extraction electrode hole that this extraction electrode 7 has, and F is the above-mentioned supersonic molecular flow E of the plasma. An ion flow extracted into the third vacuum chamber 24 through the extraction electrode hole 8 of the extraction electrode 7 from the supersonic molecular flow of plasma introduced into the third vacuum chamber 24 through the collimator 30 It is.

なお、上記中間電極孔6、上記ノズル26、上記スキマ
ー28、上記コリメーター30.及び上記引き出し電極
孔8は一直線上に配置され、上記第1の真空室22内の
プラズマの超音速自由噴流D、上記第2の真空室23内
のプラズマの超音速分子流E、及び上記第3の真空室2
4内に引き出されたイオン流Fの中心軸と同一軸上にあ
る。
Note that the intermediate electrode hole 6, the nozzle 26, the skimmer 28, the collimator 30. and the extraction electrode holes 8 are arranged in a straight line, and the supersonic free jet D of the plasma in the first vacuum chamber 22, the supersonic molecular flow E of the plasma in the second vacuum chamber 23, and the 3 vacuum chamber 2
It is on the same axis as the central axis of the ion flow F extracted into the ion stream F.

次に動作について説明する。Next, the operation will be explained.

まず、第1の真空引口31、第2の真空引口32、第3
の真空引口33から、それぞれ第1の真空室22、第2
の真空室23、第3の真空室24゜の排気を行い、放電
室1と第1の真空室22、第2の真空室23および第3
の真空室24とを所定の真空度にする。
First, the first vacuum port 31, the second vacuum port 32, and the third
from the vacuum outlet 33 of the first vacuum chamber 22 and the second vacuum chamber 22, respectively.
The discharge chamber 1, the first vacuum chamber 22, the second vacuum chamber 23 and the third vacuum chamber 24 are evacuated.
The vacuum chamber 24 is brought to a predetermined degree of vacuum.

次いで、第1の真空引口31、第2の真空引口32、第
3の真空引口33からの排気を行いつつ放電室1にキャ
リア気体導入口11がらキャリア気体Aを導入し、陰極
2と中間電極5との間に直流電圧を印加する。すると、
キャリア気体Aは陰極2と中間電極5との間に生じるグ
ロー放電あるいはアーク放電により電離しプラズマが生
成される。上記キャリア気体Aとしては例えばアルゴン
ガスが用いられ、放電室l内の気体圧は103〜10’
Torr程度、温度は10″〜104度程度に設定され
ている。
Next, carrier gas A is introduced into the discharge chamber 1 through the carrier gas inlet 11 while exhausting from the first vacuum outlet 31, second vacuum outlet 32, and third vacuum outlet 33, and the cathode 2 A DC voltage is applied between the intermediate electrode 5 and the intermediate electrode 5. Then,
The carrier gas A is ionized by glow discharge or arc discharge generated between the cathode 2 and the intermediate electrode 5, and plasma is generated. For example, argon gas is used as the carrier gas A, and the gas pressure in the discharge chamber I is 103 to 10'.
The temperature is set at about Torr and about 10'' to 104 degrees.

そして生成されたキャリア気体Aのプラズマは中間電極
孔6を通過して中間電極5と陽極3との間に流入する。
Then, the generated plasma of carrier gas A passes through the intermediate electrode hole 6 and flows between the intermediate electrode 5 and the anode 3.

ここで、試料気体Bを試料気体導入口12から放電室1
内に導入すると、試料気体Bはキャリア気体Aのプラズ
マとの相互作用により電離する。該試料気体Bには例え
ばガリウム蒸気等を用いる。
Here, the sample gas B is introduced into the discharge chamber 1 from the sample gas inlet 12.
When introduced into the sample gas B, the sample gas B is ionized by interaction with the plasma of the carrier gas A. For example, gallium vapor or the like is used as the sample gas B.

このようにして放電室1において生成された試 −料気
体Bとキャリア気体Aのプラズマは、ノズル26を通過
して第1の真空室22内に流出して超音速膨張し、これ
により該プラズマの超音速自由噴流りを形成する。ここ
ではノズル26の開口径は例えば1mm程度、第1の真
空室22内の圧力は10−3〜10−”To r r程
度に設定されている。
The plasma of the sample gas B and carrier gas A thus generated in the discharge chamber 1 passes through the nozzle 26 and flows out into the first vacuum chamber 22, where it expands at supersonic speed. A supersonic free jet is formed. Here, the opening diameter of the nozzle 26 is set to, for example, about 1 mm, and the pressure within the first vacuum chamber 22 is set to about 10-3 to 10-'' Torr.

上記超音速自由噴流りは、第2図にその詳細を示すよう
に、静寂領域(Zone of 5ilence)と呼
ばれる超音速自由膨張流の領域と、この静寂領域を取り
囲む樽型衝撃波(Barrel 5hock)およびマ
ツハ円盤(Mach Disk)と呼ばれる衝撃波とに
よって特徴付けられる。なお、樽型衝撃波の周囲にはジ
ェット境界(Jet Boundary)が、またマツ
ノへ円盤の下流には反射衝撃波(Reflected 
5hock)が存在する。静寂領域内の超音速自由膨張
においては、流れの中心軸に沿って下流に移るに従い、
気体の超音速自由膨張、言いかえれば気体の断熱膨張に
より、プラズマの密度と温度、即ちプラズマを構成する
中性原子分子、イオン及び電子の密度と温度が減少する
。従って、プラズマの粒子間衝突頻度は減少し、電離度
は凍結するが、流速は増大する。そして、ノズル26か
ら該ノズル26の開口径の10倍程度以上下流において
、プラズマの気体温度、即ち中性原子分子やイオンなど
重粒子の温度は絶対温度で数度以下の極低温となり、重
粒子間の衝突頻度はほぼ無限小となる。但し、プラズマ
の電子温度は重粒子の温度はどには低下せず、103度
程度に止まる。
As shown in detail in Figure 2, the supersonic free jet has a region of supersonic free expanding flow called a zone of silence, a barrel-shaped shock wave surrounding this zone of silence, and a barrel-shaped shock wave surrounding this zone of silence. It is characterized by a shock wave called a Mach Disk. Note that there is a jet boundary around the barrel-shaped shock wave, and a reflected shock wave downstream of the disk toward Matsuno.
5hock) exists. In supersonic free expansion in a quiet region, as we move downstream along the central axis of the flow,
The supersonic free expansion of the gas, in other words, the adiabatic expansion of the gas, reduces the density and temperature of the plasma, that is, the density and temperature of the neutral atoms, molecules, ions, and electrons that make up the plasma. Therefore, the frequency of collisions between plasma particles decreases, the degree of ionization freezes, but the flow velocity increases. Then, downstream from the nozzle 26 by about 10 times or more the opening diameter of the nozzle 26, the gas temperature of the plasma, that is, the temperature of heavy particles such as neutral atoms and molecules and ions, becomes an extremely low temperature of several degrees or less in absolute terms. The collision frequency between them is almost infinitesimal. However, the electron temperature of the plasma does not decrease as much as the temperature of heavy particles, and remains at about 103 degrees.

このようにプラズマの超音速自由噴流りにおいて流れの
中心軸に沿って超音速自由膨張が十分に発達してプラズ
マの気体温度が十分に低下し、中性原子分子やイオンな
ど重粒子の熱運動速度が極めて小さく重粒子間の相互作
用が無視できる位置に、スキマー28を配置する。具体
的には第1の隔壁27にスキマー28を設置し、該スキ
マー28の開口部は、超音速自由噴流りの上流に擾乱を
与えない形状を有し、その間口径がノズル26の開口径
の2〜3倍程度以下のものとする。このようなスキマー
28により、第1の真空室22内に形成されたプラズマ
の超音速自由噴流りの静寂領域における中心軸付近の部
分が、第2の真空室23内に超音速分子流Eとして抽出
される。この第2の真空室23内の圧力は10−6〜1
0−5T o rr程度に保持されている。
In this way, in the supersonic free jet of plasma, supersonic free expansion develops sufficiently along the central axis of the flow, and the gas temperature of the plasma decreases sufficiently, allowing thermal movement of heavy particles such as neutral atoms and molecules and ions. The skimmer 28 is placed at a position where the velocity is extremely low and interactions between heavy particles can be ignored. Specifically, a skimmer 28 is installed on the first partition wall 27, and the opening of the skimmer 28 has a shape that does not cause disturbance to the upstream of the supersonic free jet, and the opening of the skimmer 28 has a diameter that is equal to the opening diameter of the nozzle 26. It should be about 2 to 3 times or less. With such a skimmer 28, a portion near the central axis in the quiet region of the supersonic free jet of plasma formed in the first vacuum chamber 22 is transferred into the second vacuum chamber 23 as a supersonic molecular flow E. Extracted. The pressure inside this second vacuum chamber 23 is 10-6 to 1
It is maintained at about 0-5T o rr.

ところで、プラズマの超音速自由噴流りの状態、例えば
、その静寂領域の大きさや流れの中心軸に沿ってのプラ
ズマの気体密度、温度、流速等の物理的諸量の変化は、
ノズル26の形状と開口径、放電室1内の気体圧力、及
び第1の真空室22内の圧力などの諸条件によって規定
される。従って、第1の真空室22内に形成されるプラ
ズマの超音速自由噴流りの静寂領域からスキマ28を通
して第2の真空室23内へのプラズマの超音速分子流E
の抽出を、色々な諸条件の変化に対応して最適に保つた
めには、ノズル26とスキマー28との間の距離を連続
的に可変とする機構を設けておくことが好ましい。
By the way, the state of the supersonic free jet of plasma, for example, the size of the quiet region and the changes in physical quantities such as the gas density, temperature, and flow velocity of the plasma along the central axis of the flow, are as follows:
It is defined by various conditions such as the shape and opening diameter of the nozzle 26, the gas pressure in the discharge chamber 1, and the pressure in the first vacuum chamber 22. Therefore, the supersonic molecular flow E of plasma from the quiet region of the supersonic free jet of plasma formed in the first vacuum chamber 22 to the second vacuum chamber 23 through the gap 28
In order to maintain optimal extraction in response to changes in various conditions, it is preferable to provide a mechanism that allows the distance between the nozzle 26 and the skimmer 28 to be continuously varied.

次に、第3図を用いてこのようなノズル26−スキマー
28間距離の連続可変機構の一例を説明する。図に示す
ようにこの機構では、放電室1は例えばベローズ35に
よって第1の真空室22に接続され、このベローズ35
を伸縮させて放電室1を図中の矢印αおよびβ方向に動
かすことにより、ノズル26−スキマー28間距離を連
続的に変えることができるようになっている。従って、
諸条件の変化に対応して状態の変化するプラズマの超音
速自由噴流りから、最適にプラズマの超音速分子流Eを
抽出することができる。
Next, an example of such a mechanism for continuously varying the distance between the nozzle 26 and the skimmer 28 will be explained using FIG. As shown in the figure, in this mechanism, the discharge chamber 1 is connected to the first vacuum chamber 22 by, for example, a bellows 35, and this bellows 35
The distance between the nozzle 26 and the skimmer 28 can be changed continuously by expanding and contracting the discharge chamber 1 and moving the discharge chamber 1 in the directions of arrows α and β in the figure. Therefore,
The supersonic molecular flow E of plasma can be optimally extracted from the supersonic free jet of plasma whose state changes in response to changes in various conditions.

さらに第2の真空室23内に抽出されたプラズマの超音
速分子流Eでは、プラズマの気体温度が絶対温度で数度
以下と極めて低く、即ち中性原子分子やイオンなど重粒
子の熱運動速度が極めて小さく重粒子間の相互作用が無
視でき、このような特性を有するプラズマの超音速分子
流Eは、第2の隔壁29に設置されたコリメーター30
を通過して第3の真空室24内に流入する。このコリメ
ーター30の開口径はスキマー28の開口径と同程度以
下であり、第3の真空室24内の圧力は1O−Il〜l
 O−’T o r r程度に保持される。第3の真空
室24内にはコリメーター30に近接して引き出し電極
7が設置され、コリメーター30と引き出し電極7との
間には直流電圧が印加されて電界が生じているので、こ
の電界により、プラズマのイオンは引き出し電極7の方
向に加速されて引き出し電極孔8からイオン流Fとして
引き出される。
Furthermore, in the supersonic molecular flow E of the plasma extracted into the second vacuum chamber 23, the gas temperature of the plasma is extremely low, at a few degrees or less in absolute terms, which means that the thermal velocity of heavy particles such as neutral atoms and molecules and ions is extremely low. The supersonic molecular flow E of the plasma, which has such characteristics that the interaction between heavy particles is extremely small and can be ignored, is produced by the collimator 30 installed on the second partition wall 29.
and flows into the third vacuum chamber 24. The opening diameter of this collimator 30 is about the same or smaller than the opening diameter of the skimmer 28, and the pressure inside the third vacuum chamber 24 is 1O-Il~l.
It is maintained at about O-'T o r r. An extraction electrode 7 is installed in the third vacuum chamber 24 in close proximity to the collimator 30, and a DC voltage is applied between the collimator 30 and the extraction electrode 7 to generate an electric field. As a result, the plasma ions are accelerated in the direction of the extraction electrode 7 and extracted from the extraction electrode hole 8 as an ion stream F.

このようにイオン流Fはプラズマの超音速分子流から引
き出されるので、引き出されたイオンの熱運動速度は極
めて小さく、イオン流Fの温度は極めて低い。なお、コ
リメーター30と引き出し電極7の間において、プラズ
マの電子は減速されてイオンとは逆方向に移動し、コリ
メーター30に補足される。また、プラズマ中の電離し
ていない中性原子分子はコリメーター30と引き出し電
極7の間の電界には応答せず、イオン流Fと共に中性気
体の超音速分子流として引き出し電極孔8を通過する。
Since the ion flow F is thus extracted from the supersonic molecular flow of the plasma, the thermal velocity of the extracted ions is extremely small, and the temperature of the ion flow F is extremely low. Note that between the collimator 30 and the extraction electrode 7, plasma electrons are decelerated and move in the opposite direction to the ions, and are captured by the collimator 30. In addition, non-ionized neutral atomic molecules in the plasma do not respond to the electric field between the collimator 30 and the extraction electrode 7, and pass through the extraction electrode hole 8 together with the ion flow F as a supersonic molecular flow of neutral gas. do.

ところが、この実施例のように、キャリア気体Aとして
アールボンガス、試料気体Bとしてガリウム蒸気を用い
た場合、引き出し電極孔8から引き出されたイオン流F
は、アルゴンイオンとガリウムイオンとを含み、更に上
述のように、中性気体原子分子、即ち中性アルゴン原子
およびガリウム原子の超音速分子流が混在している。従
って、イオン流Fから、目的とするガリウムイオンを分
離してガリウムイオンビームを取り出すためには、第3
の真空室24内において、引き出されたイオン流Fに対
して直角方向に磁界を印加する手段を設ける必要がある
However, when Rbon gas is used as the carrier gas A and gallium vapor is used as the sample gas B as in this embodiment, the ion flow F extracted from the extraction electrode hole 8
contains argon ions and gallium ions, and as mentioned above, there is also a supersonic molecular flow of neutral gas atomic molecules, ie, neutral argon atoms and gallium atoms. Therefore, in order to separate the desired gallium ions from the ion flow F and extract the gallium ion beam, the third
In the vacuum chamber 24, it is necessary to provide means for applying a magnetic field in a direction perpendicular to the extracted ion flow F.

このような磁界印加手段を設けた場合について第4図を
用いて説明する。
A case where such a magnetic field applying means is provided will be explained using FIG. 4.

ここでは図に示すように永久磁石あるいは電磁コイルを
用いた磁界印加手段37によってイオン流Fに対して直
角方向Tに直流磁界が印加されており、このためイオン
は磁界の磁力線の回りにサイクロトロン運動と呼ばれる
回転運動を行う。その際、質量の重いガリウムイオンの
回転半径、いわゆるラーマ−半径の方が軽いアルゴンイ
オンのラーマ−半径より大きく、イオン流Fからガリウ
ムイオン流Hとアルゴンイオン流Gが分離され、ガリウ
ムイオン流Hはスリット38を通して取り出される。な
お、ここで、中性気体原子分子、即ち中性アルゴン原子
とガリウム原子は、磁界印加手段37による磁界には応
答せず、中性気体の超音速分子流Iとして直進する。
Here, as shown in the figure, a DC magnetic field is applied in a direction T perpendicular to the ion flow F by a magnetic field applying means 37 using a permanent magnet or an electromagnetic coil, so that the ions undergo cyclotron movement around the lines of magnetic force of the magnetic field. performs a rotational movement called At this time, the radius of rotation of the heavier gallium ions, the so-called Larmor radius, is larger than the Larmor radius of the lighter argon ions, and the ion flow F is separated into the gallium ion flow H and the argon ion flow G, and the gallium ion flow H is taken out through the slit 38. Note that here, the neutral gas atomic molecules, that is, the neutral argon atoms and the gallium atoms do not respond to the magnetic field from the magnetic field applying means 37, and travel straight as a supersonic molecular flow I of the neutral gas.

このように本実施例では、放電室で生成されたプラズマ
を真空中で超音速膨張させるようにしたので、気体温度
が極めて低い、即ち中性原子分子やイオンなど重粒子の
熱運動速度が極めて小さく重粒子間の相互作用が無視で
きるプラズマ噴流を得ることができる。また該プラズマ
噴流から超音速分子流を生成し、さらにこのプラズマの
超音速分子流からイオンを引き出すようにしたので、引
き出して得られるイオン流はその温度が極めて低く、イ
オンの熱運動速度が極めて小さいものとなる。従って、
この気体イオン源は、低エネルギーイオンビームを発生
することができると共に、集束イオンビームなどの超高
輝度イオンビームに適用することができる。
In this example, the plasma generated in the discharge chamber was expanded at supersonic speed in a vacuum, so the gas temperature was extremely low, that is, the thermal velocity of heavy particles such as neutral atoms and molecules was extremely low. It is possible to obtain a small plasma jet with negligible interaction between heavy particles. Furthermore, since a supersonic molecular flow is generated from the plasma jet and ions are extracted from the supersonic molecular flow of the plasma, the temperature of the extracted ion flow is extremely low, and the thermal velocity of the ions is extremely low. It becomes small. Therefore,
This gas ion source can generate a low energy ion beam and can be applied to ultra-high brightness ion beams such as focused ion beams.

また第3図に示すようにノズル26−スキマー28間距
離の連続可変機構を設けたので、諸条件の変化に対応し
て状態の変化するプラズマの超音速自由噴流りから、最
適にプラズマの超音速分子流Eを抽出することができる
In addition, as shown in Fig. 3, a mechanism for continuously varying the distance between the nozzle 26 and the skimmer 28 is provided, so that the supersonic free jet of plasma whose state changes in response to changes in various conditions can be optimally adjusted. A sonic molecular flow E can be extracted.

さらに本実施例では、第3の真空室24内において、引
き出されたイオン流Fに対して直角方向に磁界を印加す
る手段を設けたので、イオン?PLFにアルゴンイオン
とガリウムイオンとが含まれ、更に、中性気体原子分子
、即ち中性アルゴン原子およびガリウム原子の超音速分
子流が混在している場合でも、該イオン流Fから、目的
とするガリウムイオンを分離してガリウムイオンビーム
を取り出すことができる。
Furthermore, in this embodiment, a means for applying a magnetic field in a direction perpendicular to the extracted ion flow F is provided in the third vacuum chamber 24, so that the ion flow F is provided with a means for applying a magnetic field in a direction perpendicular to the extracted ion flow F. Even if the PLF contains argon ions and gallium ions, and further contains a supersonic molecular flow of neutral gas atoms, that is, neutral argon atoms and gallium atoms, from the ion flow F, the target Gallium ions can be separated and a gallium ion beam can be extracted.

なお、上記実施例では、放電室1内のプラズマを直流グ
ロー放電あるいはアーク放電により生成する場合につい
て説明したが、放電室1内のプラズマをRFあるいはマ
イクロ波などを用いた高周波グロー放電あるいはアーク
放電、または電子ビーム、イオンビーム、中性粒子ビー
ム、レーザービームなどを用いたビーム照射電離放電に
より生成する構成としてもよい。
In the above embodiments, the plasma in the discharge chamber 1 is generated by direct current glow discharge or arc discharge. However, the plasma in the discharge chamber 1 can be generated by high frequency glow discharge or arc discharge using RF or microwaves. Alternatively, it may be generated by beam irradiation ionization discharge using an electron beam, ion beam, neutral particle beam, laser beam, or the like.

また、上記実施例では、キャリア気体Aとしてアルゴン
ガス、試料気体Bとしてガリウム蒸気を用いる場合につ
いて説明したが、試料気体Bとしてはこれに限るもので
はなく、目的のイオン種を得るために、その原子分子種
を含む様々な種類の蒸気やガスを選択することができ、
またキャリア気体Aとしては、アルゴンガス以外にヘリ
ウム、ネオン、窒素ガスなどを用いてもよい。
Furthermore, in the above embodiment, argon gas is used as the carrier gas A, and gallium vapor is used as the sample gas B, but the sample gas B is not limited to this. Various types of vapors and gases including atomic and molecular species can be selected,
Further, as the carrier gas A, helium, neon, nitrogen gas, etc. may be used in addition to argon gas.

また、上記実施例では、ノズル26の開口径が1mm程
度の場合について説明したが、第1の真空引口31から
の排気速度を増強してノズル26の開口径を1mm程度
より大きくし、更に第2の真空引口32からの排気速度
を増強してスキマー28の開口径をノズル26の開口径
に対応して大きくしてもよい。その場合、スキマー28
を通して抽出されるプラズマの超音速分子流Eの流束は
増大し、さらに第3の真空引口33からの排気速度を増
強してコリメーター30の間口径と引き出し電極7の引
き出し電極孔8の径を大きくすることにより、引き出し
て得られるイオン流Fの流束は増大する。
Further, in the above embodiment, the case where the opening diameter of the nozzle 26 is about 1 mm has been explained, but the exhaust speed from the first vacuum suction port 31 is increased to make the opening diameter of the nozzle 26 larger than about 1 mm. The opening diameter of the skimmer 28 may be increased in accordance with the opening diameter of the nozzle 26 by increasing the exhaust speed from the second vacuum suction port 32. In that case, skimmer 28
The flux of the supersonic molecular flow E of the plasma extracted through is increased, and the evacuation speed from the third vacuum outlet 33 is further increased to increase the diameter of the collimator 30 and the extraction electrode hole 8 of the extraction electrode 7. By increasing the diameter, the flux of the extracted ion flow F increases.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上のように、この発明によれば、生成気体の噴出ノズ
ルを有し、原料気体の原子分子を電離して電離気体を生
成するための放電室を設けるとともに、該電離気体を上
記噴出ノズルを介して内部に導入し、これを超音速膨張
させて超音速自由噴流を形成するための第1の真空室、
及び該電離気体の超音速自由噴流から超音速分子流を抽
出するスキマーを有し、該超音速分子流を導入するため
の第2の真空室を設け、該分子流からからイオン流を分
離して引き出すようにしたので、低エネルギーイオンビ
ームを発生することができるとともに、集束イオンビー
ムなどの超高輝度イオンビームに適用することができる
極低温の気体イオン源を得ることができる。
As described above, according to the present invention, a discharge chamber is provided which has a generated gas jetting nozzle and is used to generate ionized gas by ionizing the atoms and molecules of the raw material gas, and the ionized gas is discharged through the jetting nozzle. a first vacuum chamber for supersonic expansion to form a supersonic free jet;
and a skimmer for extracting a supersonic molecular stream from the supersonic free jet of the ionized gas, a second vacuum chamber for introducing the supersonic molecular stream, and separating an ion stream from the molecular stream. Since the ion beam is extracted at a low temperature, a low-energy ion beam can be generated, and an extremely low temperature gas ion source can be obtained which can be applied to ultra-high-intensity ion beams such as focused ion beams.

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

第1図はこの発明の一実施例によるイオン源の構成を示
す要部断面図、第2図は該イオン源で発生する超音速型
自由噴流の詳細を説明するための断面図、第3図は上記
イオン源におけるノズルとスキマーとの間の距離を連続
的に可変にする構成の一例を示す断面図、第4図は上記
イオン源においてイオン引き出し部分に磁界を印加する
手段を設けた場合を説明するための部分断面図、第5図
は従来のイオン源を示す概略断面図である。 図において、1は放電室、7は引き出し電極、22は第
1の真空室、23は第2の真空室、26はノズル、28
はスキマー、35はノズル−スキマー間距離の連続可変
機構、37は磁界印加手段、Aはキャリア気体、Bは試
料気体、Dは電離気体の超音速自由噴流、Eは電離気体
の超音速分子流、Fはイオン流である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。
FIG. 1 is a sectional view of essential parts showing the configuration of an ion source according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view illustrating details of a supersonic free jet generated in the ion source, and FIG. 3 4 is a sectional view showing an example of a configuration in which the distance between the nozzle and the skimmer in the ion source is continuously variable, and FIG. 4 shows a case in which the ion source is provided with means for applying a magnetic field to the ion extraction portion FIG. 5 is a partial cross-sectional view for explanation, and is a schematic cross-sectional view showing a conventional ion source. In the figure, 1 is a discharge chamber, 7 is an extraction electrode, 22 is a first vacuum chamber, 23 is a second vacuum chamber, 26 is a nozzle, and 28
is a skimmer, 35 is a continuously variable nozzle-skimmer distance mechanism, 37 is a magnetic field applying means, A is a carrier gas, B is a sample gas, D is a supersonic free jet of ionized gas, and E is a supersonic molecular flow of ionized gas. , F is the ion current. Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or equivalent parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)原料気体を導入して該気体のイオン流を発生する
ためのイオン源において、 生成気体の噴出ノズルを有し、上記原料気体の原子分子
を電離して電離気体を生成するための放電室と、 該電離気体を上記噴出ノズルを介して内部に導入し、こ
れを超音速膨張させて超音速自由噴流を形成するための
第1の真空室と、 該電離気体の超音速自由噴流から超音速分子流を抽出す
るスキマーを有し、該超音速分子流を導入するための第
2の真空室とを備え、 該分子流からイオン流を分離して引き出すようにしたこ
とを特徴とするイオン源。
(1) An ion source for introducing a raw material gas to generate an ion flow of the gas, which has a generated gas jet nozzle, and a discharge for generating ionized gas by ionizing atoms and molecules of the raw material gas. a first vacuum chamber for introducing the ionized gas into the interior through the jet nozzle and expanding it at supersonic speed to form a supersonic free jet; and a first vacuum chamber for forming a supersonic free jet of the ionized gas; It has a skimmer for extracting a supersonic molecular flow, a second vacuum chamber for introducing the supersonic molecular flow, and is configured to separate and extract an ion flow from the molecular flow. ion source.
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