JPH0760654B2 - イオンビ−ム発生方法および装置 - Google Patents

イオンビ−ム発生方法および装置

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JPH0760654B2
JPH0760654B2 JP60183945A JP18394585A JPH0760654B2 JP H0760654 B2 JPH0760654 B2 JP H0760654B2 JP 60183945 A JP60183945 A JP 60183945A JP 18394585 A JP18394585 A JP 18394585A JP H0760654 B2 JPH0760654 B2 JP H0760654B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、イオン化室内のガス分子を励起し、生成した
イオンをイオンビームとして引き出すイオンビーム発生
方法および装置に関するものである。
〔従来の技術〕
従来のイオンビーム発生装置、いわゆるイオン源として
は、イオン化室内のガス分子を直流グロー放電もしくは
高周波放電により励起するもの、あるいは電子ビームに
より励起するものがある。これらの詳細については、文
献(1)〔R.G.Wilson and G.R.Brewer編集、Ion Beams
(with applications to ion implantation),John Wil
ey & Sons Inc.1973〕に紹介がなされている。第8
図、第9図にその代表的な例を示す。
第8図の例は直流グロー放電形式で、アノード電極2と
カソード電極3との間に直流電圧が印加され、上方から
イオン化室1に導入されたガスはグロー放電によってイ
オン化される。生成したイオンは引き出し電極4に印加
される電圧により、イオンビームとして引き出される。
第9図の例は高周波放電形式で、コイル5によりイオン
化室1に高周波電界が印加され、上方から導入されたガ
スは高周波放電によりイオン化される。生成したイオン
は引き出し電極4に印加される電圧により、イオンビー
ムとして引き出される。この例では、磁石6を併用して
イオン生成効率の改善を図っている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
第8図、第9図は従来技術の典型的な例であるが、これ
らの例では、放電領域、すなわちガスがイオン化される
励起領域を所定の空間に限定することが困難であるた
め、生成したイオンと電子の衝突により器壁や電極から
ガス中に不純物が混入し、イオンビームの純度を低下さ
せるという欠点があった。また、これらの例では、プラ
ズマ中のイオンの運動エネルギーが広い範囲に分布し、
これをイオンビームとして利用するのに適した所望の一
定の値の運動エネルギーを有するものとするように制御
することが困難であった。
従来技術の他の例として、電子ビームにより励起する方
式のものがあるが、この方式でも、電子ビームの形状に
影響を与えないで励起領域に電圧を印加すること、すな
わち生成したイオンの運動エネルギーを所望のように制
御することが困難であった。
さらに、これら従来技術においては、生成するイオン種
の種類およびその励起準位、すなわち内部エネルギーも
広い範囲に分布しており、イオンビームとして利用する
に適した特定の種類のイオン種あるいは特定の励起状態
のイオン種を集中して生成することが困難であった。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決した新しいイオ
ンビーム発生方法および装置を提供することを目的とす
る。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明のイオンビーム発生方法は、ガスを満たしたイオ
ン化室に、扁平な形状に集光された軟X線または真空紫
外光ビーム(好ましくは波長10Å〜2000Å)を照射し
て、イオン化室内の限定された領域のガスをイオン化
し、生成したイオンをイオンビームとして引き出すこと
を特徴としている。
また本発明のイオンビーム発生装置は、イオン化室と、
該イオン化室にガスを導入する手段と、前記イオン化室
に軟X線または真空紫外光ビーム(好ましくは波長10Å
〜2000Å)を照射する手段と、該軟X線または真空紫外
光ビームを扁平な形状とするための集光手段と、前記軟
X線または真空紫外光ビームの照射によりガスがイオン
化される励起領域から生成したイオンをイオンビームと
して引き出すための電界を形成する手段とを有し、前記
軟X線または真空紫外光ビーム照射手段は電子シンクロ
トロン放射装置を軟X線または真空紫外光発生源として
用いた構成を有することを特徴としている。
〔作用〕
本発明のイオンビーム発生方法では、軟X線または真空
紫外光ビームの照射によりイオン化室内の限定された領
域でのみガス分子の励起を行なっているので、器壁や電
極に接触させないでプラズマを形成することができ、こ
れによってイオンビーム中への不純物の混入が避けられ
る。また、励起領域が限定されているため、生成したイ
オンの運動エネルギーの制御が容易にできるようにな
り、さらに特定波長の軟X線または真空紫外光ビームを
用いることによって、特定の種類のイオン種あるいは特
定の励起状態のイオン種を選択的に生成することがで
き、イオンの内部エネルギーの制御も容易にできる。こ
れは、引き出されるイオンビームの特性を所望のように
変えることを可能にする。
本発明のイオンビーム発生装置は、電子シンクロトロン
放射装置から発生する指向性の良い高強度の軟X線また
は真空紫外光ビームをイオン化室に照射することによ
り、限定された領域のガス分子の励起を効率良く行な
い、生成したイオンを電界の作用によりイオンビームと
して引き出すことができる。また、軟X線または真空紫
外光発生源である電子シンクロトロン放射装置に波長選
択手段を併用すれば、前記特定波長の軟X線または真空
紫外光ビームを容易に得ることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を第1図〜第7図により説明す
る。
第1図は本発明の一実施例図で、基本的な装置構成を示
す。
第1図において、7は軟X線または真空紫外光発生源で
ある電子シンクロトロン放射装置を模式的に示したもの
である。電子シンクロトロン放射装置については文献
(2)〔C.Kunz編集、Synchrotron radiation(Techniq
ues and Applications),Springer-Verlag,1979〕に紹
介されている。
8は真空パイプからなるビーム伝搬路、9はイオン化
室、10はガス導入ノズル、11、12は対向電極、13は引き
出し電極、14、15は直流バイアス電源、16はイオン化室
9に入射した軟X線または真空紫外光ビームLによりガ
スがイオン化される励起領域を示している。
次に、第1図にもとづいて本発明装置の動作原理、特徴
および主要な効果を述べる。
第2図は電子シンクロトロン放射装置の放射光の波長分
布(上図)と、該放射光に対するメタン(CH4)、シラ
ン(SiH4)ガスの吸収断面積のスペクトル(下図)を示
す。他の多くのガス分子もこの図と概略同様な吸収スペ
クトルを示し、ガス分子はこの光吸収に伴ってイオン化
する。すなわちこの図は、電子シンクロトロン放射装置
の放射光がガス分子を効率良くイオン化する、吸収率の
高い波長分布を持った光であることを示している。
この吸収率の高い波長成分はほぼ10Å〜2000Åの範囲に
分布している。
また、電子シンクロトロン放射装置の放射光の強度分布
は、前記文献(2)中のシュビンガーの式で与えられ、
この式に従えば、第3図に示されるように、電子シンク
ロトロン放射装置から放射される軟X線または真空紫外
光ビームLの上下方向の広がりは (vは電子の速度、cは光の速度)で表される。
これから、指向性の良い軟X線または真空紫外光ビーム
を発生することがわかる。
したがって、第1図において、ガス導入ノズル10からイ
オン化室9の対向電極11、12間にガスを満たし、これに
電子シンクロトロン放射装置7からの軟X線または真空
紫外光ビームLを照射すれば、対向電極11、12間でガス
がイオン化し、対向電極11、12に、例えば電極11がアノ
ード、電極12がカソードとなるように所定の電圧(放電
を起こさない程度の電圧)を印加するとともに、引き出
し電極13をカソード側電極12に対してさらに負の電位に
保つことにより、生成したイオンのうち正イオンが電界
の作用を受けイオンビームとして外部に引き出されるこ
とは明らかである。
ここで、イオン化室9内には指向性の良い軟X線または
真空紫外光ビームが照射されるため、この軟X線または
真空紫外光ビームの照射によりガスがイオン化する励起
領域、すなわちプラズマが形成される領域16はイオン化
室9内の空間の一部に限定され、該励起領域16の周囲に
空間には未だ励起されていないガスが存在する。
したがって、生成したイオンと電子の衝突により器壁や
電極から不純物がガス中に混入して引き出されるイオン
ビームの純度を低下させることが避けられる。
すなわち、第1図の実施例装置は本発明のイオンビーム
発生方法を実施するための装置として用いることができ
る。
第4図は本発明の他の実施例装置を示す。
本実施例は、電子シンクロトロン放射装置7の放射光を
ビーム伝搬路8の途中に設けたシリンドリカルミラー17
により対向電極11、12の電極面と平行な扁平な形状に集
光してイオン化室9に入射させる構成としたもので、イ
オン化室内部における扁平な軟X線または真空紫外光ビ
ームLと対向電極11、12との相対的位置関係を第5図に
示す。
前述のように電子シンクロトロン放射装置7からの放射
光は指向性が良いので、これをシリンドリカルミラーま
たはトロイダルミラー、双曲線ミラーなどで集光し、あ
るいはスリットで絞ることにより、厚さ1mm程度の扁平
なビームを容易に得ることができる。このような扁平な
ビームを用いることは、イオン化室内部での励起領域16
を限定する本発明の趣旨に沿うばかりでなく、励起領域
全体が電極面からほぼ等距離にあることから、励起によ
り生成したイオンが電界の作用を均等に受けるので、電
界の強度を変えることにより、イオンビームを形成する
イオンの運動エネルギーを高い精度で制御することが可
能となり、イオンビームとして利用するために最も望ま
しい大きさの運動エネルギーをすべてのイオンに与える
ことができる。
第6図は、特定の波長成分の軟X線または真空紫外光ビ
ームを照射するための波長選択手段を付加した本発明の
他の実施例装置を示す。
本実施例では、波長選択手段の一例としてビーム伝搬路
8の途中に回折格子からなる分光器18を設置し、電子シ
ンクロトロン放射装置7の放射光のうち特定の波長成分
のみを分光器18により選択し、これを前記シリンドリカ
ルミラー17により扁平な形状に集光してイオン化室9に
入射させる構成としてある。
ガス分子がイオン化する場合、イオン化に関与する軟X
線または真空紫外光のエネルギー、すなわち波長に対
し、生成するイオンの種類(SiH4を例にとれば、Si+、S
iH+、SiH2 +、SiH4 +、Si2+などの種類がある)およびそ
の励起準位が一定の関係にあることが知られている。し
たがって、第6図の実施例装置を用いてイオン化室9へ
照射する軟X線または真空紫外光ビームの波長を選択す
ることにより、特定の種類のイオン種あるいは特定の励
起準位のイオン種を選択的に生成することが可能とな
る。
第7図も同様の波長選択手段を有する本発明の他の実施
例装置を示すが、本実施例では、分光器18より後方のビ
ーム伝搬路8の途中にレンズ(例えばフレネルゾーンプ
レート)19を設置することにより、軟X線または真空紫
外光ビームを微小(直径10μm〜0.1μm)なスポット
に集光してイオン化室9に入射させるようにしている。
このようなイオンビーム発生装置は、イオンが生成され
る励起領域20を極微小なものに限定することができるの
で、微細パターン形成用イオンビーム装置のイオン源と
して適している。従来のイオンビーム装置用微小イオン
源としては液体金属を用いたものがあるが、数種の限ら
れた原子のイオンを生成するものしか存在しないのに対
し、本実施例装置は、導入するガスの種類を変えるだけ
で、きわめて広い範囲の各種の原子あるいは分子のイオ
ンビームを形成することができるという長所を有する。
なお、電子シンクロトロン放射装置にアンジュレータ
〔電子軌道を蛇行させる装置で文献(2)に紹介されて
いる〕を取付けると、第2図に示された放射光の波長分
布が特定の波長λの付近に集中し、強度も2桁近く増
大し、さらに磁場の強さを変えることにより、波長λ
を広範囲に変えることができる。したがって、第1図あ
るいは第4図の実施例装置において、アンジュレータを
取付けた電子シンクロトロン放射装置を軟X線または真
空紫外光発生源として用いることにより、分光装置を用
いることなく、波長選択性のある高強度の軟X線または
真空紫外光ビームを得ることができる。
〔発明の効果〕
以上のように本発明のイオンビーム発生方法は、軟X線
または真空紫外光ビームの照射によりイオン化室内の限
定された領域のガス分子を励起し、生成したイオンをイ
オンビームとして引き出すため、器壁や電極からの不純
物の混入により汚染されることのない高純度のイオンビ
ームを形成することができる。
また、本発明のイオンビーム発生装置によれば、電子シ
ンクロトロン放射装置から発生する指向性の良い高強度
の軟X線または真空紫外光ビームを利用して、限定され
た領域のガス分子の励起およびイオンビームの引き出し
を効率良く実現することができる。
上記以外の各実施態様の特有の効果については実施例の
項に記載した通りである。
本発明のイオンビーム発生方法および装置は、LSIプロ
セスにおけるドライエッチングや微細パターン形成用イ
オンビーム装置などへの応用に適している。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本的な装置構成を示す概略図、第2
図は電子シンクロトロン放射光の波長分布およびガス分
子の吸収断面積のスペクトル分布を示す図、第3図は電
子シンクロトロン放射光の放射角度分布を示す図、第4
図は集光手段を付加した本発明の装置構成の他の例を示
す概略図、第5図はその対向電極と軟X線または真空紫
外光ビームの相対的位置関係を示す図、第6図、第7図
は集光手段と波長選択手段を併用した本発明の装置構成
の他の例を示す概略図、第8図は従来の直流グロー放電
形式のイオンビーム発生装置を示す概略図、第9図は従
来の高周波放電形式のイオンビーム発生装置を示す概略
図である。 7、8、17、18、19……軟X線または真空紫外光ビーム
照射手段(7……電子シンクロトロン放射装置、8……
ビーム伝搬路、17……集光用シリンドリカルミラー、18
……波長選択用分光器、19……集光用レンズ) 9……イオン化室 10……ガス導入手段であるノズル 11、12、13、14、15……電界形成手段(11、12……対向
電極、13……引き出し電極、14、15……電流バイアス電
源) 16、20……励起領域 L……軟X線または真空紫外光ビーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北山 豊樹 神奈川県厚木市森の里若宮3番1号 日本 電信電話株式会社厚木電気通信研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−27039(JP,A)

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流電場が形成されたイオン化室内にガス
    を導入し、軟X線または真空紫外光ビームを照射して、
    前記イオン化室内の限定された領域のガスをイオン化
    し、生成したイオンを前記直流電場によりイオン引き出
    し電極系に輸送し、該イオン引き出し電極系により所望
    のエネルギーのイオンビームとして引き出すことを特徴
    とするイオンビーム発生方法。
  2. 【請求項2】前記軟X線または真空紫外光ビームは、特
    定の波長成分からなり、この特定の波長成分によって前
    記ガスを特定の種類のイオン種にイオン化することを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載のイオンビーム発生
    方法。
  3. 【請求項3】前記軟X線または真空紫外光ビームは、扁
    平な形状を有し、かつ、上記直流電場の等電位面に平行
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項
    のいずれかに記載のイオンビーム発生方法。
  4. 【請求項4】前記軟X線または真空紫外光ビームは、微
    小なスポットに集光して照射されることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項、第2項のいずれかに記載のイオン
    ビーム発生方法。
  5. 【請求項5】イオンを引き出すための開口を有するイオ
    ン化室と、該イオン化室にガスを導入する手段と、前記
    イオン化室に軟X線または真空紫外光ビームを照射する
    手段と、該軟X線または真空紫外光ビームの照射により
    ガスがイオン化される励起領域から生成したイオンを前
    記開口まで輸送するための直流電場を前記イオン化室内
    に形成する手段と、前記開口まで輸送されたイオンを所
    望のエネルギーのイオンビームとして引き出すための電
    界を形成する手段とを有し、前記軟X線または真空紫外
    光ビームの照射手段は電子シンクロトロン照射装置を軟
    X線または真空紫外光の発生源として用いた構成を有す
    ることを特徴とするイオンビーム発生装置。
  6. 【請求項6】前記軟X線または真空紫外光ビームの照射
    手段は、該軟X線または真空紫外光ビームを特定の波長
    成分とするための波長選択手段を有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第5項記載のイオンビーム発生装置。
  7. 【請求項7】前記X線または真空紫外光ビームの照射手
    段は、該軟X線または真空紫外光ビームを扁平な形状と
    するための集光手段を有することを特徴とする特許請求
    の範囲第5項、第6項のいずれかに記載のイオンビーム
    発生装置。
  8. 【請求項8】前記軟X線または真空紫外光ビームの照射
    手段は、該軟X線または真空紫外光ビームを微小なスポ
    ットに集光するための集光手段を有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第5項、第6項のいずれかに記載のイ
    オンビーム発生装置。
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