JPH0794474A - High speed particle beam processing device - Google Patents

High speed particle beam processing device

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JPH0794474A
JPH0794474A JP19815993A JP19815993A JPH0794474A JP H0794474 A JPH0794474 A JP H0794474A JP 19815993 A JP19815993 A JP 19815993A JP 19815993 A JP19815993 A JP 19815993A JP H0794474 A JPH0794474 A JP H0794474A
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JP
Japan
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plasma
particle beam
ion
ions
electron
Prior art date
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Pending
Application number
JP19815993A
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Japanese (ja)
Inventor
Katanobu Yokogawa
賢悦 横川
Tatsumi Mizutani
巽 水谷
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0794474A publication Critical patent/JPH0794474A/en
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Abstract

PURPOSE:To ease a restriction on space charge generated in an ion acceleration region for obtaining a highly dense particle beam by establishing an electron source and an electron acceleration means in the latter part of an ion extracting means. CONSTITUTION:A microwave and a magnetic field are supplied to a quartz discharge tube 1 and supplied gas is turned into plasma. Further, a 2-sheet set electron accelerating group 4 and an ion accelerating electrode group 5 are set up inside the quartz discharge tube 1 for being separated into electron outgoing plasma 6 and ion outgoing plasma 7 by these electrode groups. Then, the potential of an electrode on the side coming in contact with electron outgoing plasma 6 of the electron accelerating electrode group 4 is made potential V3 lower than potential V1 of an electrode coming in contact with ion outgoing plasma 7. Thereby, electrons can be taken out from electron outgoing plasma 6 for distributing electrons to an ion accelerating region of the ion acceleraing electrode group 5. In this way, space charge due to ions inside the ion- accelerating region can be relaxed.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置材料のエッチ
ング等の表面処理を行なう高速粒子線加工装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high speed particle beam processing apparatus for performing surface treatment such as etching of semiconductor device materials.

【0002】エッチング技術とは半導体装置材料の表面
に加速したイオンまたは中性粒子を照射することで、物
理的あるいは化学的な表面反応を誘起し任意な形状に該
材料表面を加工する技術である。該技術により、超高集
積回路の配線等を形成する微細加工を行なっている。
The etching technique is a technique for irradiating the surface of a semiconductor device material with accelerated ions or neutral particles to induce a physical or chemical surface reaction to process the material surface into an arbitrary shape. . With this technique, fine processing is performed to form the wiring of an ultra-high integrated circuit.

【0003】[0003]

【従来の技術】従来装置では被加工試料への入射イオン
の加速手段として主に2種類の方法がある。1つはプラ
ズマ中に設置した被加工試料に高周波電界を印加し、該
被加工試料の電位をプラズマに対して低くすることで該
被加工試料へプラズマ中のイオンを加速し入射させる方
法である。もう1つはプラズマに接する様に複数の微小
孔を有する平板状電極群を配置し、該電極群で加速さ
れ、微小孔から放出されたイオンを被加工試料へ入射す
る方法である。
2. Description of the Related Art In a conventional apparatus, there are mainly two types of methods as means for accelerating incident ions on a sample to be processed. One is a method in which a high-frequency electric field is applied to a sample to be processed placed in plasma, and the potential of the sample to be processed is made lower than that of the plasma to accelerate and inject ions in the plasma to the sample to be processed. . The other is a method in which a flat plate-shaped electrode group having a plurality of minute holes is arranged so as to be in contact with plasma, and ions emitted from the minute holes accelerated by the electrode group are incident on a sample to be processed.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来装置ではイオンを
被加工試料へ向け加速する際、加速領域(イオンシー
ス、または引き出し電極間)内におけるイオン放出面付
近の電位がイオンによる空間電荷により弱められ、十分
な量のイオン線を引き出す事ができないという問題があ
った。特にエッチングのように比較的イオンを引き出す
エネルギー(引き出す電圧に相当する)が低い場合には
この効果が顕著である。
In the conventional apparatus, when the ions are accelerated toward the sample to be processed, the potential near the ion emission surface in the acceleration region (between the ion sheath or the extraction electrode) is weakened by the space charge due to the ions. There was a problem that a sufficient amount of ion beam could not be extracted. This effect is particularly remarkable when the energy for extracting ions (corresponding to the extraction voltage) is relatively low as in etching.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明では上記した問題
を解決するためイオン引き出し手段の後段に電子源およ
び電子加速手段を設置した。
In the present invention, in order to solve the above problems, an electron source and an electron accelerating means are installed after the ion extracting means.

【0006】[0006]

【作用】上記(課題を解決するための手段)により、イ
オン加速領域およびイオン飛行領域のイオンによる空間
電荷を該電子源から加速し引き出された電子により中和
し、引き出すイオンの高密度化およびイオン線発散の低
減を実現した。該作用により、被加工試料の表面処理速
度の増大および加工精度の向上がはかれる。
By the above (means for solving the problem), the space charge due to the ions in the ion acceleration region and the ion flight region is accelerated from the electron source, neutralized by the extracted electrons, and the density of the extracted ions is increased. Realized reduction of ion beam divergence. By this action, the surface processing speed of the sample to be processed can be increased and the processing accuracy can be improved.

【0007】[0007]

【実施例】図1は本発明の一実施例に係る装置の基本構
成を示す図である。図1の構成では石英放電管1にマイ
クロ波発生手段2によるマイクロ波と磁場発生手段3に
よる磁場を供給し、石英放電管1内に導入したガスをプ
ラズマ状態にしている。また石英放電管1内には2枚1
組みの複数の微小孔を有する電子加速用電極群4および
イオン加速用電極群5が設置されており、該電極群によ
り電子引き出し用プラズマ6とイオン引き出し用プラズ
マ7に分離されている。本実施例での該電極はグラファ
イトで形成さたものを用いた。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a diagram showing the basic structure of an apparatus according to an embodiment of the present invention. In the configuration shown in FIG. 1, the microwave generated by the microwave generation means 2 and the magnetic field generated by the magnetic field generation means 3 are supplied to the quartz discharge tube 1 to bring the gas introduced into the quartz discharge tube 1 into a plasma state. Also, in the quartz discharge tube 1, two pieces 1
An electron accelerating electrode group 4 and an ion accelerating electrode group 5 having a set of a plurality of micropores are provided, and the electrode group separates an electron extracting plasma 6 and an ion extracting plasma 7. The electrode used in this example was made of graphite.

【0008】次に動作を説明する。まずプラズマ7に接
するイオン引き出し用電極および電子引き出し用電極に
正電位V1を印加する。この正電位V1によりプラズマ7
の電位は規定され、V1よりプラズマポテンシャルVp
分高い(V1+Vp)となる。次にもう一方のイオン加
速用電極の電位をアース電位かまたはそれより低い電位
2にすることでプラズマ7中のイオンは該イオン引き
出し用電極間の電位差(V1+V2)で加速され、被加工
試料8に照射される。この状態は従来装置と同様であ
る。この時のイオン引き出し電極群5付近の電位分布お
よびイオンによる空間電荷を図2(a)に示す。図2
(a)に示すように引き出されたイオンがイオンの加速
領域に分布するため、イオンの加速領域に正の空間電荷
12が発生する。該正の空間電荷12はプラズマ中の低
エネルギー電子の空間電荷13により多少弱められる。
よって、電極間のイオンと電子総合の空間電荷14は図
2(a)に示すようになる。電極間では該イオンと電子
総合の空間電荷によりイオン加速領域の電位分布15は
該空間電荷が無い場合に比べ図2(a)に示すよう変化
する。その結果イオン放出面での電位が弱められ引き出
すイオン量が制限される。この現象を空間電荷制限と言
う。空間電荷制限により引き出しイオン電流が制限され
る領域では「数1」に示すように引き出し電極間の電位
差Vの2分の3乗に比例し引き出し電流が増加する。こ
こでJsiは引き出し電流密度、ε0は真空の誘電率、
Zはイオンの価数、eは単位電荷、miはイオンの質
量、Vは引き出し電極間の電位差とする。また引き出し
電極間の電位差Vの時のイオンシース幅をdsとし、d
とdsはほぼ同じ大きさであるとした。
Next, the operation will be described. First, a positive potential V 1 is applied to the ion extraction electrode and the electron extraction electrode that are in contact with the plasma 7. This positive potential V 1 causes plasma 7
Of the plasma potential Vp from V 1
The value is higher (V 1 + Vp). Next, the potential of the other ion accelerating electrode is set to the ground potential or a potential V 2 lower than it, so that the ions in the plasma 7 are accelerated by the potential difference (V 1 + V 2 ) between the ion extracting electrodes, The sample 8 to be processed is irradiated. This state is similar to the conventional device. The potential distribution near the ion extraction electrode group 5 and the space charge due to the ions at this time are shown in FIG. Figure 2
Since the extracted ions are distributed in the ion acceleration region as shown in (a), a positive space charge 12 is generated in the ion acceleration region. The positive space charge 12 is somewhat weakened by the space charge 13 of low energy electrons in the plasma.
Therefore, the total space charge 14 of ions and electrons between the electrodes is as shown in FIG. Between the electrodes, the potential distribution 15 in the ion acceleration region changes as shown in FIG. 2A due to the space charge of the ions and the electrons as a whole, compared with the case where there is no space charge. As a result, the potential at the ion emission surface is weakened and the amount of extracted ions is limited. This phenomenon is called space charge limitation. In the region where the extraction ion current is restricted by the space charge restriction, the extraction current increases in proportion to the cube of the potential difference V between the extraction electrodes, as shown in "Equation 1". Where Jsi is the extraction current density, ε 0 is the vacuum permittivity,
Z is the valence of the ions, e is the unit charge, mi is the mass of the ions, and V is the potential difference between the extraction electrodes. Further, the width of the ion sheath when the potential difference V between the extraction electrodes is set to ds, and d
And ds are assumed to have almost the same size.

【0009】[0009]

【数1】 [Equation 1]

【0010】「数1」より比較的低いエネルギーでイオ
ンを引き出す場合には特に引き出しイオン電流の制限が
大きくなり、十分な密度で引き出せないと言うことがわ
かる。そこで本発明では電子加速用電極群4の電子引き
出し用プラズマ6に接する側の電極の電位をイオン引き
出し用プラズマ7に接する電極の電位V1より低い電位
3とした。これにより電子引き出し用プラズマ6から
電子が引き出されイオン加速用電極群5のイオン加速領
域に電子を分布させる事ができる。この様子を図2
(b)に示す。図2(b)は図2(a)に加速した電子
による空間電荷16が加わった場合の総合の空間電荷分
布17と、それによる電位分布18を示したものであ
る。図2(b)には電子の加速エネルギーをイオンの加
速エネルギーと同等以上にした場合について示した。図
2(b)に示すように加速した電子によりイオン加速領
域内の広い領域にわたり電子を分布させることができ
る。特にイオンの加速エネルギーと同等以上に加速した
場合にはイオンと共にイオン加速用電極群5から被加工
試料8にむけ放出する事も可能とる。この場合電子の空
間電荷はイオン引き出しの空間電荷制限を緩和させるだ
けでなく、イオン線が飛行中の空間電荷も緩和しイオン
線の散乱を低減させる役割も果たす。以上の効果によ
り、イオン加速領域内のイオンによる空間電荷が緩和さ
れ、比較的低エネルギーで引き出した場合でも「数2」
に示す飽和イオン電流密度に近い電流密度でイオン線を
引き出す事が可能となる。ここでJpiは飽和イオン電
流密度、niはプラズマ密度、Zはイオンの価数、eは
単位電荷、kはボルツマン定数、Teは電子温度、mi
はイオンの質量とする。
It can be seen that when the ions are extracted at a relatively lower energy than "Equation 1," the extraction ion current is particularly limited, and the ions cannot be extracted at a sufficient density. Therefore, in the present invention, the potential of the electrode of the electron accelerating electrode group 4 in contact with the electron extracting plasma 6 is set to a potential V 3 lower than the potential V 1 of the electrode in contact with the ion extracting plasma 7. As a result, electrons can be extracted from the electron extraction plasma 6 and distributed in the ion acceleration region of the ion acceleration electrode group 5. Figure 2
It shows in (b). FIG. 2B shows a total space charge distribution 17 in the case where the space charges 16 due to accelerated electrons are added to FIG. 2A, and a potential distribution 18 resulting therefrom. FIG. 2B shows a case where the acceleration energy of electrons is equal to or more than the acceleration energy of ions. As shown in FIG. 2B, the accelerated electrons can distribute the electrons over a wide area within the ion acceleration area. In particular, when the acceleration energy is equal to or higher than the acceleration energy of the ions, it is possible to discharge the ions together with the ions from the ion acceleration electrode group 5 to the sample 8 to be processed. In this case, the space charge of the electrons not only relaxes the space charge limitation of extracting the ions, but also relaxes the space charge during flight of the ion beam and reduces the scattering of the ion beam. Due to the above effects, the space charge due to the ions in the ion acceleration region is relaxed, and even when the ions are extracted with relatively low energy, "Equation 2"
The ion beam can be extracted at a current density close to the saturated ion current density shown in. Here, Jpi is the saturated ion current density, ni is the plasma density, Z is the valence of ions, e is the unit charge, k is the Boltzmann constant, Te is the electron temperature, and mi is
Is the mass of the ion.

【0011】[0011]

【数2】 [Equation 2]

【0012】図3はイオンの加速手段が、被加工試料1
9をプラズマ20に直接曝し、該被加工試料19に高周
波電界印加手段21により高周波電界を印加する場合の
実施例である。高周波電界を印加する事で該被加工試料
19の電位をプラズマ20に対し調節する事ができ、被
加工試料表面とプラズマ20の境界に形成されるイオン
シース内の電界でイオンを加速する事ができる。この場
合もイオンシース内のイオンの空間電荷によりイオン放
出面付近の電位分布が弱められ、引き出しイオン量が制
限される。よって図1の実施例と同様に電子加速用電極
群22のプラズマ20に接する電極に正電位および電子
引き出し用プラズマ23に接する電極をアース電位かそ
れよれ低い電位とすることで電子引き出し用プラズマ2
3から電子が加速され、イオン加速領域であるイオンシ
ース内に電子を分布させる事ができる。この電子により
イオンシース内の正の空間電荷が弱められ、空間電荷制
限を緩和し、高密度のイオン線を被加工試料に照射する
ことができる。図3の実施例ではプラズマの形成には磁
場発生手段24による磁場とマイクロ波発生手段25に
よるマイクロ波を用いた。また導入するガスにはCHF
3を用い、被加工試料9表面のシリコン酸化膜のエッチ
ングを行なった。
In FIG. 3, the ion accelerating means is the sample 1 to be processed.
In this example, 9 is directly exposed to plasma 20 and a high frequency electric field is applied to the sample 19 to be processed by the high frequency electric field applying means 21. By applying a high frequency electric field, the potential of the sample to be processed 19 can be adjusted with respect to the plasma 20, and the ions can be accelerated by the electric field in the ion sheath formed at the boundary between the surface of the sample to be processed and the plasma 20. it can. In this case also, the space charge of the ions in the ion sheath weakens the potential distribution in the vicinity of the ion emission surface and limits the amount of extracted ions. Therefore, as in the embodiment shown in FIG. 1, by setting the electrode of the electron accelerating electrode group 22 in contact with the plasma 20 to a positive potential and the electrode in contact with the electron extracting plasma 23 to the ground potential or a potential lower than that, the electron extracting plasma 2 is generated.
Electrons are accelerated from 3 and can be distributed in the ion sheath, which is the ion acceleration region. The electrons weaken the positive space charge in the ion sheath, relax the space charge limitation, and irradiate the sample to be processed with a high-density ion beam. In the embodiment shown in FIG. 3, the magnetic field generated by the magnetic field generating means 24 and the microwave generated by the microwave generating means 25 were used to form the plasma. CHF is used as the gas to be introduced
3 was used to etch the silicon oxide film on the surface of the processed sample 9.

【0013】図4は図1の実施例の応用で、電子引き出
し用プラズマ30とイオン引き出し用プラズマ31に加
え被加工試料32の前面にラジカル供給用プラズマ33
を形成する場合の実施例である。電子引き出し用プラズ
マ30、イオン引き出し用プラズマ31およびラジカル
供給用プラズマ33は同一の磁場発生手段34およびマ
イクロ波発生手段35により発生される。また本実施例
では導入するガスにはCHF3とアルゴンの混合ガスを
用い、被加工試料32表面のシリコン酸化膜のエッチン
グを行なった。図4の実施例ではラジカル供給用プラズ
マ33からの反応性ラジカルの被加工試料32表面での
反応をイオン加速用電極群36で引き出されたイオン線
のエネルギーにより支援し高速のエッチングを行なって
いる。この時も電子加速用電極群37によりイオン加速
領域に電子を供給することで前記で説明した理由により
引き出しイオン量が増大され加工速度を大幅に増加する
ことが可能となっている。
FIG. 4 is an application of the embodiment shown in FIG. 1. In addition to the electron extraction plasma 30 and the ion extraction plasma 31, a radical supply plasma 33 is provided on the front surface of the sample 32 to be processed.
It is an example in the case of forming. The electron extracting plasma 30, the ion extracting plasma 31, and the radical supplying plasma 33 are generated by the same magnetic field generating means 34 and microwave generating means 35. Further, in this embodiment, a mixed gas of CHF 3 and argon was used as a gas to be introduced, and the silicon oxide film on the surface of the sample 32 to be processed was etched. In the embodiment shown in FIG. 4, the reaction of the reactive radicals from the plasma 33 for supplying radicals on the surface of the sample 32 to be processed is assisted by the energy of the ion beam extracted by the electrode group 36 for ion acceleration to perform high-speed etching. . Also at this time, by supplying electrons to the ion acceleration region by the electron acceleration electrode group 37, the amount of extracted ions can be increased and the processing speed can be significantly increased for the reason described above.

【0014】図1および図4の実施例では被加工試料に
加速されたイオン線を照射しているが、図5に示すよう
に被加工試料の前面にメッシュ状の荷電粒子除去電極群
41を配置する事で荷電粒子を遮断し電荷の無い中性粒
子のみにより被加工試料42を加工できる。中性粒子線
はイオン線を気相中で飛行させることにより、気相中の
低速中性粒子と電荷交換反応を起こし形成される。この
中性粒子のみによる加工は絶縁膜を加工する際の耐圧劣
化等の損傷を低減する効果を持つ。
In the embodiment shown in FIGS. 1 and 4, the sample to be processed is irradiated with accelerated ion beams. As shown in FIG. 5, a mesh-shaped charged particle removing electrode group 41 is provided on the front surface of the sample to be processed. By arranging them, the charged particles are blocked and the sample 42 to be processed can be processed only by neutral particles having no electric charge. A neutral particle beam is formed by causing an ion beam to fly in the gas phase to cause a charge exchange reaction with low-speed neutral particles in the gas phase. The processing using only the neutral particles has an effect of reducing damage such as deterioration of breakdown voltage when processing the insulating film.

【0015】図6は図1、図3、図4および図5の実施
例と異なりイオン加速領域への電子の供給をフィラメン
52から放出される熱電子を加速電極53で加速し行な
った場合の実施例である。
6 is different from the embodiment shown in FIGS. 1, 3, 4 and 5 in the case where the electrons are supplied to the ion acceleration region by accelerating the thermoelectrons emitted from the filament 52 by the acceleration electrode 53. This is an example.

【0016】図1、図3、図4、図5、図6の実施例で
はプラズマの形成に磁場とマイクロ波領域の電磁波を用
いた場合を示した。しかしラジオ波領域の高周波電界に
より形成されたプラズマでも本発明の効果は同等である
ことは言うまでもない。
In the embodiments shown in FIGS. 1, 3, 4, 5, and 6, the case where a magnetic field and an electromagnetic wave in the microwave region are used for plasma formation is shown. However, it goes without saying that the effect of the present invention is the same even for plasma formed by a high frequency electric field in the radio frequency region.

【0017】上記実施例では本発明による高速粒子線を
直接被加工試料に照射し表面処理を行なう場合について
記した。しかし本発明は、本発明による高速粒子線で特
定材料をスパッタし、飛散した該材料を他にもうけた別
の基板に堆積させることにも応用できる事は言うまでも
ない。
In the above embodiments, the case where the high speed particle beam according to the present invention is directly applied to the sample to be processed for the surface treatment is described. However, it goes without saying that the present invention can also be applied to sputtering a specific material with the high-speed particle beam according to the present invention and depositing the scattered material on another substrate prepared elsewhere.

【0018】また上記図1、図4、図5、図6の実施例
では被加工試料へのイオン線または中性粒子線の入射角
度を試料台の角度を変えるかイオン引き出し電極の角度
を変えることにより調節でき、該機能を付加することに
より加工形状を調節することが可能となる。
In the embodiments shown in FIGS. 1, 4, 5, and 6, the incident angle of the ion beam or the neutral particle beam to the sample to be processed is changed by changing the angle of the sample stand or the angle of the ion extracting electrode. By doing so, it becomes possible to adjust the processed shape by adding the function.

【0019】また上記で説明した実施例では本発明のイ
オン引き出しにおける空間電荷制限を緩和させる効果に
ついてのみ記した。しかし、同様な構成でイオン引き出
し用プラズマに電子線を供給し、その加速エネルギーを
適当に調整することで気相中での電子と気体分子の衝突
断面積を大きくでき、該電子の加速エネルギーと電流密
度によりイオン引き出し用プラズマのプラズマ密度を調
節する事が可能となる。イオン引き出し用プラズマのプ
ラズマ密度を増大することで引き出すイオン線の密度を
増加することができる。具体的実施例を図1を用いて説
明する。図1中のプラズマ7よりイオン加速用電極群5
によりイオン線を引き出す時、該イオン線の電流密度は
プラズマ7の状態に大きく影響される。特にプラズマ密
度は引き出せるイオン電流の限界を決める重要なパラメ
ータである。従来の構成(イオン引き出し用プラズマに
電子線を供給できない構成)ではイオン引き出し用プラ
ズマ(図1中のプラズマ7に相当する)のプラズマ状態
を安定で任意に調整するのは困難であった。本発明によ
りプラズマ6から電子加速用電極群4により電子線をプ
ラズマ7に照射することでプラズマ7領域中の気体分子
を電子線がイオン化し該領域のプラズマ密度をガス圧力
やマイクロ波電力の供給量を変えずに変化させることが
可能となる。気相中での気体分子の電子線によるイオン
化確率は、該電子線のエネルギーが約20(eV)から
1(keV)の範囲で高くなることがD.Rappらに
より調べられジャーナル・オブ・ケミカル・フィジック
ス第43巻・(1965年)第1464頁から第147
9頁(THE JOURNALOF CHEMICAL
PHYSICS,Vol43 (1965)1464
〜1479)に記されている。また電子線を実用的な電
流密度で引き出すには数十(eV)のエネルギーが必要
である。これらから電子線のエネルギーを30(eV)
以上とすることで効率的にイオン化を引き起こしプラズ
マ密度を増大させることが可能となる。特に100(e
V)〜300(eV)付近はイオン化効率も高く、引き
出せる電子線の量も充分となるので効率的である。以上
の効果により空間電荷制限を緩和させる効果の他にイオ
ンの引き出し電圧またはガス圧力等のプラズマ生成条件
とは独立にイオン引き出し用プラズマのプラズマ密度を
増大させイオンの引き出し特性を向上させる事が可能と
なる。以上の実施例ではイオン引き出し用プラズマへの
電子線照射をイオン引き出し用プラズマとは独立に形成
したプラズマから引き出した場合について記したが、電
子銃をプラズマ生成領域に配置し、該電子銃から放出す
る電子線を用いても同様の効果がある事はいうまでもな
い。
Further, in the embodiments described above, only the effect of relaxing the space charge limitation in the ion extraction of the present invention is described. However, by supplying an electron beam to the plasma for extracting ions with a similar configuration and adjusting the acceleration energy appropriately, the collision cross section of electrons and gas molecules in the gas phase can be increased, and the acceleration energy of the electrons The plasma density of the plasma for extracting ions can be adjusted by the current density. The density of the extracted ion beam can be increased by increasing the plasma density of the plasma for extracting ions. A specific example will be described with reference to FIG. Ion acceleration electrode group 5 from plasma 7 in FIG.
Therefore, when the ion beam is extracted, the current density of the ion beam is greatly influenced by the state of the plasma 7. In particular, the plasma density is an important parameter that determines the limit of the ion current that can be extracted. In the conventional configuration (the configuration in which the electron beam cannot be supplied to the ion extracting plasma), it is difficult to stably and arbitrarily adjust the plasma state of the ion extracting plasma (corresponding to the plasma 7 in FIG. 1). By irradiating the plasma 7 with an electron beam from the plasma 6 through the electron acceleration electrode group 4 according to the present invention, the gas molecules in the plasma 7 region are ionized and the plasma density in the region is supplied with gas pressure or microwave power. It is possible to change without changing the amount. The ionization probability of a gas molecule in a gas phase due to an electron beam increases as the energy of the electron beam increases in the range of about 20 (eV) to 1 (keV). Journal of Chemical Physics, Vol. 43, (1965) pp. 1464-147, examined by Rapp et al.
Page 9 (THE JOURNAL OF CHEMICAL
PHYSICS, Vol43 (1965) 1464
˜1479). Also, energy of several tens (eV) is required to extract the electron beam at a practical current density. From these, the electron beam energy is 30 (eV)
With the above, it is possible to efficiently cause ionization and increase the plasma density. Especially 100 (e
In the vicinity of V) to 300 (eV), the ionization efficiency is high and the amount of the electron beam that can be extracted is sufficient, which is efficient. In addition to the effect of relaxing the space charge limitation by the above effects, it is possible to increase the plasma density of the ion extraction plasma and improve the ion extraction characteristics independently of the plasma generation conditions such as the ion extraction voltage or gas pressure. Becomes In the above embodiments, the electron beam irradiation to the ion extracting plasma was described as being extracted from the plasma formed independently of the ion extracting plasma. However, the electron gun is arranged in the plasma generation region and is emitted from the electron gun. It goes without saying that the same effect can be obtained by using the electron beam.

【0020】[0020]

【発明の効果】本発明によりプラズマからイオンを引き
出す際のイオン加速領域における正の空間電荷をイオン
加速手段の後段にもうけられた電子加速手段からの電子
の電荷で中和し、引き出されるイオン線の空間電荷制限
を緩和させることができる。これにより高密度のイオン
線またはイオン線を電荷交換反応させ形成する中性粒子
線の密度を向上させることができ加工速度の増大を可能
とする。
According to the present invention, the positive space charge in the ion acceleration region when extracting ions from the plasma is neutralized by the charge of the electrons from the electron accelerating means provided after the ion accelerating means, and the ion beam is extracted. The space charge limitation can be relaxed. As a result, the density of the high-density ion beam or the neutral particle beam formed by the charge exchange reaction of the ion beam can be improved, and the processing speed can be increased.

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

【図1】図1は本発明の一実施例に係る装置の基本構成
を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の原理を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the present invention.

【図3】本発明の他の実施例に係る装置の構成を示す図
である(その1)。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an apparatus according to another embodiment of the present invention (No. 1).

【図4】本発明の他の実施例に係る装置の構成を示す図
である(その2)。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an apparatus according to another embodiment of the present invention (No. 2).

【図5】本発明の他の実施例に係る装置の構成を示す図
である(その3)。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an apparatus according to another embodiment of the present invention (No. 3).

【図6】本発明の他の実施例に係る装置の構成を示す図
である(その4)。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of an apparatus according to another embodiment of the present invention (No. 4).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…石英放電管、2…マイクロ波発生手段、3…磁場発
生手段、4…電子加速用電極群、5…イオン加速用電極
群、6…電子引き出し用プラズマ、7…イオン引き出し
用プラズマ、8…被加工試料、9…導波管、10…試料
台、11…プラズマ、12…正の空間電荷、13…低エ
ネルギー電子の空間電荷、14…イオンと電子総合の空
間電荷、15…電位分布、16…加速した電子による空
間電荷、17…合成の空間電荷、18…電位分布、19
…被加工試料、20…プラズマ、21…高周波電界印加
手段、22…電子加速用電極群、23…電子引き出し用
プラズマ、24…磁場発生手段、25…マイクロ波発生
手段、26…マッチング回路、27…導波管、28…試
料台、29…石英放電管、30…電子引き出し用プラズ
マ、31…イオン引き出し用プラズマ、32…被加工試
料、33…ラジカル供給用プラズマ、34…磁場発生手
段、35…マイクロ波発生手段、36…イオン加速用電
極群、37…電子加速用電極群、38…導波管、39…
石英放電管、40…試料台、41…荷電粒子除去電極、
42…被加工試料、43…電子加速用電極群、44…イ
オン加速用電極群、45…電子引き出し用プラズマ、4
6…イオン引き出し用プラズマ、47…ラジカル供給用
プラズマ、48…マイクロ波発生手段、49…磁場発生
手段、50…試料台、51…石英放電管、52…フィラ
メント、53…加速電極、54…イオン引き出し用プラ
ズマ、55…イオン加速用電極群、56…被加工試料、
57…試料台、58…石英放電管、59…マイクロ波発
生手段、60…磁場発生手段、61…導波管。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Quartz discharge tube, 2 ... Microwave generation means, 3 ... Magnetic field generation means, 4 ... Electron acceleration electrode group, 5 ... Ion acceleration electrode group, 6 ... Electron extraction plasma, 7 ... Ion extraction plasma, 8 ... sample to be processed, 9 ... waveguide, 10 ... sample stage, 11 ... plasma, 12 ... positive space charge, 13 ... low energy electron space charge, 14 ... ion and electron total space charge, 15 ... potential distribution , 16 ... Space charge due to accelerated electrons, 17 ... Synthetic space charge, 18 ... Potential distribution, 19
... Work sample, 20 ... Plasma, 21 ... High frequency electric field applying means, 22 ... Electron acceleration electrode group, 23 ... Electron extraction plasma, 24 ... Magnetic field generating means, 25 ... Microwave generating means, 26 ... Matching circuit, 27 ... Waveguide, 28 ... Sample stage, 29 ... Quartz discharge tube, 30 ... Electron extraction plasma, 31 ... Ion extraction plasma, 32 ... Work sample, 33 ... Radical supply plasma, 34 ... Magnetic field generating means, 35 ... microwave generation means, 36 ... ion acceleration electrode group, 37 ... electron acceleration electrode group, 38 ... waveguide, 39 ...
Quartz discharge tube, 40 ... Sample stage, 41 ... Electrode for removing charged particles,
42 ... Work sample, 43 ... Electron acceleration electrode group, 44 ... Ion acceleration electrode group, 45 ... Electron extraction plasma, 4
6 ... Plasma for extracting ions, 47 ... Plasma for supplying radicals, 48 ... Microwave generating means, 49 ... Magnetic field generating means, 50 ... Sample stage, 51 ... Quartz discharge tube, 52 ... Filament, 53 ... Accelerating electrode, 54 ... Ions Extraction plasma, 55 ... Ion acceleration electrode group, 56 ... Work sample,
57 ... Sample stage, 58 ... Quartz discharge tube, 59 ... Microwave generating means, 60 ... Magnetic field generating means, 61 ... Waveguide.

Claims (25)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】気相中でプラズマを形成する手段と該プラ
ズマからイオンを引き出す手段と該イオンを引き出す手
段の位置に対し該プラズマ側の位置に電子源および該電
子を加速する手段を有し、該イオンを引き出す手段でイ
オンを加速する際、イオンの加速領域で該イオンの電荷
により発生する空間電荷を該電子を加速する手段から引
き出された電子の電荷により中和させ、引き出されるイ
オンの空間電荷制限を緩和することで高密度の粒子線を
形成する事を特徴とする高速粒子線加工装置。
1. An electron source and a means for accelerating the electron at a position on the plasma side with respect to the position of the means for forming plasma in a gas phase, a means for extracting ions from the plasma, and a means for extracting the ions. , When accelerating the ions by the means for extracting the ions, the space charge generated by the charge of the ions in the acceleration region of the ions is neutralized by the charge of the electrons extracted from the means for accelerating the electrons, A high-speed particle beam processing device characterized by forming a high-density particle beam by relaxing the space charge limitation.
【請求項2】請求項1記載のプラズマ発生手段が磁場発
生手段とマイクロ波領域の電磁波発生手段により構成さ
れる事を特徴とする高速粒子線加工装置。
2. A high-speed particle beam processing apparatus, wherein the plasma generating means according to claim 1 is composed of a magnetic field generating means and an electromagnetic wave generating means in a microwave region.
【請求項3】請求項1記載のプラズマ発生手段がラジオ
波領域の高周波発生手段により構成される事を特徴とす
る高速粒子線加工装置。
3. A high-speed particle beam processing apparatus, wherein the plasma generating means according to claim 1 is constituted by a high frequency generating means in a radio frequency region.
【請求項4】請求項1記載のイオンを引き出す手段が複
数の微小孔を有する2枚の平板状電極で構成され、該2
枚の電極間の電位差によりイオンを加速する事を特徴と
する高速粒子線加工装置。
4. The means for extracting ions according to claim 1 is composed of two flat plate-shaped electrodes having a plurality of micropores.
High-speed particle beam processing equipment characterized by accelerating ions by the potential difference between electrodes.
【請求項5】請求項1記載の電子を加速する手段が複数
の微小孔を有する2枚の平板状電極で構成され、該2枚
の電極間の電位差により電子を加速する事を特徴とする
高速粒子線加工装置。
5. The electron accelerating means according to claim 1 is composed of two flat plate-shaped electrodes having a plurality of fine holes, and the electrons are accelerated by a potential difference between the two electrodes. High-speed particle beam processing equipment.
【請求項6】請求項4又は5記載の複数の微小孔を有す
る平板状電極がグラファイトで構成されている事を特徴
とする高速粒子線加工装置。
6. A high-speed particle beam machining apparatus, wherein the flat plate-shaped electrode having a plurality of micropores according to claim 4 or 5 is made of graphite.
【請求項7】請求項2又は3記載のプラズマ形成手段に
より形成されたプラズマを請求項4又は5記載のイオン
引き出しおよび電子加速手段により2領域に分割し、同
一プラズマ源でイオンと電子の両方を引き出す事を特徴
とする請求項1記載の高速粒子線加工装置。
7. The plasma formed by the plasma forming means according to claim 2 or 3 is divided into two regions by the ion extracting and electron accelerating means according to claim 4 or 5, and both ions and electrons are generated by the same plasma source. The high-speed particle beam processing apparatus according to claim 1, wherein the high-speed particle beam processing apparatus is drawn out.
【請求項8】請求項4又は5記載の複数の微小孔を有す
る2枚の平板状電極の内一方はプラズマの電位を規定
し、もう一方の電極を該プラズマの電位を規定した電極
の電位と異なる電位とすることでイオンまたは電子を加
速する事を特徴とする請求項1又は7記載の高速粒子線
加工装置。
8. One of the two flat plate-shaped electrodes having a plurality of micropores according to claim 4 or 5 defines the plasma potential, and the other electrode defines the plasma potential. The high-speed particle beam processing apparatus according to claim 1 or 7, wherein ions or electrons are accelerated by setting a potential different from that.
【請求項9】イオンを引き出すプラズマ中に電子銃を配
置し該電子銃から放出された電子を加速し、イオン引き
出し手段に照射する事を特徴とする請求項1記載の高速
粒子線加工装置。
9. The high-speed particle beam processing apparatus according to claim 1, wherein an electron gun is arranged in plasma for extracting ions, and the electrons emitted from the electron gun are accelerated and irradiated to the ion extracting means.
【請求項10】請求項1至乃9のいずれか一つに記載の
高速粒子線加工装置において、引き出されたイオン線を
気相中の中性粒子と電荷交換反応をおこさせることで中
性粒子線とする事を特徴とする高速粒子線加工装置。
10. The high-speed particle beam processing apparatus according to claim 1, wherein the extracted ion beam causes a charge exchange reaction with neutral particles in a gas phase to cause neutralization. High-speed particle beam processing equipment characterized by using particle beams.
【請求項11】請求項7記載のイオン引き出し手段の前
面にプラズマを形成し、該プラズマからの反応性粒子と
イオン線または請求項10記載の中性粒子線により被加
工試料の表面処理を行なう事を特徴とする請求項1記載
の高速粒子線加工装置。
11. A plasma is formed on the front surface of the ion extracting means according to claim 7, and the surface of the sample to be processed is treated with the reactive particles and the ion beam from the plasma or the neutral particle beam according to claim 10. The high-speed particle beam processing apparatus according to claim 1, characterized in that.
【請求項12】被加工試料の前面に荷電粒子を除去する
メッシュ状電極群を配置する事を特徴とする請求項1至
乃11のいずれか一つに記載の高速粒子線加工装置。
12. The high-speed particle beam processing apparatus according to claim 1, wherein a mesh-shaped electrode group for removing charged particles is arranged on the front surface of the sample to be processed.
【請求項13】イオン引き出し電極に照射する電子のエ
ネルギーがイオンの引き出しエネルギーの2分の1以上
である事を特徴とする請求項1至乃12のいずれか一つ
に記載の高速粒子線加工装置。
13. The high-speed particle beam processing according to claim 1, wherein the energy of the electrons with which the ion extraction electrode is irradiated is ½ or more of the extraction energy of the ions. apparatus.
【請求項14】プラズマを形成するガスがアルゴンとフ
ロン系ガスの混合であり、被加工試料表面のエッチング
を行なう事を特徴とする請求項1至乃13のいずれか一
つに記載の高速粒子線加工装置。
14. The high-speed particle according to claim 1, wherein the plasma forming gas is a mixture of argon and a chlorofluorocarbon gas, and the sample surface to be processed is etched. Wire processing equipment.
【請求項15】プラズマを形成するガスがアルゴンとハ
ロゲン系ガスの混合であり、被加工試料表面のエッチン
グを行なう事を特徴とする請求項1至乃13のいずれか
一つに記載の高速粒子線加工装置。
15. The high-speed particle according to claim 1, wherein the gas that forms plasma is a mixture of argon and a halogen-based gas, and the surface of the sample to be processed is etched. Wire processing equipment.
【請求項16】プラズマを形成するガスがハロゲン系ガ
ス単体であり、被加工試料表面のエッチングを行なう事
を特徴とする請求項1至乃13のいずれか一つに記載の
高速粒子線加工装置。
16. The high-speed particle beam processing apparatus according to claim 1, wherein the gas forming the plasma is a halogen gas alone, and the sample surface to be processed is etched. .
【請求項17】プラズマを形成するガスが希ガス単体で
あり、被加工試料表面のスパッタエッチングを行なう事
を特徴とする請求項1至乃9のいずれか一つ又は請求項
11至乃13のいずれか一つに記載の高速粒子線加工装
置。
17. The plasma forming gas is a rare gas simple substance, and the sputter etching of the surface of the sample to be processed is performed, and any one of claims 1 to 9 or 11 to 13 is provided. The high-speed particle beam processing apparatus according to any one of the above.
【請求項18】イオン線または請求項10記載の中性粒
子線を被加工試料の表面に対し任意の角度から入射でき
る構成である事を特徴とする請求項1至乃17のいずれ
か一つに記載の高速粒子線加工装置。
18. The structure according to claim 1, wherein the ion beam or the neutral particle beam according to claim 10 can be incident on the surface of the sample to be processed at an arbitrary angle. The high-speed particle beam processing apparatus described in.
【請求項19】被加工試料をプラズマにさらし、該被加
工試料に高周波電界を印加することで該被加工試料へ入
射するイオンの加速を行ない、該プラズマ中に該被加工
試料へ向け該プラズマ中の電子を加速する手段を有する
事を特徴とする請求項1至乃3のいずれか一つ、請求項
5、6、8又は9のいずれか一つ又は請求項13至乃1
7のいずれか一つに記載の高速粒子線加工装置。
19. A sample to be processed is exposed to plasma, and a high frequency electric field is applied to the sample to be processed to accelerate ions incident on the sample to be processed, and the plasma is directed toward the sample to be processed in the plasma. A means for accelerating electrons therein, any one of claims 1 to 3, any one of claims 5, 6, 8 or 9 or claim 13 to 1
The high-speed particle beam processing apparatus according to any one of 7.
【請求項20】請求項1至乃19のいずれか一つに記載
の高速粒子線により特定材料のスパッタを行い、飛散し
た該特定材料を他の基板に蒸着させるこで特定材料の成
膜を行う事を特徴とする高速粒子線加工装置。
20. A specific material is sputtered with the high-speed particle beam according to claim 1, and the scattered specific material is deposited on another substrate to form a film of the specific material. High-speed particle beam processing equipment characterized by performing.
【請求項21】請求項1記載の電子加速手段において電
子の加速エネルギーをイオンの加速エネルギーより同等
かそれ以上にすることにより、電子をイオン加速領域だ
けでなくイオン飛行領域にも分布させ、該イオンの飛行
領域における空間電荷によるイオン線の発散を低減させ
る事を特徴とする高速粒子線加工装置。
21. In the electron accelerating means according to claim 1, by making the acceleration energy of the electrons equal to or more than the acceleration energy of the ions, the electrons are distributed not only in the ion acceleration region but also in the ion flight region, A high-speed particle beam processing apparatus characterized by reducing ion beam divergence due to space charge in the ion flight region.
【請求項22】気相中でプラズマを形成する手段と該プ
ラズマからイオンを引き出す手段と該イオンを引き出す
手段の位置に対し該プラズマ側の位置に電子源および電
子を加速する手段を有し、該イオンを引き出す手段で該
プラズマからイオン線を引き出す際、該電子源および電
子を加速する手段により該プラズマに電子線を照射する
ことで該プラズマのプラズマ密度を引き出すイオン線の
密度が増加するように調節可能とした事を特徴とする高
速粒子線加工装置。
22. An electron source and a means for accelerating electrons at a position on the plasma side with respect to the position of the means for forming plasma in a gas phase, a means for extracting ions from the plasma, and a means for extracting the ions, When extracting an ion beam from the plasma by the means for extracting the ions, the density of the ion beam for extracting the plasma density of the plasma is increased by irradiating the plasma with an electron beam by the electron source and a means for accelerating the electrons. A high-speed particle beam processing device characterized by being adjustable.
【請求項23】請求項22記載のイオンを引き出すプラ
ズマに照射する電子線のエネルギーが30eV以上であ
る事を特徴とす高速粒子線加工装置。
23. A high-speed particle beam processing apparatus, wherein the energy of an electron beam with which the plasma for extracting ions according to claim 22 is irradiated is 30 eV or more.
【請求項24】請求項22記載のプラズマ形成手段によ
り形成されたプラズマを請求項22記載のイオン引き出
し手段および電子を加速する手段により2領域に分割
し、同一プラズマ源でイオンと電子の両方を引き出す事
を特徴とする高速粒子線加工装置。
24. The plasma formed by the plasma forming means according to claim 22 is divided into two regions by the ion extracting means and the electron accelerating means according to claim 22, and both ions and electrons are generated by the same plasma source. High-speed particle beam processing device characterized by pulling out.
【請求項25】イオンを引き出すプラズマ中に電子銃を
配置し該電子銃から放出された電子を加速し、イオンを
引き出すプラズマに照射する事を特徴とする請求項22
記載の高速粒子線加工装置。
25. An electron gun is arranged in the plasma for extracting ions, the electrons emitted from the electron gun are accelerated, and the plasma for extracting ions is irradiated.
The described high-speed particle beam processing apparatus.
JP19815993A 1993-07-30 1993-08-10 High speed particle beam processing device Pending JPH0794474A (en)

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