JPS61113775A - Treatment of surface - Google Patents

Treatment of surface

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JPS61113775A
JPS61113775A JP23314984A JP23314984A JPS61113775A JP S61113775 A JPS61113775 A JP S61113775A JP 23314984 A JP23314984 A JP 23314984A JP 23314984 A JP23314984 A JP 23314984A JP S61113775 A JPS61113775 A JP S61113775A
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JP
Japan
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excited
sample
molecules
energy
molecular
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Application number
JP23314984A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keizo Suzuki
敬三 鈴木
Takeshi Ninomiya
健 二宮
Shigeru Nishimatsu
西松 茂
Osami Okada
岡田 修身
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To prevent damage, contamination and a temp. rise by using beams of molecules having excited molecular vibration units. CONSTITUTION:A means 1 of generating excited molecular beams is composed of a gas introducing valve 6, a furnace 7, a heating means 8 and a plate having pores 9, and excited molecules are spouted into a vacuum chamber 5 from the pores 9 as excited molecular beams. The excited molecular beams pass through a collimator 2 and reach the surface of a sample 3 on a sample stand 4 at a uniform rate in a uniform direction, treating the surface of the sample 3.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は固体表面を処理するドライプロセス(乾式処理
方法)に係り、特に半導体素子製造に好適な無損傷、無
汚染、高選択性かつ低温度のプロセスを実現することが
できる表面処理方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a dry process (dry processing method) for treating the surface of a solid, and is particularly suitable for the production of semiconductor devices with no damage, no contamination, high selectivity, and low temperature. The present invention relates to a surface treatment method that can realize the process.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

従来の、特に半導体素子製造における、ドライプロセス
では、イオンビームまたはプラズマが用いられていた(
菅野卓雄編著; 「半導体プラズマプロセス技術」、産
業図書、 1980)。しかし、このような方法では被
処理体である素子または試料の表面や素子近傍の固体表
面例えば真空室内壁や試料台表面に、高運動エネルギー
(約100eV以上)のイオン、原子2分子、電子等が
入射し、素子表面に損傷、汚染を不可避的に形成してい
た。
Traditional dry processes, especially in semiconductor device manufacturing, have used ion beams or plasma (
Edited by Takuo Kanno; “Semiconductor Plasma Process Technology,” Sangyo Tosho, 1980). However, in this method, ions, two molecules of atoms, electrons, etc. with high kinetic energy (approximately 100 eV or more) are deposited on the surface of the device or sample that is the object to be processed, or on solid surfaces near the device, such as the walls of the vacuum chamber or the surface of the sample stage. incident on the device, inevitably causing damage and contamination on the device surface.

また、このような高エネルギー粒子の入射による素子温
度の上昇も発生した。半導体素子製造が減少(1μm以
下)して行くと、このような損傷。
Furthermore, the element temperature also increased due to the incidence of such high-energy particles. As semiconductor device manufacturing decreases (below 1 μm), this kind of damage will occur.

汚染、および素子温度上昇は重大な問題となってくる。Contamination and device temperature rise become serious problems.

また、近い将来に実現が期待されている3次元構造の半
導体素子には、このような損傷、汚染、温度上昇は致命
的であり、従来のドライプロセスは使用不可能となる。
Moreover, such damage, contamination, and temperature rise are fatal to three-dimensionally structured semiconductor devices, which are expected to be realized in the near future, and conventional dry processes cannot be used.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、損傷、汚染、温度上昇のない表面処理
方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a surface treatment method that does not cause damage, contamination, or temperature rise.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

約10年程前から表面処理の分野、特に半導体素子製造
分野では、ドライプロセスが活発に用いられている。こ
こで、ドライプロセスとは、これ以前のウェットプロセ
ス(水溶液を用いる方法)に対する言葉であり、試料表
面を真空中(光を含む)または気相中にて処理する方法
をいう。しかし、従来のドライプロセスでは、気相とい
うプラズマまたはイオンビームが用いられており、試料
表面に入射する電子、イオン、イオンビームの連動エネ
ルギーは数eV〜10’eVに分布していた(第1図参
照)、ところが、結晶中の原子のDisplacaI+
+ent Energy  (原子を正規の結晶格子位
置からずらすのに必要なエネルギー)Edは約10eV
である。例えば、Si結晶ではEd=12.9  eV
であるe  (G、 Carter and J、 S
Dry processes have been actively used in the field of surface treatment, particularly in the field of semiconductor device manufacturing, for about 10 years. Here, the dry process is a term used in contrast to the previous wet process (method using an aqueous solution), and refers to a method in which the sample surface is treated in a vacuum (including light) or in a gas phase. However, in conventional dry processes, gas-phase plasma or ion beams are used, and the interlocking energy of electrons, ions, and ion beams incident on the sample surface is distributed in the range of several eV to 10' eV (first ), however, the DisplacaI+ of atoms in the crystal
+ent Energy (energy required to shift atoms from their normal crystal lattice positions) Ed is approximately 10 eV
It is. For example, in Si crystal Ed=12.9 eV
(G, Carter and J, S
.

ColCo11i、  ”Ion Bombardme
nt of 5olids” 。
ColCo11i, “Ion Bombardme
nt of 5olids”.

Heineman Educational Book
s Ltd、 、 London。
Heineman Educational Book
s Ltd, , London.

196B、 p214) 、このため、従来、ドライプ
ロセスでは試料表面に損傷が不可避的に形成された。ま
た、このような高エネルギー粒子の入射によって試料温
度も上昇し、場合によっては300℃以上となった。こ
のような試料温度上昇は試料表面に別の結晶欠陥(損傷
)を形成したり、プロセスの適用範囲を極端に限定して
いた。また、このような高エネルギー粒子が試料近傍の
表面に入射するとこの表面物質を物理的、化学的にスパ
ッタし、これが試料表面に再付着して表面汚染を発生さ
せた。このような損傷、汚染、温度上昇は表面処理技術
、特に半導体素子製造技術においては致命的である。
196B, p. 214), for this reason, in the conventional dry process, damage was inevitably formed on the sample surface. Furthermore, the sample temperature also increased due to the incidence of such high-energy particles, reaching 300° C. or higher in some cases. Such an increase in sample temperature may result in the formation of other crystal defects (damages) on the sample surface or extremely limit the scope of process application. In addition, when such high-energy particles were incident on the surface near the sample, they physically and chemically sputtered the surface material, which re-attached to the sample surface and caused surface contamination. Such damage, contamination, and temperature rise are fatal in surface treatment technology, especially in semiconductor device manufacturing technology.

ドライプロセスにおいてなすべき本質的なことは、試料
表面または気相中での物理・化学反応を用いて試料表面
物質を除去したり(エツチング)、試料表面に物質を堆
積したり(デポジション、エピタキシー)、試料表面物
質を改質したり(酸化。
The essential things that must be done in a dry process are to remove substances from the sample surface using physical and chemical reactions on the sample surface or in the gas phase (etching), and to deposit substances on the sample surface (deposition, epitaxy). ), modifying the sample surface substance (oxidation.

窒化等)することである。この際に、物理反応よりむし
ろ化学反応が主役となる。これは、化学展     1
・応の方が変化に富んだ反応を実現できるからである。
nitriding, etc.). At this time, chemical reactions rather than physical reactions play a leading role. This is chemistry exhibition 1
・This is because it is possible to achieve a more varied reaction.

さて、第1図に示すように化学反応に関係したエネルギ
ー(化学結合エネルギー)は、0.1〜1oeVに分布
しており、結晶欠陥を発生させるエネルギーは約10e
Vである。したがって。
Now, as shown in Figure 1, the energy related to chemical reactions (chemical bond energy) is distributed between 0.1 and 1 oeV, and the energy that generates crystal defects is approximately 10eV.
It is V. therefore.

ドライプロセスを実行するために用いるエネルギーとし
ては0.1 〜10eVの範囲が最適である。
The optimal energy used to carry out the dry process is in the range of 0.1 to 10 eV.

これによって、損傷、汚染、温度上昇を発生させずにド
ライプロセスを実行できる。第1図に示すように、0.
1  eV〜10eVのエネルギーを供給するためには
、分子の振動準位または原子・分子の電子準位を用いる
ことが適切である。しかし一般に電子準位の寿命は短く
(約10−s〜1O−7sec ) 、電子準位励起さ
れた原子・分子を試料表面に必要量供給することは困難
である。一方、分子振動準位の寿命は10−”seeの
オーダーであり、そのエネルギーは、分子が他の原子・
分子、または表面と衝突しない限りほとんど失われるこ
とがない。したがって、ドライプロセスを実行するため
には1分子振動準位エネルギーを用いることが最適であ
る。以下、少なくとも分子振動準位が励起されている分
子(回転準位、電子準位が同時に励起されていてもよい
)を励起分子と呼ぶことにする。
This allows dry processes to be carried out without damage, contamination, or temperature increases. As shown in FIG.
In order to supply energy of 1 eV to 10 eV, it is appropriate to use the vibrational level of molecules or the electronic level of atoms/molecules. However, the lifetime of the electronic level is generally short (approximately 10-s to 10-7 sec), and it is difficult to supply the necessary amount of atoms and molecules excited at the electronic level to the sample surface. On the other hand, the lifetime of a molecular vibrational level is on the order of 10-"see, and its energy is
It is rarely lost unless it collides with molecules or surfaces. Therefore, it is optimal to use single molecule vibrational level energy to perform the dry process. Hereinafter, a molecule in which at least a molecular vibrational level is excited (a rotational level and an electronic level may be excited simultaneously) will be referred to as an excited molecule.

励起分子を試料表面に供給するためには、第2図(a)
に示すように1等方的な速度分布をしている励起分子集
団を用いる方法と、第2図(b)に示すように非等方的
な速度分布をしている励起分子集団(以下、励起分子ビ
ームと記す)を用いる方法がある。一般にドライプロセ
スでは試料表面に対して非等方的な処理(例えば、非等
方エツチング)が要求されることが多く、励起分子ビー
ムを用いるのが得策である。また、励起分子ビームを用
いることによってプロセスの制御性が向上する。
In order to supply excited molecules to the sample surface, Fig. 2(a)
There is a method using an excited molecular population with an isotropic velocity distribution as shown in Figure 2(b), and a method using an excited molecular population with an anisotropic velocity distribution as shown in Figure 2(b). There is a method using an excited molecular beam (referred to as an excited molecular beam). In general, dry processes often require anisotropic processing (for example, anisotropic etching) on the sample surface, so it is advisable to use an excited molecular beam. Furthermore, the use of an excited molecular beam improves process controllability.

本発明は、上記の考えにもとづき、分子振動励起された
励起分子ビームを用いた表面処理方法に特徴がある。
Based on the above idea, the present invention is characterized by a surface treatment method using an excited molecular beam excited by molecular vibration.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

本発明の一実施例を第3図により説明する。実施例は、
励起分子ビーム発生手段1.コリメータ2、試料3.試
料台4.真空室5より構成されている。励起分子ビーム
発生手段1は、ガス導入バルブ6、炉7.加熱手段8.
細孔9より構成されでいる。本実施例の励起分子ビーム
発生手段を加熱炉方式と呼ぶことにする。ガス導入バル
ブ6によって炉7内に導入されたガス分子(以下Mと記
す)は、加熱手段8によって必要な温度に加熱され、分
子振動準位が励起され一部が励起分子(以下M”と記す
)となる。加熱手段としては、電気的な抵抗加熱、赤外
線ランプによる加熱、RF加熱等が使用可能である。励
起分子は単数、または複数の細孔9から真空室5内へ噴
出することによって励起分子ビームとなる。励起分子ビ
ームはコリメータ2を通過することによって、速度方向
性のさらに揃ったものとなる6コリメータは、ビーム通
過方向に貫通した無数の細孔から形成されている。コリ
メータを通過した励起分子ビームは、く 試料3表面に到達して表面処理を行なう。試料3は試料
台4により保持されている。コリメータ2に冷却手段試
料台4に加熱、冷却手段を具備することも可能である。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Examples are:
Excited molecule beam generation means 1. Collimator 2, sample 3. Sample stage 4. It is composed of a vacuum chamber 5. The excited molecular beam generating means 1 includes a gas introduction valve 6, a furnace 7. Heating means8.
It is composed of pores 9. The excited molecule beam generating means of this embodiment will be referred to as a heating furnace method. Gas molecules (hereinafter referred to as M) introduced into the furnace 7 by the gas introduction valve 6 are heated to a required temperature by the heating means 8, and the molecular vibration level is excited, and some of them become excited molecules (hereinafter referred to as M''). As the heating means, electric resistance heating, heating with an infrared lamp, RF heating, etc. can be used.The excited molecules are ejected into the vacuum chamber 5 from one or more pores 9. The excited molecular beam becomes an excited molecular beam.By passing through the collimator 2, the excited molecular beam becomes more uniform in its velocity direction.6 The collimator is formed of countless pores penetrating in the beam passing direction.Collimator The excited molecular beam that has passed through reaches the surface of the sample 3 and performs surface treatment.The sample 3 is held by a sample stage 4.The collimator 2 is equipped with a cooling means, and the sample stage 4 is equipped with heating and cooling means. is also possible.

また、場合によっては、コリメータなしで表面処理を行
なうことも可能である。
In some cases, it is also possible to perform surface treatment without a collimator.

この場合、試料表面に到達する励起分子量(flux)
は増大するが、分子ビームの方向性が若干悪くなる。ま
た、大面積の試料を処理する場合(または、複数の試料
を処理する場合)は、試料台4と試料3をビームに対し
て一定角を有した乎面内(x −y面内)で駆動させる
ことによって、一様性の良い処理が可能となる。
In this case, the excited molecular weight (flux) reaching the sample surface is
increases, but the directionality of the molecular beam becomes slightly worse. In addition, when processing a large-area sample (or when processing multiple samples), place the sample stage 4 and sample 3 in a plane (in the x-y plane) that has a certain angle to the beam. By driving, it becomes possible to perform processing with good uniformity.

たとえば、Si(シリコン)試料表面をエツチングする
場合は、導入ガス分子としてSF、を用いることが有効
である。この場合のエツチング機構を以下に説明する。
For example, when etching the surface of a Si (silicon) sample, it is effective to use SF as the introduced gas molecules. The etching mechanism in this case will be explained below.

炉内に導入された5Fl1分子は加熱されて分子振動準
位が励起される0例えば、計算によると、炉内でのガス
圧力をI Torrにして800℃に加熱すると、SF
、分子の95%が E、1.≧3E、3         ・・・(1)4
よ、7□5.。、fiあゎう、エエ1、。9.1よ  
  耳分子振動準位の励起エネルギーである。
The 5Fl1 molecules introduced into the furnace are heated and their molecular vibrational levels are excited.For example, according to calculations, if the gas pressure in the furnace is set to I Torr and heated to 800°C, the SF
, 95% of the molecules are E, 1. ≧3E, 3...(1)4
Yo, 7□5. . , fi aww, eee1. 9.1
This is the excitation energy of the vibrational level of the ear molecule.

SF、分子は6種類の基本分子振動モードを有しており
、分子振動準位の励起エネルギー、Evtb 、は と記される。ここで、nlは自然数(0,1,2゜3、
・・・)であり、E9.は1番目の基本分子振動モード
の基本エネルギーである。E9.の具体的な値は、E 
、、* 0.09 e V 、E−2中0.08eV、
E、3中0.11e V、 E、、幸0.07e V、
 E、、中0.06eV。
SF molecules have six types of fundamental molecular vibration modes, and the excitation energy of the molecular vibration level, Evtb, is written as. Here, nl is a natural number (0, 1, 2°3,
), and E9. is the fundamental energy of the first fundamental molecular vibration mode. E9. The specific value of E
,,*0.09 eV, 0.08eV in E-2,
E, 0.11e V in 3, E,, happiness 0.07e V,
E,, medium 0.06 eV.

E vi 十〇、04 e Vである。E、、はSFG
が有している6種類の基本分子振動モードのうちの3番
目のモードの基本エネルギーであり、E v3−=0.
11 e Vである6以工、E、8.≧3E、1に励起
されたSF。
E vi 10, 04 e V. E,, is SFG
is the fundamental energy of the third mode of the six types of fundamental molecular vibration modes that E v3-=0.
11 e V, 6 and E, 8. ≧3E, SF excited to 1.

分子をS Fg” (v、 > 3)と記すことにする
。また、E 、、、> OのSFgを一般にSF−と記
すことにする。SF、分子が炉内で必要温度に加熱され
る(S F、分子の分子振動温度と炉温度が熱平衡に達
する)ためには、炉内体積を0.1cc以−ヒにすると
有効である。
The molecule will be denoted as SFg'' (v, > 3). Also, SFg with E, , > O will be generally denoted as SF-. SF, the molecule is heated to the required temperature in a furnace. In order to achieve thermal equilibrium (SF, the molecular vibrational temperature of the molecules and the furnace temperature), it is effective to set the furnace internal volume to 0.1 cc or more.

SF5は細孔9から真空中に噴出することによってS 
F、”ビームを形成する。噴出時の断熱膨張によって分
子振動励起エネルギーを失わないためには、細孔の直径
(円形でない場合は開口部の最小渡し長さ)を約1ff
a以下にすることが有効である。
SF5 is S by spouting out from the pore 9 into the vacuum.
F, "form a beam. In order not to lose molecular vibrational excitation energy due to adiabatic expansion during ejection, the diameter of the pore (the minimum length of the opening if it is not circular) should be approximately 1ff.
It is effective to make it less than a.

コリメータ2では、SF♂ビームの一部は内壁に衝突し
、一部は竺突することなくコリメータを通過する。内壁
に衝突したSF、”分子は分子振動励起エネルギーを失
ってしまうため、コリメータ通過後のSF♂ビームはそ
の速度分布が一方向により揃ったものとなる。
In collimator 2, part of the SF♂ beam collides with the inner wall, and part passes through the collimator without colliding. The SF♂ molecules that collide with the inner wall lose molecular vibrational excitation energy, so the velocity distribution of the SF♂ beam after passing through the collimator becomes more uniform in one direction.

Si試料表面に到達したSF2分子は1表面のSi原子
と 28F♂(g) + S 1(s) →SiF、(g)+ 2 S F、(g)  ・・・(
3)の反応を行ない、Si表面をエツチングする。ここ
で、(g)、(s)はそれぞれ分子が気相中、また試料
表面上に存在することを意味している。上記反応におけ
るSF、″(v3)3)の反応確率は約0.2 である
(T、J、Chuang、 J、Chsm、Phys、
 74 *1453  (1981)、p、1459)
The SF2 molecules that have reached the Si sample surface combine with the Si atoms on one surface 28F♂ (g) + S 1 (s) → SiF, (g) + 2 SF, (g) ... (
The reaction 3) is carried out to etch the Si surface. Here, (g) and (s) mean that the molecules are present in the gas phase or on the sample surface, respectively. The reaction probability of SF, ″(v3)3) in the above reaction is about 0.2 (T, J, Chuang, J, Chsm, Phys,
74 *1453 (1981), p. 1459)
.

第4図に本実施例の装置によりSiエツチングを行った
時のSiエツチング速さとSFGガス流量との関係を示
しである。エツチング速さは直径が4インチのSiウェ
ハーについて示した。実験条件は、炉温度が800℃、
炉内ガス圧力がITorrである6図から解るようにエ
ツチング速さとガス流量は比例関係にある。ガス流量が
1008CCIIIの時に得られるエツチング速さ57
.3nm/minは実用的要求を満足する値である。
FIG. 4 shows the relationship between the Si etching speed and the SFG gas flow rate when Si etching is performed using the apparatus of this embodiment. Etching rates are shown for a 4 inch diameter Si wafer. The experimental conditions were a furnace temperature of 800°C;
As can be seen from FIG. 6, where the gas pressure in the furnace is ITorr, there is a proportional relationship between the etching speed and the gas flow rate. Etching speed obtained when gas flow rate is 1008CCIII 57
.. 3 nm/min is a value that satisfies practical requirements.

本実施例の装置によって、半導体微細加工に不可欠なS
iの非等方エツチング(垂直エツチング)が実現する。
The apparatus of this example allows S
Anisotropic etching (vertical etching) of i is realized.

その機構は以下の通りである(第5図参照)、コリメー
タ2を通過したS F、”は試料3の表面に垂直に入射
してマスク10に被覆されない部分をエツチングする。
The mechanism is as follows (see FIG. 5): SF, which has passed through the collimator 2, is incident perpendicularly onto the surface of the sample 3 and etches the portion not covered by the mask 10.

エツチングが進行した時点でパターン底面11で反射し
たSF2がパターン側面12をエツチングする可能性が
生じる。
When the etching progresses, there is a possibility that the SF2 reflected from the bottom surface 11 of the pattern may etch the side surface 12 of the pattern.

しかし、底面11で反射したSFtはその分子振動エネ
ルギーを失ない基底状態の5Fa(以下SF1と記す)
になる(J、Misewich、C,N、Plum。
However, SFt reflected from the bottom surface 11 does not lose its molecular vibrational energy and is in the ground state of 5Fa (hereinafter referred to as SF1).
(J, Misewich, C, N, Plum.

G、Blyholdsr and P、L、1lous
ton、 J、Chem、Phys、。
G, Blyholdsr and P, L, 1lous
ton, J. Chem, Phys.

78 、4245 (1983)  )  。78, 4245 (1983)).

SF、@は化学的に安定であり、Siをエツチングしな
い。したがって、実際には側面12のエツチングは進行
しないことがわかる。この結果、非等方エツチング(垂
直エツチング)が実現する。
SF, @ is chemically stable and does not etch Si. Therefore, it can be seen that the etching of the side surface 12 does not actually progress. As a result, anisotropic etching (vertical etching) is realized.

本実施例の装置によりSiをエツチングする場合、入射
する分子の持っているエネルギーは、3 E、、=0.
33e Vの程度である。このエネルギーは、Siのd
isplacemant enargy (12、9a
 V)より十分に小さいため、Si表面に損傷が発生す
ることはない、また、試料近傍の物質が物理的にスパッ
タされることもないので、Si表面の汚染も発生しない
、また、入射する分子の持っているエネルギーが小さい
ことは試料表面の温度上昇が小さいことを意味する。こ
のため、従来のドライブ。ヤニ(プっズ、やイオッピ−
4を用いたG+7))      ”に比べ低温度(は
とんど室温に近い温度)でのプロセスが可能となる。
When etching Si using the apparatus of this embodiment, the energy of the incident molecules is 3E, , = 0.
It is on the order of 33eV. This energy is d
isplacement energy (12, 9a
V), so there is no damage to the Si surface, and substances near the sample are not physically sputtered, so there is no contamination of the Si surface. The small amount of energy possessed means that the temperature rise on the sample surface is small. For this reason, traditional drives. Yani (puss, yaioppi)
Compared to G+7)) using G4, it is possible to process at a lower temperature (almost close to room temperature).

本実施例ではSiのエツチングのみについて述べたが、
Si原子を構成成分として含む他の物質(多結晶、シリ
コン、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(S 
z 、N4) 、シリサイド(Si−W、51−Mo等
))のエツチングにも同様に適用できる。
In this example, only Si etching was described, but
Other substances containing Si atoms as a constituent (polycrystalline, silicon, silicon oxide (SiO2), silicon nitride (S
It can be similarly applied to etching of silicide (Si-W, 51-Mo, etc.)).

本実施例では分子振動励起された分子M8を形成するの
に加熱炉方式を用いている。この方法は、簡単な装置構
成で大量のM8を生成するのに適している。
In this embodiment, a heating furnace method is used to form molecules M8 subjected to molecular vibrational excitation. This method is suitable for producing a large amount of M8 with a simple device configuration.

第6図に本発明の別の実施例が示されている。Another embodiment of the invention is shown in FIG.

本実施例には、前実施例の加熱炉のかわりに赤外線レー
ザーを用いて励起分子ビームを得る方法が示しである。
This example shows a method of obtaining an excited molecule beam using an infrared laser instead of the heating furnace of the previous example.

装置は、ガス導入バルブ6セル13、ノズル14、噴出
口15.赤外線レーザー発生手段16、レンズ17、レ
ーザー導入窓18、および真空室5から構成されている
。ガス導入バルブ6から分子Mが導入され、セル13内
に一旦貯えられてからノズル14に導かれる。赤外線レ
ーザー発生手段16から発生した赤外線レーザーは、レ
ンズ17.レーザー導入窓18を通ってノズル14の途
中に集光される。ノズル内の分子Mの一部は上記レーザ
ーによって分子振動準位が励起され、励起分子M”とな
る@ M”は噴出口15を通って真空室5へ噴出し励起
分子ビームとなる。たとえば、SF、ガスの励起分子(
SF、”)ビームを得るためには上記MとしてSF、を
用い、赤外線レーザーとしては波長が10.6μm、出
力が5〜IOW、レーザービーム断面積が約20叫2の
連続発光のものを用いればよい。レーザー光を効率よく
ノズル内に導入するためには、レーザー導入窓18の材
料としてはZn5eが適している。
The device includes a gas introduction valve 6 cells 13, a nozzle 14, a spout 15. It is composed of an infrared laser generating means 16, a lens 17, a laser introduction window 18, and a vacuum chamber 5. Molecules M are introduced from the gas introduction valve 6, temporarily stored in the cell 13, and then guided to the nozzle 14. The infrared laser generated from the infrared laser generating means 16 is transmitted through the lens 17. The light passes through the laser introduction window 18 and is focused in the middle of the nozzle 14 . The molecular vibration level of a part of the molecules M in the nozzle is excited by the laser, and the excited molecules M'' are ejected into the vacuum chamber 5 through the ejection port 15 and become an excited molecule beam. For example, SF, excited molecules of gas (
SF,") To obtain a beam, use SF as the above M, and use an infrared laser that emits continuous light with a wavelength of 10.6 μm, an output of 5 to IOW, and a laser beam cross section of about 20. In order to efficiently introduce the laser beam into the nozzle, Zn5e is suitable as the material for the laser introduction window 18.

また、効率よ< S F、”を発生させるためには、セ
ル13内のガス圧力を約200 Torrにすると良い
Furthermore, in order to generate efficiency <SF, it is preferable to set the gas pressure inside the cell 13 to about 200 Torr.

また、ノズル14を金属(たとえば、八〇)で作り内壁
を鏡面状に加工すると、導入されたレーザー光がノズル
14内で多重反射(散乱)して効率よ< S Fr、を
励起することになる。本実施例の方法を用いると励起準
位の高い(E、、、の大きな)励起分子MX を容易に
得ることが出来る。一方、前実施例に比べて装置が大掛
かり高価になることが欠点である。
Moreover, if the nozzle 14 is made of metal (for example, 80) and the inner wall is processed into a mirror-like finish, the introduced laser light will be multiple reflected (scattered) within the nozzle 14 and will efficiently excite <S Fr. Become. By using the method of this example, an excited molecule MX having a high excited level (large E, . . . ) can be easily obtained. On the other hand, the disadvantage is that the apparatus is larger and more expensive than the previous embodiment.

第7図に本発明の別の実施例が示されている。Another embodiment of the invention is shown in FIG.

本実施例では、結晶のエピタキシーを低温で行なう方法
が示されている。以下、Si(シリコン)のエピタキシ
ーについて説明するが他の結晶のエピタキシーにも同様
の方法が適用可能である。装置は、励起分子ビーム発生
手段1、Siビーム発生手段19、試料3.試料台4お
よび真空室5から構成されている。励起分子ビーム発生
手段1の励起分子としてはSiを適当な速さでエツチン
グする分子、たとえばSF♂を用いる。また、試料台4
には適当な加熱手段が具備されているとする。
This example shows a method of performing crystal epitaxy at low temperatures. Although epitaxy of Si (silicon) will be described below, similar methods can be applied to epitaxy of other crystals. The apparatus includes an excited molecule beam generating means 1, a Si beam generating means 19, a sample 3. It consists of a sample stage 4 and a vacuum chamber 5. As the excited molecule of the excited molecule beam generating means 1, a molecule that etches Si at an appropriate speed, such as SF♂, is used. In addition, sample stage 4
is equipped with suitable heating means.

Siビーム発生手段19から飛来したSi原子またはS
i分子(Si、)は試料3の表面に付着して結晶を成長
させる。第8図には、Si結晶の成く 長過程が模式的に示しである。結晶側と表示したのは既
に正しいSi結晶が形成された部分を示し、最表面層と
表示したのはSi結晶が形成されている部分を示す0表
面に飛来した5iJj’[子の一部は第8図のSiAの
ように正しい結晶位置(正位置)に付着し、一部はSi
1のように正しくない結晶位置(不正位置)に付着する
。このままの状態で付着過程が進行すると、結晶は単結
晶でなく、多結晶として成長してしまう。本実施例の方
法は、励起分子(SFg”)ビームを用いて不正位置の
Si原子(Si”)のみを除去(エツチング)シ。
Si atoms or S flying from the Si beam generating means 19
The i molecules (Si, ) adhere to the surface of sample 3 and grow crystals. FIG. 8 schematically shows the growth process of Si crystal. The crystal side indicates the part where the correct Si crystal has already been formed, and the outermost layer indicates the part where the Si crystal has been formed. As shown in Fig. 8, SiA adheres to the correct crystal position (regular position), and some of the SiA
It attaches to the incorrect crystal position (incorrect position) as shown in 1. If the adhesion process continues in this state, the crystal will grow not as a single crystal but as a polycrystal. The method of this embodiment uses an excited molecule (SFg'') beam to remove (etch) only Si atoms (Si'') at incorrect positions.

正位置のSi原子(Si’)のみによる単結晶成長を可
能にさせるものである。このような、付着位置による選
択エツチングが可能なことは次のように説明される。即
ち、不正位置のSi原子と結晶側Siとの結合エネルギ
ーは、正位置のSi原子と結晶側Siとの結合エネルギ
ーよりも小さい。
This makes it possible to grow a single crystal using only Si atoms (Si') in the correct position. The fact that selective etching is possible depending on the deposition position is explained as follows. That is, the bonding energy between the Si atom at the wrong position and Si on the crystal side is smaller than the bonding energy between the Si atom at the correct position and Si on the crystal side.

したがって、励起分子S F、”の分子振動エネルギー
 (E−ah )を適当に選ぶことによって、Si’の
みを選択的にエツチングすることが可能となる。
Therefore, by appropriately selecting the molecular vibrational energy (E-ah) of the excited molecule SF, it becomes possible to selectively etch only Si'.

従来のSiエピタキシー(たとえば、分子ビームエピタ
キシー(MBE))では、試料を高温        
1(600〜800℃)に加熱して不正位置のSi原子
を熱運動で正位置に移行させることによって単結晶成長
を実現させていた。しかし、この方法では処理温度が高
過ぎて適用範囲が極めて限定されていた。本実施例の方
法を用いれば低温度(100”〜200℃)での単結晶
成長が可能となり、適用範囲が広くなる。特に将来の3
次元素子プロセスには極めて有効である0本実施例では
エピタキシー(単結晶成長)について述べたが、Mll
のE vlkの大きさを適当に選ぶことによって、適度
な大きさの粒度を持った多結晶膜を成長させることも可
能であるつこの場合はデポジション技術となる。
In conventional Si epitaxy (e.g., molecular beam epitaxy (MBE)), the sample is exposed to high temperature.
Single crystal growth was achieved by heating to 1 (600 to 800° C.) and moving the Si atoms in the wrong positions to the right positions by thermal movement. However, in this method, the processing temperature was too high and the range of application was extremely limited. If the method of this example is used, it becomes possible to grow single crystals at low temperatures (100" to 200°C), and the range of application will be widened. Especially in the future
This example describes epitaxy (single crystal growth), which is extremely effective for next-element elemental processes.
By appropriately selecting the size of E vlk , it is possible to grow a polycrystalline film with an appropriate grain size. In this case, a deposition technique is used.

第9図には本発明の別の実施例が示されている。Another embodiment of the invention is shown in FIG.

本実施例では励起分子ビームを用いて表面改質を行なう
方法が示されている6以下、励起酸素分子(0,”)ビ
ームによるSi(シリコン)表面の酸化について述べる
が、他の表面改質(例えば窒化)についても同様の方法
が適用できる。装置は励起分子ビーム発生手段1、試料
3、試料台4および真空室5から構成されている。試料
台には適当な加熱手段が具備されているとする。励起分
子ビーム発生手段1から試料(Si)表面に飛来した0
□8分子は、Si+O−→Sin、の反応によって表面
の酸化を行なう。本実施例の特徴は、o2プラズマや0
+イオンビームを用いた従来の方法に比べ、SiO□膜
とSi界面およびS i O,膜内の欠陥が極めて少な
いことである。また、SiO□膜内に他の不純物が混入
することもない。
This example shows a method of surface modification using an excited molecular beam. A similar method can be applied to (for example, nitriding).The apparatus is composed of an excited molecular beam generating means 1, a sample 3, a sample stage 4, and a vacuum chamber 5.The sample stage is equipped with an appropriate heating means. Assume that 0 is emitted from the excited molecular beam generating means 1 to the surface of the sample (Si).
The □8 molecules oxidize the surface by the reaction of Si+O-→Sin. The features of this embodiment include o2 plasma and
Compared to the conventional method using a positive ion beam, there are extremely few defects at the interface between the SiO□ film and Si, and within the SiO film. Further, other impurities are not mixed into the SiO□ film.

また、プロセス温度が従来法に比べ低くできる。Additionally, the process temperature can be lower than in conventional methods.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、必要最小限のエネルギーで表面化学反
応を進行させることができる。この結果、無損傷、無汚
染、低温度の表面処理が実現できる。
According to the present invention, surface chemical reactions can proceed with the minimum necessary energy. As a result, damage-free, non-contaminating, and low-temperature surface treatment can be achieved.

このような処理技術は、半導体素子製造分野において、
特に近将来実現が期待されている3次元構造の素子構造
において極めて有効となる。
Such processing technology is used in the field of semiconductor device manufacturing.
It is particularly effective for three-dimensional element structures that are expected to be realized in the near future.

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

第1図は各種エネルギーの概略値を示す図、第2図は等
方速度分布と非等方速度分布の状況を示す図、第3図は
本発明の一実施例を示し、特にエツチングの場合を示す
図、第4図は第3図の実施例におけるSiエツチング速
さとSFGガス流量の関係を示す図、第5図は第3図の
実施例における垂直エツチングの状況を示す図、第6図
は本発明の他の実施例を示し特にレーザーを用いた場合
の図、第7図は本発明の他の実施例を示し特にSiエピ
タキシーの場合の図、第8図は第7図の実施例における
Siエピタキシーの状況を示す図、第9図は、本発明の
さらに別の実施例で特に酸化の場合を示す図である。 1・・・励起分子ビーム発生手段、2・・・コリメータ
、3・・・試料、4・・・試料台、5・・・真空室、6
・・・ガス導入バルブ、7・・・炉、8・・・加熱手段
、9・・・細孔、10・・・マスク、11・・・パター
ン底面、12・・・パターン側面、13・・・セル、1
4・・・ノズル、15・・・噴出口、16・・・赤外線
レーザー発生手段、17・・・レンズ、18・・・レー
ザー導入窓、19・・・Siビーム第 1 口
Fig. 1 is a diagram showing approximate values of various energies, Fig. 2 is a diagram showing the situation of isotropic velocity distribution and anisotropic velocity distribution, and Fig. 3 is a diagram showing an embodiment of the present invention, especially in the case of etching. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between Si etching speed and SFG gas flow rate in the embodiment of FIG. 3, FIG. 5 is a diagram showing the vertical etching situation in the embodiment of FIG. 3, and FIG. 7 shows another embodiment of the present invention, particularly in the case of using a laser, FIG. 7 shows another embodiment of the present invention, particularly in the case of Si epitaxy, and FIG. 8 shows the embodiment of FIG. 7. FIG. 9 is a diagram showing the situation of Si epitaxy in still another embodiment of the present invention, particularly in the case of oxidation. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Excited molecule beam generation means, 2... Collimator, 3... Sample, 4... Sample stage, 5... Vacuum chamber, 6
... Gas introduction valve, 7... Furnace, 8... Heating means, 9... Pore, 10... Mask, 11... Pattern bottom surface, 12... Pattern side surface, 13...・Cell, 1
4... Nozzle, 15... Spout port, 16... Infrared laser generating means, 17... Lens, 18... Laser introduction window, 19... Si beam first port

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、分子振動準位が励起された分子から構成されるビー
ムを用いることを特徴とする表面処理方法。 2、前記分子がSF_6であることを特徴とする特許請
求の範囲第1項に記載の表面処理方法。 3、前記SF_6分子の励起ビームの発生のために加熱
炉を用いて前記分子を加熱することを特徴とする特許請
求の範囲第1項または第2項に記載の表面処理方法。
[Claims] 1. A surface treatment method characterized by using a beam composed of molecules whose molecular vibration levels are excited. 2. The surface treatment method according to claim 1, wherein the molecule is SF_6. 3. The surface treatment method according to claim 1 or 2, characterized in that the molecules are heated using a heating furnace to generate an excitation beam for the SF_6 molecules.
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