ガスクラスターイオンビームの改良された処理方法および装置
ガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）中のガスクラスターイオンエネルギー分布を修飾して、対象物を処理するための改良された装置および方法に関する。減圧環境下で、ビームに加圧領域を通過させることにより、高エネルギーガスクラスターイオンを発生させるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスクラスターイオンビームにより表面処理を行う方法および装置に関し、特に、表面処理効果が改善された、修飾ガスクラスターイオンビームの処理方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面処理のためにクラスターイオンビームを使用することは公知である（例えば、米国特許５８１４１９４；デグチら）。ガスクラスターとは、標準温度と圧力下で気体状態である物質のナノサイズ集合体のことを言う。そのようなガスクラスターは典型的には緩く結束した数個から数千個の分子から成る集合体で構成されている。クラスターは電子衝撃等によってイオン化でき、制御可能なエネルギーを有する方向性ビームにすることができる。そのようなイオンは典型的には、それぞれがｑ×ｅ（ｅは電荷であり、ｑは１以上の整数でクラスターイオンの荷電状態を表す）の正電荷を運搬する。非イオン化クラスターもまた、クラスターイオンビームの中に存在するかもしれない。大型クラスターイオンはしばしば最も有効である。なぜなら、クラスターイオン当たりのエネルギーを多量に運ぶことができるだけでなく、分子当たりのエネルギーは抑えることができるからである。クラスターは衝撃により分解し、個々の分子は全クラスターイオンのエネルギーのほんの一部を運搬しているだけである。その結果、大型クラスターイオンの衝撃効果は多大であるが、非常に浅い表面領域に限定される。このことから、クラスターイオンは様々な表面改質処理に有効利用でき、従来のモノマーイオンビーム処理による深い内層面の損傷を抑えることができる。
【０００３】
ガスクラスターイオンビーム（以下ＧＣＩＢという）の製造および加速方法は米国特許５８１４１９４に述べられている。ここでは、その内容を引用する。現在、利用可能なクラスターイオン源は多分散のサイズＮを有するクラスターイオンを発生させる（Ｎは各クラスターイオンの分子数、アルゴンのような単原子ガスの場合には、単原子ガスは分子として扱い、そのような単原子ガスのイオン化された原子は、分子イオンまたは単にモノマーイオンとして扱う）。
【０００４】
多くの有益な表面処理効果はＧＣＩＢｓで表面を衝撃処理することにより達成される。これらの処理には限定されないが、洗浄、平滑化、エッチング、ドーピング、膜形成ないし膜成長などが含まれる。多くの場合、ＧＣＩＢ処理によって産業上の実用的な生産を達成するために、ＧＣＩＢ電流が数百から数千マイクロアンペア必要であることが知られている。ＧＣＩＢの強度およびイオン化を増強する努力は、より高い電荷の状態のクラスター（ｑ＞１）の生産に向けられている。イオン化が電子衝撃によって行われるとき、ランダムな電子衝撃が進行する。非イオン化されたクラスターに対するイオン化されたクラスターの比率を高めるためには、電子衝撃が高くなければならず、その荷電状態の分布はおおよそ以下のポアソン統計式Ｐ（ｑ）に近似する。
【０００５】
（式１）
【０００６】
（式中、ｑは荷電、
はイオナイザー処理後の平均イオン化クラスターの電荷状態を示す。）
【０００７】
このように、高くイオン化されたクラスタービームは、ビーム中に高度に荷電したクラスターイオンを含んでいる。たとえば、理論的にＧＣＩＢの９５％の荷電状態が平均して３とすれば、８％以上が６以上の荷電を有する。しかし、そのような高荷電状態のクラスターは、荷電交換反応や、部分的に蒸発し得るので、荷電状態の分布やエネルギー分布が異なることとなり、実用的ビームにおいては正確な荷電状態、エネルギー分布を容易には予測できない。
【０００８】
従来技術においては、イオンビームの最適な運搬は低圧力状態下に達成されると理解されている。また、産業上の経済的スケールにおいて、物質表面の効率的な処理のために通常必要とされる適度な高強度ＧＣＩＢｓが、ガスクラスターイオンの形で本質的な量のガスを標的部位に運搬されることも知られている。ＧＣＩＢのガスクラスターイオンが標的に到達したとき、クラスターは分解して分子状のガスとして放出される。ＧＣＩＢが標的部位に衝突し、ビーム全体のガス負荷が放出されるのである。アルゴンビームの有するビーム電流をＩＢとし、ガス流をＦ（ｓｃｃｍ）とすると、ビームの運搬は下式により表される。
【０００９】
（式２）
【００１０】
この式によれば、ビーム電流４００μＡでＮ/q比５０００のとき、ビームは２７ｓｃｃｍのガス流を運搬する。典型的なＧＣＩＢ処理装置の場合には、このガス負荷に対する低圧環境維持のために、大容量、複数の真空ポンプが採用される。
【００１１】
高強度ＧＣＩＢｓは多様な荷電状態のクラスターを含んでおり、加速電圧ＶＡｃｃ（数ｋＶ程度）で加速すると、ビームに対してｑ値が加わり、ｑ・ＶＡｃｃの増加したエネルギーをもつクラスターが生成する。一般的に、対象物の表面をＧＣＩＢを用いて処理すると得られる多くの有益な効果は、ビーム内のガスクラスターイオンのエネルギーに依存している。たとえば、表面のエッチングは、高いエネルギーのクラスターを用いればより早く進行する。ＧＣＩＢ処理の他の有利な適用としては、表面のスムージング（平滑化）があり、他の方法に比べて原子或いは近原子レベルで優れた効果を示す。ある種のビーム状態におけるＧＣＩＢによる表面処理は、例外的平滑面を生じるが、ＧＣＩＢ処理が表面を常に平滑にするとは限らないことに留意すべきである。事実、初期表面が比較的平滑であるときは、ＧＣＩＢ処理により却って表面を荒らす場合もある。表面のエッチングやスムージングは、状況に応じて実施する。処理条件を最適化する通常の技術（たとえば、クラスターガス源の選択や、加速電圧の選択、ＧＣＩＢ電流の選択、ＧＣＩＢ処理方法の選択など）を使用するとき、すでに平滑な表面に対する、適度なエッチング速度（同時に進行するスムージング速度）や表面を荒らさないようにする適当なＧＣＩＢビームの条件がしばしば見つからない。ＧＣＩＢ処理による進取的なエッチング速度は、通常高エネルギー、高強度のＧＣＩＢ状態を必要とするが、表面を荒らさず平滑化するためには、低いエネルギーの（もしくはエッチングのためには実用的ではない状態の）ビームが望ましいことも知られているのである。そのような場合、所望の目的を達成するためにいくつかのＧＣＩＢステップを組み合わせることが必要であった。そのようなプロセスとしては、最初のビーム状態を進取的（aggressive）なエッチングができる条件、次いで最初のエッチングにより生じた荒さを減少させるようなエッチング条件、そしてエッチングが生じないがスムージングできるような条件による他のステップを適用する。そのようなステップの組み合わせもしくは複合化は、期待される最終的な結果には到達していないけれども、ある重要なプロセスにおいて低い生産性ではあるが技術的には知られている。たとえば、フェンナーらの米国特許６３７５７９０には、多段階の処理をＧＣＩＢ処理装置に適用させて、そのような複合処理が可能であることを開示している。
【００１２】
ＧＣＩＢの形成にイオン化ガスクラスターの生産に有効なイオナイザーを適用すると、広い範囲のイオン化された状態のビームが得られるが、これらは対象物のＧＣＩＢ処理による高生産性が求められる場合に必要な強力なビーム（式１で示すような）の生産条件では、特にマルチイオン化されたガスクラスターが含まれている。そのようなビームに、適度なエッチング速度を得るためのエネルギーを与えるのに十分な状態で加速されると、表面のスムージングだけでなく、表面を荒らす方向にも作用する。この問題は、ＧＣＩＢプロセスの複合化または多段階化によって少なくとも軽減はされるが、所望の速度での生産性を上げてはいない。さらに、多くの異なるビーム状態を有する複合化処理であっても、究極レベルの平滑化は得られておらず、他の重要な処理方法が必要とされているのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述の通り、本発明の目的は、良好なエッチング能力だけでなく良好なスムージング能力を有するビームを形成する特徴を有するＧＣＩＢの修飾方法を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明の他の目的は、より表面のスムージング能力が改善されたビームを形成する特徴を有するＧＣＩＢの修飾方法を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、対象物を高いエッチング速度で、究極の平滑面を形成するための能力を有するＧＣＩＢを修飾する装置を提供することを目的とする。
【００１６】
そしてまた、他の目的は、より表面のスムージング能力が改善されたＧＣＩＢの製造装置であって、ＧＣＩＢを修飾する装置を提供することを目的とする。
【００１７】
そして、これらの目的は本発明における、ＧＣＩＢの形成の間に環境圧力およびその幾何学的コントロールによって達成された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の理解を助けるため、以下に図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
図１は従来技術による典型的なＧＣＩＢ処理装置１００の基本構成を示す概略図である。この装置の真空容器１０２は３つの連通チャンバーであるビーム源チャンバ１０４、イオン化／加速チャンバ１０６および処理チャンバ１０８に分割されている。これらの３つのチャンバはそれぞれ真空ポンプシステム１４６ａ、１４６ｂおよび１４６ｃで適当な作動圧に減圧されている。ガス保存シリンダ１１１に保存された濃縮性ガス１１２（たとえばアルゴンまたはＮ２）はガス測定バルブ１１３とガス供給チューブ１１４を介して滞留チャンバ１１６に圧力下で送られ、適当な形状のノズル１１０を介して低圧の真空チャンバ内に放出される。そこで超音速ガスジェット１１８が発生する。ジェット流の膨張により冷却され、ガスジェット１１８の一部がクラスターに濃縮される。それぞれのクラスターは数個から数千個の弱い結合原子または分子で構成される。高圧が有害である下流領域（たとえばイオナイザー１２２、高電圧電極１２６、処理チャンバ１０８）で圧力を最小にするために、クラスタージェットから、クラスタージェットに濃縮されなかったガス分子を、ガススキマー開口部１２０が部分的に分離する。ここで適当な濃縮性ガス１１２は、限定されないが、アルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素、その他のガスおよびガス混合物である。
【００２０】
ガスクラスターを含んだ超音速ガスジェット１１８が形成された後に、クラスターはイオナイザー１２２内でイオン化される。イオナイザー１２２は典型的には電子衝撃型イオナイザーであり、１以上の白熱フィラメント１２４から熱電子を発生させ、電子を加速および指向させて、イオナイザー１２２をジェットが通過する際にガスジェット１１８内のガスクラスターと衝突させる。電子衝撃によって電子がクラスタから飛び出し、クラスターの一部が正にイオン化される。またあるクラスターは１個以上の電子を放出し、多重イオン化（multiply ionized）される。適切にバイアスされた高電圧電極１２６のセットはイオナイザーからクラスターイオンを抽出して、ビームを形成および加速して所望のエネルギー（典型的には数百Ｖから数百ｋＶあるいはそれ以上）を与え、それらを合焦（focuses）させてＧＣＩＢ１２８を形成させる。フィラメント電源１３６は、フィラメントに電圧Ｖｆを与え、イオナイザーフィラメント１２４を加熱する。アノード電源１３４はアノード電圧ＶＡを与えフィラメント１２４から飛び出す熱電子を加速してクラスター含有ガスジェット１１８を照射してイオンを発生させる。導出電源１３８は導出電圧ＶＥを与え高電圧電極をバイアスしてイオナイザー１２２のイオン化領域からイオンを導出し、ＧＣＩＢ１２８を形成する。加速電源１４０は加速電圧ＶＡｃｃを与え、イオナイザー１２２に関する高電圧電極をバイアスし、全ＧＣＩＢ加速ポテンシャルをＶＡｃｃと等しくする。一以上のレンズ電源（１４２、１４４など）が与えられ、焦点電位（ＶＬ１、ＶＬ２など）の高電圧電極をバイアスしてＧＣＩＢ１２８を焦点させる。
【００２１】
ＧＣＩＢで処理される半導体ウェハーまたは他の対象物である対象物１５２は対象物ホルダー１５０に保持され、ＧＣＩＢ１２８の通路内に配置される。ほとんどの適用形態では、大型対象物を空間的に均質に処理することを期待するので、スキャン処理システムは空間的に同種の結果を生じるように大きなエリアでＧＣＩＢ１２８を均質にスキャンすることが望ましい。
【００２２】
ＧＣＩＢ１２８は変化せず、軸１２９を有し、対象物１５２はその表面をＧＣＩＢ１２８によって効果的に処理するために機械的にスキャンされる。Ｘスキャンアクチュエーター２０２は対象物ホルダー１５０に直線運動を与え、紙面に対して垂直方向への動作２０８を行う。Ｙスキャンアクチュエーター２０４は対象物ホルダー１５０に同様に直線運動を与え、Ｘスキャン動作２０８に直交するようにＹスキャン動作２１０の方向へ動かす。ＸスキャンとＹスキャン動作の組み合わせによって、対象物ホルダー１５０に保持された対象物１５２が動かされ、ＧＣＩＢ１２８を通してラスターの様な（raster- like）なスキャン動作をすることにより、ＧＣＩＢ１２８による対象物１２８表面の均質な（もしくはプログラムされた）照射が行われる。対象物１５２をＧＣＩＢ１２８の軸に対して傾斜して、対象物ホルダー１５０に保持することにより対象物１５２の表面に対するビーム入射角２０６を持たせる。ビーム入射角２０６は通常９０度もしくはそれ以外の角度であってよく、典型的には９０度または９０度近辺である。Ｙスキャン処理の間に、対象物ホルダー１５０に保持された対象物１５２は１５２Ａと１５０Ａで示された位置を交互に移動する。これら２つの位置間での移動中に対象物１５２がＧＣＩＢ１２８のスキャンを受け、両端の位置においてはＧＣＩＢ１２８の通路から完全にはずれている（オーバースキャン）ことが分かる。図１には明確に示されてはいないけれども、Ｘスキャン動作の方向２０８（紙面に対して垂直方向）に対しても同様にスキャンおよびオーバースキャンがされているのである。
【００２３】
ビーム電流センサ２１８はＧＣＩＢ１２８の通路の対象物ホルダー１５０の後ろに設けられ、対象物ホルダー１５０がＧＣＩＢ１２８の通路をスキャンアウトされたときＧＣＩＢ１２８のサンプルをとらえる（intercept）。ビーム電流センサ２１８は典型的にはファラデーカップなどであり、ビームの入射口を除いて閉じられており、電気絶縁マウント２１２で真空容器１０２の壁に固定されている。
【００２４】
マイコンベースのコントローラ２２０はＸスキャンアクチュエーター２０２とＹスキャンアクチュエーター２０４に電気的ケーブル２１６を介して接続され、両アクチュエーターを制御して対象物１５２がＧＣＩＢ１２８の内外に出入りさせ、ＧＣＩＢ１２８に対して均一的にスキャンし、ＧＣＩＢ１２８による対象物１５２の適切な処理を実現する。コントローラ２２０はリード２１４を介してビーム電流センサ２１８で集められるビーム電流のサンプルを受信し、ＧＣＩＢをモニターし、所定のＧＣＩＢ照射量が投射されたときにＧＣＩＢ１２８から対象物１５２を取り除くことによりＧＣＩＢの照射量を制御する。
【００２５】
図２は本発明の具体例としてＧＣＩＢ処理装置３００の概略を示す。調節壁（ｂａｆｆｌｅ）３０２（複数の調節板を用いても良いが、例では簡略化するために一枚の板のみ示している）は分離された圧力チャンバ３０４を形成し、イオン化／加速化チャンバ１０６および処理チャンバ１０８の圧力よりも高い圧力を加えることができる。
【００２６】
イオン化／加速化チャンバ１０６はＧＣＩＢ１２８を圧力チャンバ３０４へ導入するためのイオン化／加速化チャンバ開口部３０６を有している。調節壁３０２は、圧力チャンバ３０４からＧＣＩＢ１２８の出口となる圧力チャンバ開口部３０８を有する。圧力チャンバ３０４を通過するＧＣＩＢ１２８は、その通路Ｄ１に沿った、長さｄ１を有する。また調節壁３０２は、処理チャンバ１０８に対して１以上の開口部３１０を有していてもよい。圧力チャンバから処理チャンバ１０８通じるこの圧力チャンバ開口部３０８および付加的な開口部３１０は、トータルのガスコンダクタンスＣＰを有する。イオン化／加速化チャンバ３０６のガスコンダクタンスはＣＡである。圧縮ガス３１４はガス保存シリンダ３１２内に保存されている。圧縮ガス３１４は好ましくは不活性ガスであり、好適にはアルゴンである。ガス計測バルブ３１６は好ましくはマスフローコントロールタイプの計測バルブであり、ガス供給チューブ３１８およびディフューザ３２０を通して圧力チャンバ３０４に圧縮ガス３１４を調整しつつ流している。圧力チャンバ３０４に導入されたガス３１４は、イオン化／加速化チャンバ１０６および処理チャンバ１０８の基礎圧力と比較して、圧力チャンバ３０４内を加圧する。
【００２７】
ＱＩＮはディフューザ３２０を通して圧力チャンバ３０４内に流れ込むガス流量を示す。
ＱＡは圧力チャンバ３０４とイオン化／加速化チャンバ１０６の間のイオン化／加速化チャンバ開口部３０６を通る流量を示す。
ＱＰは圧力チャンバ３０４と処理チャンバ１０８の間の圧力チャンバ開口部３０８および開口部３１０を通る流量を示す。
ＰＣは圧力チャンバ３０４内の真空圧を示し、
ＰＰは処理チャンバ１０８内の真空圧を示し、（図２には示されてはいないが）通常の真空圧ゲージを用いて測定した値であり、
ＰＡはイオン化／加速化チャンバ１０６内の真空圧を示し、前記同様に測定した値である。
前記を用いて以下の式にて表すことができる。
【００２８】
【００２９】
コンダクタンスＣＡおよびＣＰは計算もしくは経験上決定でき、ＱＩＮはガス計測バルブ３１６（好ましくはマスフローコントロールバルブ）によって制御できる。またＰＣおよびＰＡは通常の真空圧センサを用いて測定できるから、式５（もしくは式６の条件が満たされれば式７）を使用することによって、ＰＣが既知量として表されるので、ガス計測バルブ３１６の調整により容易に制御することができる。
【００３０】
また、任意に、圧力センサ３２２は圧力チャンバ３０４の中に設けることもできる。圧力センサ３２２はケーブル３２４によって圧力コントローラおよび読み出し表示装置３２６とつながっている。圧力コントローラと読み出し表示装置３２６は圧力チャンバ３０４内の圧力を直接読み取る。
【００３１】
圧力チャンバ３０４はＰＡおよびＰＰより高い圧力ＰＣを有する。ＧＣＩＢ１２８は高圧の圧力チャンバー３０４を通過するので、以下に示されるように、ＧＣＩＢの特性はその処理の適合性を向上させる方向で修飾される。ＧＣＩＢの修飾の程度は圧力ＰＣおよび圧力チャンバ３０４内のＧＣＩＢの通過距離ｄ１に関係がある。より明確には、ＰＣがＧＣＩＢ通路Ｄ１に沿ってほぼ一定の時は、ＧＣＩＢ特性の修飾程度は、圧力ＰＣと距離ｄ１の積に（ＰＣｄ１）に関係する。圧力チャンバ内の圧力ＰＣが通路Ｄ１に沿っていくらかの空間的変化を持っているときは、ＧＣＩＢ特性の修飾程度は、通路Ｄ１（圧力−距離のインテグラル（ＰＤＩ））に沿って、０からｄ１までの積分（ＰＣ（ｘ）・ｄｘ）に関係する。圧力−通路距離の積および／またはＰＤＩは共に単位（torr・cm）として表すことができる。
【００３２】
図３は本発明の第二の具体例であるＧＣＩＢ処理装置３５０を表す概略図である。圧縮ガス３１４はガス保存シリンダ３１２内に保存されている。圧縮ガス３１４はたとえばアルゴンのような不活性ガスが好ましい。マスフローコントロールバルブ３５２は、圧力チャンバ３０４内のガス供給チューブ３１８およびディフューザ３２０を通る圧縮ガス３１４の流れを制御する。マイクロプロセッサベースのプログラム可能な多目的コントローラ３５８は、ＧＣＩＢ処理装置３５０の部分的ないし全体の制御に用いられ、圧力センサ３２２からケーブル３２４、圧力センサコントローラおよび読み出し表示装置３２６、ケーブル３６０を通して圧力チャンバ３０４内の圧力測定信号を受信する。コントローラ３５８はまたケーブル３６０、マスフローコントローラ３５６、ケーブル３５４を通してマスフローコントロールバルブ３５２を制御し、圧力チャンバ３０４内へのガス３１４の流入をセットし調整する。圧力センサ３２２からの圧力測定信号が利用されるかどうかに応じて、コントローラ３５８は開ループもしくは閉ループの制御アルゴリズムによる圧力チャンバ３０４内の圧力ＰＣを制御する能力を有する。コントローラ３５８は他のセンサからの信号も受信し、ケーブル３６０を通してＧＣＩＢ処理装置３５０の総合制御の一部として他のシステムへ制御信号を送信する。これら他の接続は識別子（identifier）３６２によって表される。
【００３３】
図４は本発明の第三の具体例であるＧＣＩＢ処理装置４００を表す概略図である。イオン化／加速化チャンバ１０６と処理チャンバ１０８は互いに連通しており、実質的に同じ圧力ＰＰ２を有する。圧力セル４０２は、ＰＰ２よりも高い圧力ＰＣ２を、その圧力セル内部４０８においてかけることができる。圧力セル４０２は圧力セル入口開口部４０４と圧力セル出口開口部４０６を有する。ＧＣＩＢ１２８は開口部４０４を通って圧力セル４０２内に入り開口部４０６を通って圧力セルから出る。圧力セル４０２を通るＧＣＩＢ１２８の通路Ｄ２は、長さｄ２を有する。圧力セル入り口４０４と出口４０６はトータルガスコンダクタンスＣＰ２を有する。圧縮ガス３１４は、ガス保存シリンダ３１２内に保存されている。圧縮ガス３１４はたとえばアルゴンのような不活性ガスが好ましい。マスフローコントロールバルブ３５２は、ガス供給チューブ３１８およびディフューザ４１０を通って圧力セル４０２内への圧縮ガス３１４の流入を制御する。この具体例における多目的コントローラ３５８もまた、マイクロプロセッサベースのプログラム可能であり、ＧＣＩＢ処理装置４００の部分的ないし全体の制御に用いられ、ケーブル３２４、圧力センサコントローラおよび読み出し表示装置３２６、ケーブル３６０を通して圧力センサ４１２から測定圧力信号をＰＰ２として受信する。コントローラ３５８はまた、ケーブル３６０、マスフローコントロールバルブコントローラ３５６、ケーブル３５４を通してマスフローコントロールバルブ３５２を制御し、圧力チャンバ３０４内のガス３１４の流れをセットし調整する。圧力センサ４１２からの圧力測定信号が利用されるかどうかに応じて、コントローラ３５８は開ループもしくは閉ループの制御アルゴリズムによる圧力セル４０２内の圧力ＰＣ２を制御する能力を有する。本発明に式１２を適用することにより実施可能であるので、圧力ＰＰ２を測定することは必ずしも不可欠ではない。コントローラ３５８は他のセンサからの信号も受信し、ケーブル３６０を介してＧＣＩＢ処理装置３５０の総合制御の一部として他のシステムへ制御信号を送信する。これら他の接続は識別子３６２によって表される。
【００３４】
ＱＩＮ２はディフューザ４１０を通して圧力セル４０２内に流れ込むガス流量を示す。
ＱＰ２は処理チャンバ１０８とイオン化／加速化チャンバ１０６の間にある圧力セル４０２の、入口４０４から出口４０６を通して全体の流量を表す。
ＰＣ２は圧力セル４０２内の真空圧を示し、
ＰＰ２は処理チャンバ１０８およびイオン化／加速化チャンバ１０６内の真空圧を示し、圧力センサ４１２を用いて測定した値である。
前記を用いて以下の式にて表すことができる。
【００３５】
【００３６】
コンダクタンスＣＰ２は計算もしくは経験上決定でき、ＱＩＮ２はマスフローコントロールバルブ３５２によって制御される。またＰＰ２は、圧力センサ４１２を用いて測定でき、式１０（もしくは式１１の条件が満たされれば式１２）として示される。さらにＰＣ２は既知の量として表され、マスフローコントロールバルブ３５２を調整することによって、容易に制御することができる。
【００３７】
運転中は、圧力セル４０２はＰＰ２よりも高い圧力で操作される。ＧＣＩＢ１２８が圧力が上昇した圧力セル４０２を通るときに、ＧＣＩＢの特徴が修飾されて、ある種のＧＣＩＢ処理の適合性を向上させるように改善される。ＧＣＩＢの特徴が修飾される程度は、圧力ＰＣ２に関連し、圧力セル４０２中のＧＣＩＢ通路の長さｄ２に関連する。さらに明確には、ＰＣ２は、ＧＣＩＢ通路Ｄ２に沿っておおよそ一定である場合、ＧＣＩＢの特徴を修飾する程度は、圧力ＰＣ２と長さｄ２の積（ＰＣ２・ｄ２）に依存する。また圧力セル内の圧力ＰＣ２が通路Ｄ２に沿って空間的に変化する場合には、ＧＣＩＢ特性の修飾程度は通路Ｄ２に沿って、０からｄ１までの積分（ＰＣ２（ｘ）・ｄｘ）（圧力−距離のインテグラル（ＰＤＩ））に関係する。圧力と通路長さの積および／またはＰＤＩはともに、単位（torr・cm）として表すことができる。
【００３８】
図５はケースＡからＧまで圧力セル内の圧力条件を変化させてＧＣＩＢ特性を測定した結果を示すグラフである。オリジナルＧＣＩＢは３０ｋＶの電位差によって加速されたアルゴンガスクラスターイオンビームである。グラフは、ガスクラスターイオンの分布（縦軸、任意の単位）と対するガスクラスターイオンエネルギーを電荷で割った値（横軸、ｋｅＶ／ｑ）をプロットしたものである。ケースＡからＧまでは、圧力セルのＰＤＩ値を１．０×１０−４から１．３×１０−３torr-cmまで変化させたものである。ケースＡの１．０×１０−４torr-cmでは、実質的に圧力セルがほとんど無いに等しいケースであるが、ガスクラスターイオンエネルギーは２２ｋｅＶ／ｑ近傍に狭いピークを示している。ＰＤＩ値を上げると、分布が広がってエネルギー分布のピークが低い方に動いていく。このようなエネルギー分布の修飾は単にビーム加速電位を下げることによって（本発明を用いないで）は得られない。より大きなＰＤＩ値から得られるこのような分布は、ＧＣＩＢに高いスムージング性能を与え、低いエッチングの速度を与える。
【００３９】
図６はＰＤＩ値に対するＧＣＩＢのエッチング速度を示したグラフである。この場合の対象物はＳｉＯ２表面を有し、３０ｋＶの加速電圧によってアルゴンＧＣＩＢを加速して処理され、３×１０１５のガスクラスターイオン／ｃｍ２の全量で照射されたものである。エッチング速度はＰＤＩ値が増加するに従ってゆっくりと低下し、高いＰＤＩ値になると速度低下が急激におこり、そしてほぼゼロに近づく。
【００４０】
図７はＰＤＩ値に対する処理後の表面粗度を原子間力顕微鏡を用いて測定したグラフである。この場合の対象物はＳｉＯ２表面を有し、３０ｋＶの加速電圧によってアルゴンＧＣＩＢを加速して処理され、３×１０１５のガスクラスターイオン／ｃｍ２の全量で照射されたものである。低いＰＤＩ値では、ＰＤＩ値が増加するに従って急激に荒さが解消され、高いＰＤＩ値になると粗度が低レベルで落ちついて、さらなる効果増進はない。
【００４１】
図６および７についてはＳｉＯ２のエッチングおよび平滑化について示した。しかし、同様な結果は他の材料であっても得られ、たとえば金属や、酸化物、セラミックス、半導体、などにおいても同様である。ＰＤＩ（または圧力−通路長の積）が５×１０−４torr-cmより大きいと、（表面が荒らされることなしに）有意な平滑化が達成され、エッチング速度の減少も少ない。高いエッチング速度ならびに、優れた平滑化および／または表面が荒らされることのない処理は、従来のＧＣＩＢ源の調整や、加速化電圧の調整によっては得られないことが多い。ＰＤＩ値を高めることによって、エッチング速度が次第に低下するが、高度な平滑化が得られる。高いＰＤＩ値においては、従来のＧＣＩＢ源の調整によっては得られなかったレベルの平滑化が多くの物質において得られるのである。
【００４２】
以上、本発明を種々な具体例を示して説明したが、本発明の思想の範囲内でそのほかの様々な改良・改善が可能であると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は従来技術のＧＣＩＢ処理装置の基本的構成を示す概略図である。
【図２】図２は本発明の具体例であるＧＣＩＢ処理装置３００を示す概略図である。
【図３】図３は本発明の第二の具体例であるＧＣＩＢ処理装置３５０を示す概略図である。
【図４】図４は本発明の第三の具体例であるＧＣＩＢ処理装置４００を示す概略図である。
【図５】図５は種々の圧力状態で、圧力セル内を通過させたときのＧＣＩＢの特性を測定したグラフである。
【図６】図６はＧＣＩＢのエッチング速度をＰＤＩ（圧力−距離を積分した）値と対比したグラフである。
【図７】図７はＰＤＩ値による表面粗度を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定したグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスクラスターイオンビームにより表面処理を行う方法および装置に関し、特に、表面処理効果が改善された、修飾ガスクラスターイオンビームの処理方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面処理のためにクラスターイオンビームを使用することは公知である（例えば、米国特許５８１４１９４；デグチら）。ガスクラスターとは、標準温度と圧力下で気体状態である物質のナノサイズ集合体のことを言う。そのようなガスクラスターは典型的には緩く結束した数個から数千個の分子から成る集合体で構成されている。クラスターは電子衝撃等によってイオン化でき、制御可能なエネルギーを有する方向性ビームにすることができる。そのようなイオンは典型的には、それぞれがｑ×ｅ（ｅは電荷であり、ｑは１以上の整数でクラスターイオンの荷電状態を表す）の正電荷を運搬する。非イオン化クラスターもまた、クラスターイオンビームの中に存在するかもしれない。大型クラスターイオンはしばしば最も有効である。なぜなら、クラスターイオン当たりのエネルギーを多量に運ぶことができるだけでなく、分子当たりのエネルギーは抑えることができるからである。クラスターは衝撃により分解し、個々の分子は全クラスターイオンのエネルギーのほんの一部を運搬しているだけである。その結果、大型クラスターイオンの衝撃効果は多大であるが、非常に浅い表面領域に限定される。このことから、クラスターイオンは様々な表面改質処理に有効利用でき、従来のモノマーイオンビーム処理による深い内層面の損傷を抑えることができる。
【０００３】
ガスクラスターイオンビーム（以下ＧＣＩＢという）の製造および加速方法は米国特許５８１４１９４に述べられている。ここでは、その内容を引用する。現在、利用可能なクラスターイオン源は多分散のサイズＮを有するクラスターイオンを発生させる（Ｎは各クラスターイオンの分子数、アルゴンのような単原子ガスの場合には、単原子ガスは分子として扱い、そのような単原子ガスのイオン化された原子は、分子イオンまたは単にモノマーイオンとして扱う）。
【０００４】
多くの有益な表面処理効果はＧＣＩＢｓで表面を衝撃処理することにより達成される。これらの処理には限定されないが、洗浄、平滑化、エッチング、ドーピング、膜形成ないし膜成長などが含まれる。多くの場合、ＧＣＩＢ処理によって産業上の実用的な生産を達成するために、ＧＣＩＢ電流が数百から数千マイクロアンペア必要であることが知られている。ＧＣＩＢの強度およびイオン化を増強する努力は、より高い電荷の状態のクラスター（ｑ＞１）の生産に向けられている。イオン化が電子衝撃によって行われるとき、ランダムな電子衝撃が進行する。非イオン化されたクラスターに対するイオン化されたクラスターの比率を高めるためには、電子衝撃が高くなければならず、その荷電状態の分布はおおよそ以下のポアソン統計式Ｐ（ｑ）に近似する。
【０００５】
（式１）
【０００６】
（式中、ｑは荷電、
はイオナイザー処理後の平均イオン化クラスターの電荷状態を示す。）
【０００７】
このように、高くイオン化されたクラスタービームは、ビーム中に高度に荷電したクラスターイオンを含んでいる。たとえば、理論的にＧＣＩＢの９５％の荷電状態が平均して３とすれば、８％以上が６以上の荷電を有する。しかし、そのような高荷電状態のクラスターは、荷電交換反応や、部分的に蒸発し得るので、荷電状態の分布やエネルギー分布が異なることとなり、実用的ビームにおいては正確な荷電状態、エネルギー分布を容易には予測できない。
【０００８】
従来技術においては、イオンビームの最適な運搬は低圧力状態下に達成されると理解されている。また、産業上の経済的スケールにおいて、物質表面の効率的な処理のために通常必要とされる適度な高強度ＧＣＩＢｓが、ガスクラスターイオンの形で本質的な量のガスを標的部位に運搬されることも知られている。ＧＣＩＢのガスクラスターイオンが標的に到達したとき、クラスターは分解して分子状のガスとして放出される。ＧＣＩＢが標的部位に衝突し、ビーム全体のガス負荷が放出されるのである。アルゴンビームの有するビーム電流をＩＢとし、ガス流をＦ（ｓｃｃｍ）とすると、ビームの運搬は下式により表される。
【０００９】
（式２）
【００１０】
この式によれば、ビーム電流４００μＡでＮ/q比５０００のとき、ビームは２７ｓｃｃｍのガス流を運搬する。典型的なＧＣＩＢ処理装置の場合には、このガス負荷に対する低圧環境維持のために、大容量、複数の真空ポンプが採用される。
【００１１】
高強度ＧＣＩＢｓは多様な荷電状態のクラスターを含んでおり、加速電圧ＶＡｃｃ（数ｋＶ程度）で加速すると、ビームに対してｑ値が加わり、ｑ・ＶＡｃｃの増加したエネルギーをもつクラスターが生成する。一般的に、対象物の表面をＧＣＩＢを用いて処理すると得られる多くの有益な効果は、ビーム内のガスクラスターイオンのエネルギーに依存している。たとえば、表面のエッチングは、高いエネルギーのクラスターを用いればより早く進行する。ＧＣＩＢ処理の他の有利な適用としては、表面のスムージング（平滑化）があり、他の方法に比べて原子或いは近原子レベルで優れた効果を示す。ある種のビーム状態におけるＧＣＩＢによる表面処理は、例外的平滑面を生じるが、ＧＣＩＢ処理が表面を常に平滑にするとは限らないことに留意すべきである。事実、初期表面が比較的平滑であるときは、ＧＣＩＢ処理により却って表面を荒らす場合もある。表面のエッチングやスムージングは、状況に応じて実施する。処理条件を最適化する通常の技術（たとえば、クラスターガス源の選択や、加速電圧の選択、ＧＣＩＢ電流の選択、ＧＣＩＢ処理方法の選択など）を使用するとき、すでに平滑な表面に対する、適度なエッチング速度（同時に進行するスムージング速度）や表面を荒らさないようにする適当なＧＣＩＢビームの条件がしばしば見つからない。ＧＣＩＢ処理による進取的なエッチング速度は、通常高エネルギー、高強度のＧＣＩＢ状態を必要とするが、表面を荒らさず平滑化するためには、低いエネルギーの（もしくはエッチングのためには実用的ではない状態の）ビームが望ましいことも知られているのである。そのような場合、所望の目的を達成するためにいくつかのＧＣＩＢステップを組み合わせることが必要であった。そのようなプロセスとしては、最初のビーム状態を進取的（aggressive）なエッチングができる条件、次いで最初のエッチングにより生じた荒さを減少させるようなエッチング条件、そしてエッチングが生じないがスムージングできるような条件による他のステップを適用する。そのようなステップの組み合わせもしくは複合化は、期待される最終的な結果には到達していないけれども、ある重要なプロセスにおいて低い生産性ではあるが技術的には知られている。たとえば、フェンナーらの米国特許６３７５７９０には、多段階の処理をＧＣＩＢ処理装置に適用させて、そのような複合処理が可能であることを開示している。
【００１２】
ＧＣＩＢの形成にイオン化ガスクラスターの生産に有効なイオナイザーを適用すると、広い範囲のイオン化された状態のビームが得られるが、これらは対象物のＧＣＩＢ処理による高生産性が求められる場合に必要な強力なビーム（式１で示すような）の生産条件では、特にマルチイオン化されたガスクラスターが含まれている。そのようなビームに、適度なエッチング速度を得るためのエネルギーを与えるのに十分な状態で加速されると、表面のスムージングだけでなく、表面を荒らす方向にも作用する。この問題は、ＧＣＩＢプロセスの複合化または多段階化によって少なくとも軽減はされるが、所望の速度での生産性を上げてはいない。さらに、多くの異なるビーム状態を有する複合化処理であっても、究極レベルの平滑化は得られておらず、他の重要な処理方法が必要とされているのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述の通り、本発明の目的は、良好なエッチング能力だけでなく良好なスムージング能力を有するビームを形成する特徴を有するＧＣＩＢの修飾方法を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明の他の目的は、より表面のスムージング能力が改善されたビームを形成する特徴を有するＧＣＩＢの修飾方法を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、対象物を高いエッチング速度で、究極の平滑面を形成するための能力を有するＧＣＩＢを修飾する装置を提供することを目的とする。
【００１６】
そしてまた、他の目的は、より表面のスムージング能力が改善されたＧＣＩＢの製造装置であって、ＧＣＩＢを修飾する装置を提供することを目的とする。
【００１７】
そして、これらの目的は本発明における、ＧＣＩＢの形成の間に環境圧力およびその幾何学的コントロールによって達成された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の理解を助けるため、以下に図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
図１は従来技術による典型的なＧＣＩＢ処理装置１００の基本構成を示す概略図である。この装置の真空容器１０２は３つの連通チャンバーであるビーム源チャンバ１０４、イオン化／加速チャンバ１０６および処理チャンバ１０８に分割されている。これらの３つのチャンバはそれぞれ真空ポンプシステム１４６ａ、１４６ｂおよび１４６ｃで適当な作動圧に減圧されている。ガス保存シリンダ１１１に保存された濃縮性ガス１１２（たとえばアルゴンまたはＮ２）はガス測定バルブ１１３とガス供給チューブ１１４を介して滞留チャンバ１１６に圧力下で送られ、適当な形状のノズル１１０を介して低圧の真空チャンバ内に放出される。そこで超音速ガスジェット１１８が発生する。ジェット流の膨張により冷却され、ガスジェット１１８の一部がクラスターに濃縮される。それぞれのクラスターは数個から数千個の弱い結合原子または分子で構成される。高圧が有害である下流領域（たとえばイオナイザー１２２、高電圧電極１２６、処理チャンバ１０８）で圧力を最小にするために、クラスタージェットから、クラスタージェットに濃縮されなかったガス分子を、ガススキマー開口部１２０が部分的に分離する。ここで適当な濃縮性ガス１１２は、限定されないが、アルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素、その他のガスおよびガス混合物である。
【００２０】
ガスクラスターを含んだ超音速ガスジェット１１８が形成された後に、クラスターはイオナイザー１２２内でイオン化される。イオナイザー１２２は典型的には電子衝撃型イオナイザーであり、１以上の白熱フィラメント１２４から熱電子を発生させ、電子を加速および指向させて、イオナイザー１２２をジェットが通過する際にガスジェット１１８内のガスクラスターと衝突させる。電子衝撃によって電子がクラスタから飛び出し、クラスターの一部が正にイオン化される。またあるクラスターは１個以上の電子を放出し、多重イオン化（multiply ionized）される。適切にバイアスされた高電圧電極１２６のセットはイオナイザーからクラスターイオンを抽出して、ビームを形成および加速して所望のエネルギー（典型的には数百Ｖから数百ｋＶあるいはそれ以上）を与え、それらを合焦（focuses）させてＧＣＩＢ１２８を形成させる。フィラメント電源１３６は、フィラメントに電圧Ｖｆを与え、イオナイザーフィラメント１２４を加熱する。アノード電源１３４はアノード電圧ＶＡを与えフィラメント１２４から飛び出す熱電子を加速してクラスター含有ガスジェット１１８を照射してイオンを発生させる。導出電源１３８は導出電圧ＶＥを与え高電圧電極をバイアスしてイオナイザー１２２のイオン化領域からイオンを導出し、ＧＣＩＢ１２８を形成する。加速電源１４０は加速電圧ＶＡｃｃを与え、イオナイザー１２２に関する高電圧電極をバイアスし、全ＧＣＩＢ加速ポテンシャルをＶＡｃｃと等しくする。一以上のレンズ電源（１４２、１４４など）が与えられ、焦点電位（ＶＬ１、ＶＬ２など）の高電圧電極をバイアスしてＧＣＩＢ１２８を焦点させる。
【００２１】
ＧＣＩＢで処理される半導体ウェハーまたは他の対象物である対象物１５２は対象物ホルダー１５０に保持され、ＧＣＩＢ１２８の通路内に配置される。ほとんどの適用形態では、大型対象物を空間的に均質に処理することを期待するので、スキャン処理システムは空間的に同種の結果を生じるように大きなエリアでＧＣＩＢ１２８を均質にスキャンすることが望ましい。
【００２２】
ＧＣＩＢ１２８は変化せず、軸１２９を有し、対象物１５２はその表面をＧＣＩＢ１２８によって効果的に処理するために機械的にスキャンされる。Ｘスキャンアクチュエーター２０２は対象物ホルダー１５０に直線運動を与え、紙面に対して垂直方向への動作２０８を行う。Ｙスキャンアクチュエーター２０４は対象物ホルダー１５０に同様に直線運動を与え、Ｘスキャン動作２０８に直交するようにＹスキャン動作２１０の方向へ動かす。ＸスキャンとＹスキャン動作の組み合わせによって、対象物ホルダー１５０に保持された対象物１５２が動かされ、ＧＣＩＢ１２８を通してラスターの様な（raster- like）なスキャン動作をすることにより、ＧＣＩＢ１２８による対象物１２８表面の均質な（もしくはプログラムされた）照射が行われる。対象物１５２をＧＣＩＢ１２８の軸に対して傾斜して、対象物ホルダー１５０に保持することにより対象物１５２の表面に対するビーム入射角２０６を持たせる。ビーム入射角２０６は通常９０度もしくはそれ以外の角度であってよく、典型的には９０度または９０度近辺である。Ｙスキャン処理の間に、対象物ホルダー１５０に保持された対象物１５２は１５２Ａと１５０Ａで示された位置を交互に移動する。これら２つの位置間での移動中に対象物１５２がＧＣＩＢ１２８のスキャンを受け、両端の位置においてはＧＣＩＢ１２８の通路から完全にはずれている（オーバースキャン）ことが分かる。図１には明確に示されてはいないけれども、Ｘスキャン動作の方向２０８（紙面に対して垂直方向）に対しても同様にスキャンおよびオーバースキャンがされているのである。
【００２３】
ビーム電流センサ２１８はＧＣＩＢ１２８の通路の対象物ホルダー１５０の後ろに設けられ、対象物ホルダー１５０がＧＣＩＢ１２８の通路をスキャンアウトされたときＧＣＩＢ１２８のサンプルをとらえる（intercept）。ビーム電流センサ２１８は典型的にはファラデーカップなどであり、ビームの入射口を除いて閉じられており、電気絶縁マウント２１２で真空容器１０２の壁に固定されている。
【００２４】
マイコンベースのコントローラ２２０はＸスキャンアクチュエーター２０２とＹスキャンアクチュエーター２０４に電気的ケーブル２１６を介して接続され、両アクチュエーターを制御して対象物１５２がＧＣＩＢ１２８の内外に出入りさせ、ＧＣＩＢ１２８に対して均一的にスキャンし、ＧＣＩＢ１２８による対象物１５２の適切な処理を実現する。コントローラ２２０はリード２１４を介してビーム電流センサ２１８で集められるビーム電流のサンプルを受信し、ＧＣＩＢをモニターし、所定のＧＣＩＢ照射量が投射されたときにＧＣＩＢ１２８から対象物１５２を取り除くことによりＧＣＩＢの照射量を制御する。
【００２５】
図２は本発明の具体例としてＧＣＩＢ処理装置３００の概略を示す。調節壁（ｂａｆｆｌｅ）３０２（複数の調節板を用いても良いが、例では簡略化するために一枚の板のみ示している）は分離された圧力チャンバ３０４を形成し、イオン化／加速化チャンバ１０６および処理チャンバ１０８の圧力よりも高い圧力を加えることができる。
【００２６】
イオン化／加速化チャンバ１０６はＧＣＩＢ１２８を圧力チャンバ３０４へ導入するためのイオン化／加速化チャンバ開口部３０６を有している。調節壁３０２は、圧力チャンバ３０４からＧＣＩＢ１２８の出口となる圧力チャンバ開口部３０８を有する。圧力チャンバ３０４を通過するＧＣＩＢ１２８は、その通路Ｄ１に沿った、長さｄ１を有する。また調節壁３０２は、処理チャンバ１０８に対して１以上の開口部３１０を有していてもよい。圧力チャンバから処理チャンバ１０８通じるこの圧力チャンバ開口部３０８および付加的な開口部３１０は、トータルのガスコンダクタンスＣＰを有する。イオン化／加速化チャンバ３０６のガスコンダクタンスはＣＡである。圧縮ガス３１４はガス保存シリンダ３１２内に保存されている。圧縮ガス３１４は好ましくは不活性ガスであり、好適にはアルゴンである。ガス計測バルブ３１６は好ましくはマスフローコントロールタイプの計測バルブであり、ガス供給チューブ３１８およびディフューザ３２０を通して圧力チャンバ３０４に圧縮ガス３１４を調整しつつ流している。圧力チャンバ３０４に導入されたガス３１４は、イオン化／加速化チャンバ１０６および処理チャンバ１０８の基礎圧力と比較して、圧力チャンバ３０４内を加圧する。
【００２７】
ＱＩＮはディフューザ３２０を通して圧力チャンバ３０４内に流れ込むガス流量を示す。
ＱＡは圧力チャンバ３０４とイオン化／加速化チャンバ１０６の間のイオン化／加速化チャンバ開口部３０６を通る流量を示す。
ＱＰは圧力チャンバ３０４と処理チャンバ１０８の間の圧力チャンバ開口部３０８および開口部３１０を通る流量を示す。
ＰＣは圧力チャンバ３０４内の真空圧を示し、
ＰＰは処理チャンバ１０８内の真空圧を示し、（図２には示されてはいないが）通常の真空圧ゲージを用いて測定した値であり、
ＰＡはイオン化／加速化チャンバ１０６内の真空圧を示し、前記同様に測定した値である。
前記を用いて以下の式にて表すことができる。
【００２８】
【００２９】
コンダクタンスＣＡおよびＣＰは計算もしくは経験上決定でき、ＱＩＮはガス計測バルブ３１６（好ましくはマスフローコントロールバルブ）によって制御できる。またＰＣおよびＰＡは通常の真空圧センサを用いて測定できるから、式５（もしくは式６の条件が満たされれば式７）を使用することによって、ＰＣが既知量として表されるので、ガス計測バルブ３１６の調整により容易に制御することができる。
【００３０】
また、任意に、圧力センサ３２２は圧力チャンバ３０４の中に設けることもできる。圧力センサ３２２はケーブル３２４によって圧力コントローラおよび読み出し表示装置３２６とつながっている。圧力コントローラと読み出し表示装置３２６は圧力チャンバ３０４内の圧力を直接読み取る。
【００３１】
圧力チャンバ３０４はＰＡおよびＰＰより高い圧力ＰＣを有する。ＧＣＩＢ１２８は高圧の圧力チャンバー３０４を通過するので、以下に示されるように、ＧＣＩＢの特性はその処理の適合性を向上させる方向で修飾される。ＧＣＩＢの修飾の程度は圧力ＰＣおよび圧力チャンバ３０４内のＧＣＩＢの通過距離ｄ１に関係がある。より明確には、ＰＣがＧＣＩＢ通路Ｄ１に沿ってほぼ一定の時は、ＧＣＩＢ特性の修飾程度は、圧力ＰＣと距離ｄ１の積に（ＰＣｄ１）に関係する。圧力チャンバ内の圧力ＰＣが通路Ｄ１に沿っていくらかの空間的変化を持っているときは、ＧＣＩＢ特性の修飾程度は、通路Ｄ１（圧力−距離のインテグラル（ＰＤＩ））に沿って、０からｄ１までの積分（ＰＣ（ｘ）・ｄｘ）に関係する。圧力−通路距離の積および／またはＰＤＩは共に単位（torr・cm）として表すことができる。
【００３２】
図３は本発明の第二の具体例であるＧＣＩＢ処理装置３５０を表す概略図である。圧縮ガス３１４はガス保存シリンダ３１２内に保存されている。圧縮ガス３１４はたとえばアルゴンのような不活性ガスが好ましい。マスフローコントロールバルブ３５２は、圧力チャンバ３０４内のガス供給チューブ３１８およびディフューザ３２０を通る圧縮ガス３１４の流れを制御する。マイクロプロセッサベースのプログラム可能な多目的コントローラ３５８は、ＧＣＩＢ処理装置３５０の部分的ないし全体の制御に用いられ、圧力センサ３２２からケーブル３２４、圧力センサコントローラおよび読み出し表示装置３２６、ケーブル３６０を通して圧力チャンバ３０４内の圧力測定信号を受信する。コントローラ３５８はまたケーブル３６０、マスフローコントローラ３５６、ケーブル３５４を通してマスフローコントロールバルブ３５２を制御し、圧力チャンバ３０４内へのガス３１４の流入をセットし調整する。圧力センサ３２２からの圧力測定信号が利用されるかどうかに応じて、コントローラ３５８は開ループもしくは閉ループの制御アルゴリズムによる圧力チャンバ３０４内の圧力ＰＣを制御する能力を有する。コントローラ３５８は他のセンサからの信号も受信し、ケーブル３６０を通してＧＣＩＢ処理装置３５０の総合制御の一部として他のシステムへ制御信号を送信する。これら他の接続は識別子（identifier）３６２によって表される。
【００３３】
図４は本発明の第三の具体例であるＧＣＩＢ処理装置４００を表す概略図である。イオン化／加速化チャンバ１０６と処理チャンバ１０８は互いに連通しており、実質的に同じ圧力ＰＰ２を有する。圧力セル４０２は、ＰＰ２よりも高い圧力ＰＣ２を、その圧力セル内部４０８においてかけることができる。圧力セル４０２は圧力セル入口開口部４０４と圧力セル出口開口部４０６を有する。ＧＣＩＢ１２８は開口部４０４を通って圧力セル４０２内に入り開口部４０６を通って圧力セルから出る。圧力セル４０２を通るＧＣＩＢ１２８の通路Ｄ２は、長さｄ２を有する。圧力セル入り口４０４と出口４０６はトータルガスコンダクタンスＣＰ２を有する。圧縮ガス３１４は、ガス保存シリンダ３１２内に保存されている。圧縮ガス３１４はたとえばアルゴンのような不活性ガスが好ましい。マスフローコントロールバルブ３５２は、ガス供給チューブ３１８およびディフューザ４１０を通って圧力セル４０２内への圧縮ガス３１４の流入を制御する。この具体例における多目的コントローラ３５８もまた、マイクロプロセッサベースのプログラム可能であり、ＧＣＩＢ処理装置４００の部分的ないし全体の制御に用いられ、ケーブル３２４、圧力センサコントローラおよび読み出し表示装置３２６、ケーブル３６０を通して圧力センサ４１２から測定圧力信号をＰＰ２として受信する。コントローラ３５８はまた、ケーブル３６０、マスフローコントロールバルブコントローラ３５６、ケーブル３５４を通してマスフローコントロールバルブ３５２を制御し、圧力チャンバ３０４内のガス３１４の流れをセットし調整する。圧力センサ４１２からの圧力測定信号が利用されるかどうかに応じて、コントローラ３５８は開ループもしくは閉ループの制御アルゴリズムによる圧力セル４０２内の圧力ＰＣ２を制御する能力を有する。本発明に式１２を適用することにより実施可能であるので、圧力ＰＰ２を測定することは必ずしも不可欠ではない。コントローラ３５８は他のセンサからの信号も受信し、ケーブル３６０を介してＧＣＩＢ処理装置３５０の総合制御の一部として他のシステムへ制御信号を送信する。これら他の接続は識別子３６２によって表される。
【００３４】
ＱＩＮ２はディフューザ４１０を通して圧力セル４０２内に流れ込むガス流量を示す。
ＱＰ２は処理チャンバ１０８とイオン化／加速化チャンバ１０６の間にある圧力セル４０２の、入口４０４から出口４０６を通して全体の流量を表す。
ＰＣ２は圧力セル４０２内の真空圧を示し、
ＰＰ２は処理チャンバ１０８およびイオン化／加速化チャンバ１０６内の真空圧を示し、圧力センサ４１２を用いて測定した値である。
前記を用いて以下の式にて表すことができる。
【００３５】
【００３６】
コンダクタンスＣＰ２は計算もしくは経験上決定でき、ＱＩＮ２はマスフローコントロールバルブ３５２によって制御される。またＰＰ２は、圧力センサ４１２を用いて測定でき、式１０（もしくは式１１の条件が満たされれば式１２）として示される。さらにＰＣ２は既知の量として表され、マスフローコントロールバルブ３５２を調整することによって、容易に制御することができる。
【００３７】
運転中は、圧力セル４０２はＰＰ２よりも高い圧力で操作される。ＧＣＩＢ１２８が圧力が上昇した圧力セル４０２を通るときに、ＧＣＩＢの特徴が修飾されて、ある種のＧＣＩＢ処理の適合性を向上させるように改善される。ＧＣＩＢの特徴が修飾される程度は、圧力ＰＣ２に関連し、圧力セル４０２中のＧＣＩＢ通路の長さｄ２に関連する。さらに明確には、ＰＣ２は、ＧＣＩＢ通路Ｄ２に沿っておおよそ一定である場合、ＧＣＩＢの特徴を修飾する程度は、圧力ＰＣ２と長さｄ２の積（ＰＣ２・ｄ２）に依存する。また圧力セル内の圧力ＰＣ２が通路Ｄ２に沿って空間的に変化する場合には、ＧＣＩＢ特性の修飾程度は通路Ｄ２に沿って、０からｄ１までの積分（ＰＣ２（ｘ）・ｄｘ）（圧力−距離のインテグラル（ＰＤＩ））に関係する。圧力と通路長さの積および／またはＰＤＩはともに、単位（torr・cm）として表すことができる。
【００３８】
図５はケースＡからＧまで圧力セル内の圧力条件を変化させてＧＣＩＢ特性を測定した結果を示すグラフである。オリジナルＧＣＩＢは３０ｋＶの電位差によって加速されたアルゴンガスクラスターイオンビームである。グラフは、ガスクラスターイオンの分布（縦軸、任意の単位）と対するガスクラスターイオンエネルギーを電荷で割った値（横軸、ｋｅＶ／ｑ）をプロットしたものである。ケースＡからＧまでは、圧力セルのＰＤＩ値を１．０×１０−４から１．３×１０−３torr-cmまで変化させたものである。ケースＡの１．０×１０−４torr-cmでは、実質的に圧力セルがほとんど無いに等しいケースであるが、ガスクラスターイオンエネルギーは２２ｋｅＶ／ｑ近傍に狭いピークを示している。ＰＤＩ値を上げると、分布が広がってエネルギー分布のピークが低い方に動いていく。このようなエネルギー分布の修飾は単にビーム加速電位を下げることによって（本発明を用いないで）は得られない。より大きなＰＤＩ値から得られるこのような分布は、ＧＣＩＢに高いスムージング性能を与え、低いエッチングの速度を与える。
【００３９】
図６はＰＤＩ値に対するＧＣＩＢのエッチング速度を示したグラフである。この場合の対象物はＳｉＯ２表面を有し、３０ｋＶの加速電圧によってアルゴンＧＣＩＢを加速して処理され、３×１０１５のガスクラスターイオン／ｃｍ２の全量で照射されたものである。エッチング速度はＰＤＩ値が増加するに従ってゆっくりと低下し、高いＰＤＩ値になると速度低下が急激におこり、そしてほぼゼロに近づく。
【００４０】
図７はＰＤＩ値に対する処理後の表面粗度を原子間力顕微鏡を用いて測定したグラフである。この場合の対象物はＳｉＯ２表面を有し、３０ｋＶの加速電圧によってアルゴンＧＣＩＢを加速して処理され、３×１０１５のガスクラスターイオン／ｃｍ２の全量で照射されたものである。低いＰＤＩ値では、ＰＤＩ値が増加するに従って急激に荒さが解消され、高いＰＤＩ値になると粗度が低レベルで落ちついて、さらなる効果増進はない。
【００４１】
図６および７についてはＳｉＯ２のエッチングおよび平滑化について示した。しかし、同様な結果は他の材料であっても得られ、たとえば金属や、酸化物、セラミックス、半導体、などにおいても同様である。ＰＤＩ（または圧力−通路長の積）が５×１０−４torr-cmより大きいと、（表面が荒らされることなしに）有意な平滑化が達成され、エッチング速度の減少も少ない。高いエッチング速度ならびに、優れた平滑化および／または表面が荒らされることのない処理は、従来のＧＣＩＢ源の調整や、加速化電圧の調整によっては得られないことが多い。ＰＤＩ値を高めることによって、エッチング速度が次第に低下するが、高度な平滑化が得られる。高いＰＤＩ値においては、従来のＧＣＩＢ源の調整によっては得られなかったレベルの平滑化が多くの物質において得られるのである。
【００４２】
以上、本発明を種々な具体例を示して説明したが、本発明の思想の範囲内でそのほかの様々な改良・改善が可能であると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は従来技術のＧＣＩＢ処理装置の基本的構成を示す概略図である。
【図２】図２は本発明の具体例であるＧＣＩＢ処理装置３００を示す概略図である。
【図３】図３は本発明の第二の具体例であるＧＣＩＢ処理装置３５０を示す概略図である。
【図４】図４は本発明の第三の具体例であるＧＣＩＢ処理装置４００を示す概略図である。
【図５】図５は種々の圧力状態で、圧力セル内を通過させたときのＧＣＩＢの特性を測定したグラフである。
【図６】図６はＧＣＩＢのエッチング速度をＰＤＩ（圧力−距離を積分した）値と対比したグラフである。
【図７】図７はＰＤＩ値による表面粗度を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定したグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
修飾されたガスクラスターイオンエネルギー分布を持つガスクラスターイオンビームの発生装置であって、
減圧された減圧チャンバと、
ガスクラスターイオンビーム通路を有する高エネルギーガスクラスターイオンビーム発生のための、前記チャンバ内のガスクラスターイオンビーム源と、
減圧チャンバ内の、減圧を上回る平均圧力を有する圧力コントロール領域と、
を含んで構成され、ガスクラスターイオンビーム通路の少なくとも一部が前記圧力コントロール領域を通ることによって、圧力コントロール領域のより高い圧力により修飾されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記ガスクラスターイオンビーム源がさらに、
加圧されたガス源と、
減圧チャンバ内に前記加圧ガス源からの加圧ガスを導入してガスクラスターを形成するノズルと、
ガスクラスターをイオン化させてガスクラスターイオンビームを形成するイオナイザーと、
前記ガスクラスターイオンビームを加速して前記高エネルギーガスクラスターイオンビームを形成するアクセラレータとを含んで構成されている請求項１記載の装置。
【請求項３】
圧力コントロール領域を通るガスクラスターイオンビーム通路の部分が、圧力コントロール領域内の通路に沿って約５×１０−４torr-cm以上の圧力-距離の積分を有する、請求項１記載の装置。
【請求項４】
圧力コントロール領域の平均圧力をコントロールするシステムをさらに含んでいる請求項１記載の装置。
【請求項５】
高エネルギーガスクラスターイオンビームが、少なくとも一部が多重イオン化されたガスクラスターイオンを含む請求項１記載の装置。
【請求項６】
圧力コントロール領域が圧力チャンバ内の一部を構成する請求項４記載の装置。
【請求項７】
減圧チャンバがガスクラスターイオンビーム源を含むイオン化／加速化チャンバを有し、
圧力コントロール領域が圧力チャンバを含み、
圧力チャンバがイオン化／加速化チャンバよりも高圧であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
減圧チャンバがさらに処理チャンバを含み、
圧力チャンバが処理チャンバよりも高圧であることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
圧力コントロール領域が、圧力セル内の領域を含む請求項１記載の装置。
【請求項１０】
ガスクラスターイオンビーム源がさらに以下の構成、
ガスクラスターをガスクラスターイオンビームにイオン化するイオナイザーと、
ガスクラスターイオンビームを高エネルギーガスクラスターイオンビームに加速するアクセラレータ、
を含む請求項９記載の装置。
【請求項１１】
圧力セル内の圧力をコントロールするシステムをさらに含む請求項９記載の装置。
【請求項１２】
高エネルギーガスクラスターイオンビームが、少なくとも一部が多重イオン化されたガスクラスターイオンを含む請求項９記載の装置。
【請求項１３】
圧力セルが、減圧チャンバよりも高い圧力を有する請求項９記載の装置。
【請求項１４】
対象物をガスクラスターイオンビームで処理する方法であって、次の各工程
減圧チャンバ内のガスクラスターイオンビーム源からガスクラスターイオンビームを発生させる工程、
高エネルギーガスクラスターイオンビームを形成するために、ビーム通路を有するアクセラレータにより前記ガスクラスターイオンビームを加速する工程、
減圧チャンバ内に対象物を保持する工程、
アクセラレータと対象物の間に加圧領域を提供し、前記ビーム通路の少なくとも一部が前記加圧領域を通過する工程、
を含むことを特徴とする処理方法。
【請求項１５】
さらに、
加圧ガス源を提供する工程、
ノズルを提供する工程、
加圧ガス源から減圧チャンバへ導入することによってガスクラスターを形成するために、加圧ガスをノズルから放出する工程、
イオナイザーを提供する工程、
ガスクラスターをガスクラスターイオンビームへイオン化する工程、
を含む請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
さらに、
加圧領域内で圧力をコントロールするシステムを提供する工程、
前記システムにより加圧領域の圧力をコントロールする工程、
を含む請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記加圧領域を通る前記ビーム通路の少なくとも一部が、加圧領域内の通路に沿って約５×１０−４torr-cmを超える圧力-距離の積分を有する、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
高エネルギーガスクラスターイオンビームが、少なくとも一部が多重イオン化されたガスクラスターイオンを含む請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
加速されたガスクラスターイオンビーム中のガスクラスターイオンのエネルギー分布を修飾する方法であって、
減圧チャンバ内のガスクラスターイオンビーム源からガスクラスターイオンビームを発生させる工程、
前記ガスクラスターイオンビームを、ビーム通路およびエネルギー分布を有するガスクラスターイオンを含む高エネルギーガスクラスターイオンを形成するために、減圧チャンバ内のアクセラレータにより加速する工程、
減圧チャンバ内に加圧領域を供給する工程、
ガスクラスターイオンビーム通路の少なくとも一部が前記加圧領域を通過するように、高エネルギーガスクラスターイオンのビーム通路を導く工程、修飾されたガスクラスターイオンエネルギー分布を有するガスクラスターイオンビームを生成する工程、
を含む修飾方法。
【請求項２０】
加圧領域を通るガスクラスターイオンビーム通路の少なくとも一部が、加圧領域内の通路に沿って約５×１０−４torr-cmを超える圧力-距離の積分を有する、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
さらに、
加圧領域内で圧力をコントロールするシステムを提供する工程、
加圧領域の圧力をコントロールする工程、
を含む請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記コントロールする工程が、加圧領域内を通路に沿って約５×１０−４torr-cmを超える圧力−距離の積分を有するように圧力コントロールされる請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
高エネルギーガスクラスターイオンビームが、少なくとも一部が多重イオン化されたガスクラスターイオンを含む請求項１９記載の方法。
【請求項１】
修飾されたガスクラスターイオンエネルギー分布を持つガスクラスターイオンビームの発生装置であって、
減圧された減圧チャンバと、
ガスクラスターイオンビーム通路を有する高エネルギーガスクラスターイオンビーム発生のための、前記チャンバ内のガスクラスターイオンビーム源と、
減圧チャンバ内の、減圧を上回る平均圧力を有する圧力コントロール領域と、
を含んで構成され、ガスクラスターイオンビーム通路の少なくとも一部が前記圧力コントロール領域を通ることによって、圧力コントロール領域のより高い圧力により修飾されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記ガスクラスターイオンビーム源がさらに、
加圧されたガス源と、
減圧チャンバ内に前記加圧ガス源からの加圧ガスを導入してガスクラスターを形成するノズルと、
ガスクラスターをイオン化させてガスクラスターイオンビームを形成するイオナイザーと、
前記ガスクラスターイオンビームを加速して前記高エネルギーガスクラスターイオンビームを形成するアクセラレータとを含んで構成されている請求項１記載の装置。
【請求項３】
圧力コントロール領域を通るガスクラスターイオンビーム通路の部分が、圧力コントロール領域内の通路に沿って約５×１０−４torr-cm以上の圧力-距離の積分を有する、請求項１記載の装置。
【請求項４】
圧力コントロール領域の平均圧力をコントロールするシステムをさらに含んでいる請求項１記載の装置。
【請求項５】
高エネルギーガスクラスターイオンビームが、少なくとも一部が多重イオン化されたガスクラスターイオンを含む請求項１記載の装置。
【請求項６】
圧力コントロール領域が圧力チャンバ内の一部を構成する請求項４記載の装置。
【請求項７】
減圧チャンバがガスクラスターイオンビーム源を含むイオン化／加速化チャンバを有し、
圧力コントロール領域が圧力チャンバを含み、
圧力チャンバがイオン化／加速化チャンバよりも高圧であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
減圧チャンバがさらに処理チャンバを含み、
圧力チャンバが処理チャンバよりも高圧であることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
圧力コントロール領域が、圧力セル内の領域を含む請求項１記載の装置。
【請求項１０】
ガスクラスターイオンビーム源がさらに以下の構成、
ガスクラスターをガスクラスターイオンビームにイオン化するイオナイザーと、
ガスクラスターイオンビームを高エネルギーガスクラスターイオンビームに加速するアクセラレータ、
を含む請求項９記載の装置。
【請求項１１】
圧力セル内の圧力をコントロールするシステムをさらに含む請求項９記載の装置。
【請求項１２】
高エネルギーガスクラスターイオンビームが、少なくとも一部が多重イオン化されたガスクラスターイオンを含む請求項９記載の装置。
【請求項１３】
圧力セルが、減圧チャンバよりも高い圧力を有する請求項９記載の装置。
【請求項１４】
対象物をガスクラスターイオンビームで処理する方法であって、次の各工程
減圧チャンバ内のガスクラスターイオンビーム源からガスクラスターイオンビームを発生させる工程、
高エネルギーガスクラスターイオンビームを形成するために、ビーム通路を有するアクセラレータにより前記ガスクラスターイオンビームを加速する工程、
減圧チャンバ内に対象物を保持する工程、
アクセラレータと対象物の間に加圧領域を提供し、前記ビーム通路の少なくとも一部が前記加圧領域を通過する工程、
を含むことを特徴とする処理方法。
【請求項１５】
さらに、
加圧ガス源を提供する工程、
ノズルを提供する工程、
加圧ガス源から減圧チャンバへ導入することによってガスクラスターを形成するために、加圧ガスをノズルから放出する工程、
イオナイザーを提供する工程、
ガスクラスターをガスクラスターイオンビームへイオン化する工程、
を含む請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
さらに、
加圧領域内で圧力をコントロールするシステムを提供する工程、
前記システムにより加圧領域の圧力をコントロールする工程、
を含む請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記加圧領域を通る前記ビーム通路の少なくとも一部が、加圧領域内の通路に沿って約５×１０−４torr-cmを超える圧力-距離の積分を有する、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
高エネルギーガスクラスターイオンビームが、少なくとも一部が多重イオン化されたガスクラスターイオンを含む請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
加速されたガスクラスターイオンビーム中のガスクラスターイオンのエネルギー分布を修飾する方法であって、
減圧チャンバ内のガスクラスターイオンビーム源からガスクラスターイオンビームを発生させる工程、
前記ガスクラスターイオンビームを、ビーム通路およびエネルギー分布を有するガスクラスターイオンを含む高エネルギーガスクラスターイオンを形成するために、減圧チャンバ内のアクセラレータにより加速する工程、
減圧チャンバ内に加圧領域を供給する工程、
ガスクラスターイオンビーム通路の少なくとも一部が前記加圧領域を通過するように、高エネルギーガスクラスターイオンのビーム通路を導く工程、修飾されたガスクラスターイオンエネルギー分布を有するガスクラスターイオンビームを生成する工程、
を含む修飾方法。
【請求項２０】
加圧領域を通るガスクラスターイオンビーム通路の少なくとも一部が、加圧領域内の通路に沿って約５×１０−４torr-cmを超える圧力-距離の積分を有する、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
さらに、
加圧領域内で圧力をコントロールするシステムを提供する工程、
加圧領域の圧力をコントロールする工程、
を含む請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記コントロールする工程が、加圧領域内を通路に沿って約５×１０−４torr-cmを超える圧力−距離の積分を有するように圧力コントロールされる請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
高エネルギーガスクラスターイオンビームが、少なくとも一部が多重イオン化されたガスクラスターイオンを含む請求項１９記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００７−５２９８７６（Ｐ２００７−５２９８７６Ａ）
【公表日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５０４１２８（Ｐ２００７−５０４１２８）
【出願日】平成１７年３月１８日（２００５．３．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００８９８３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０９１９９０
【国際公開日】平成１７年１０月６日（２００５．１０．６）
【出願人】（５０５０９９７５０）エピオン コーポレーション (9)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１８日（２００５．３．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００８９８３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０９１９９０
【国際公開日】平成１７年１０月６日（２００５．１０．６）
【出願人】（５０５０９９７５０）エピオン コーポレーション (9)
【Ｆターム（参考）】
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