説明

クラスターのイオン化方法および装置、これらによりイオン化されたクラスターを用いた膜形成方法、エッチング方法、表面改質方法、洗浄方法

【課題】素子の製造等においてクラスターイオンを加速するに際し、加速電圧を変えることなくクラスターを構成する原子1個当たりのエネルギーを向上させることが可能となるクラスターのイオン化方法および装置、これらによりイオン化されたクラスターを用いた膜形成方法、エッチング方法、表面改質方法、洗浄方法を提供する。
【解決手段】クラスターのイオン化方法または装置において、クラスターイオンビーム源5を備え、該クラスターイオンビーム源を、クラスターに照射される光の波長を内殻電子による電離が起きるエネルギー持つ波長範囲に制御可能とした波長制御機構(回折格子,アパチャースリット)を有する構成とし、オージェ過程を利用してクラスターを多価にイオン化するように構成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、クラスターのイオン化方法および装置、これらによりイオン化されたクラスターを用いた膜形成方法、エッチング方法、表面改質方法、洗浄方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来において、クラスターイオンビームを用いた膜形成、エッチング、表面改質、洗浄装置などが、光学、半導体などの素子の製造に応用されている。
例えば、クラスターを用いた膜形成としては、特許文献1、特許文献2などにその例が示されている。これらは膜形成時にクラスターイオンビームを基板、膜に照射することで、イオンビームアシスト蒸着法などでは起きてしまう膜材料、基板材料の解離を防ぎながら、平滑で緻密な膜を形成するものである。
また、クラスターを用いたエッチングとしては、特許文献3などにその例が示されている。これはクラスターイオンビームを用いて高いスパッタ率による高いエッチング速度と高い平滑性を満たした研磨を達成しようとするものである。
以上のクラスターを用いた従来例によるものは、クラスターが持つ多体効果や、仮にクラスターイオンの加速電圧が大きい場合であっても、照射する1原子あたりのエネルギーが被照射物にダメージを与えない程度の大きさであるといった特徴を生かそうとするものである。
【特許文献1】特許3352842号公報
【特許文献2】特公平07−065166号公報
【特許文献3】特開2003−282384号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
ところで、これらクラスターは広いサイズ(ここではクラスターを構成する原子の数)分布を持っていることが多い。万単位のサイズのクラスターがある一方で、サイズが1個のモノマーイオンが存在する。
これらのうち、モノマーイオンや小サイズのクラスターイオンは、一原子あたりのエネルギーが大きいために基板や膜を解離してしまう恐れがある。また、クラスター特有の多体効果も小さい。
このようなことから、クラスターイオンビームによる効果は、基本的にクラスターイオンのサイズが大きく、かつ基板に到達するビーム強度(ここでは原子の総数とする)が大きい程良い。
【0004】
しかしながら、生成したクラスターイオンを加速するための装置機構には制限があり、現時点で利用可能な電圧は30kV程度までである。加速電圧が20kVの場合、例えばサイズが7000個のイオンクラスターでは、原子一個あたりのエネルギーは3eV未満と小さいものになってしまう。このような過度の低エネルギーでは、膜形成やエッチングなどのプロセスにおいて十分な効果を得ることができない。そのため、基板に照射されるクラスターイオンビームのうち、例えば7000程度以上の大サイズクラスターイオンはプロセスに寄与しないことになり、その分実質的なビーム強度の低下となってしまう。
【0005】
このように、現時点での利用可能な加速電圧による制約から、本来有用であるはずの大サイズのクラスターイオンが、無用なものになってしまうこととなる。上記問題は、クラスターイオンビームを、例えばエッチングに活用する場合においては、エッチングレートの低下という問題に繋がる。
また、現在の膜形成技術やエッチング技術の活用例によれば、基板の大口径化が一つの重要な課題となっている。基板の大口径化のためには、イオンビームを広げて用いることが必要となることから、イオン電流密度が大きく低下してしまう。つまり大サイズのクラスターイオンがプロセスに寄与しないという問題は、クラスターイオンビームの大口径基板への活用の妨げにも繋がる。
このような技術課題に対して、上記した特許文献1〜3等の従来例のものにおいては、十分に応えることのできないものであった。
【0006】
本発明は、上記課題に鑑み、素子の製造等においてクラスターイオンを加速するに際し、加速電圧を変えることなくクラスターを構成する原子1個当たりのエネルギーを向上させることが可能となるクラスターのイオン化方法および装置、これらによりイオン化されたクラスターを用いた膜形成方法、エッチング方法、表面改質方法、洗浄方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、以下のように構成したクラスターのイオン化方法および装置、これらによりイオン化されたクラスターを用いた膜形成方法、エッチング方法、表面改質方法、洗浄方法を提供するものである。
すなわち、本発明のクラスターのイオン化方法は、クラスターに内殻電子による電離が起きるエネルギーを持つ波長の光を照射して1価にイオン化した後、さらにオージェ過程を利用して前記1価にイオン化されたクラスターを多価にイオン化することを特徴としている。本発明においては、前記クラスターに照射される光として、極端紫外光または真空紫外光を用いることができる。
また、本発明のクラスターのイオン化装置は、クラスターイオンビーム源を備え、該クラスターイオンビーム源を、クラスターに照射される光の波長を内殻電子による電離が起きるエネルギーを持つ波長範囲に制御可能とした波長制御機構を有する構成としたことを特徴としている。
また、これらの本発明においては、前記クラスターに照射される光として、極端紫外光または真空紫外光を用いることができる。
また、本発明のオン化されたクラスターを用いて膜形成する膜形成方法においては、前記膜形成に用いられるクラスターとして、上記したクラスターのイオン化方法または上記したクラスターのイオン化装置によるクラスターを用いることを特徴としている。その際、前記膜形成に用いられる膜材料として、SiO2、Ta23、Nb23、TiO2、Al23、CeO2、MgF2、AlF3、NaF、LiF、ScF、SrF2、LaF3、GdF3、DyF3、LuF3、SmF3、NdF3、ThF3、YF3、YbF3、PbF3、CeF3、NaAl36、のいずれか、またはその混合物を用いることができる。
また、本発明のイオン化されたクラスターを用いてエッチングするエッチング方法においては、前記膜形成に用いられるクラスターとして、上記したクラスターのイオン化方法または上記したクラスターのイオン化装置によるクラスターを用いることを特徴としている。その際、合成石英、蛍石、Si、SiC基板等を、エッチングする構成を採ることができる。
また、本発明のイオン化されたクラスターを用いて表面改質する表面改質方法においては、前記表面改質方法に用いられるクラスターとして、上記したクラスターのイオン化方法または上記したクラスターのイオン化装置によるクラスターを用いることを特徴としている。
また、本発明のイオン化されたクラスターを用いて洗浄する洗浄方法においては、前記洗浄方法に用いられるクラスターとして、上記したクラスターのイオン化方法または上記したクラスターのイオン化装置によるクラスターを用いることを特徴としている。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、素子の製造等においてクラスターイオンを加速するに際し、加速電圧を変えることなくクラスターを構成する原子1個当たりのエネルギーを向上させることが可能となるクラスターのイオン化方法および装置、これらによりイオン化されたクラスターを用いた膜形成方法、エッチング方法、表面改質方法、洗浄方法を実現することができる。
また、本発明によれば、オージェ過程を利用してクラスターを多価にイオン化することによって、例えば加速電圧が20kV程度の装置によっても、10000個程度以上の大サイズのクラスターイオンを有効に活用することが可能となり、これにより、イオンビームの実質的な強度低下を防ぐことができ、クラスターイオンのサイズ(構成する原子の数)が大きく、かつ基板に到達するビーム強度(ここでは原子の総数)が大きいクラスターイオンビームを膜形成やエッチングなどのプロセスに活用することができ、大口径の基板への膜形成、エッチング、表面改質、洗浄が可能となる。特に、エッチングについては、高いエッチングレートの確保が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
本発明は、上記構成により本発明の課題を達成することができるが、それは本発明者らが鋭意検討した結果、クラスターイオンの価数を1価から多価にすることで加速電圧を変えずに、クラスターを構成する原子一個あたりのエネルギーを向上させることができるという知見に基づくものである。
すなわち、クラスターは弱いファンデルワールス力などで擬集している。そのため、クラスターを構成する原子が2個以上イオン化されるとそのクーロン力が擬集力を上回り、クラスターが分解してしまうこととなる。そのため、クラスターを多価にイオン化するには、クラスターを構成する一つの原子が多価にイオン化されることが必要である。
前述した特許文献1〜3等における従来技術では、クラスターのイオン化には電子衝突が用いられている。この場合、イオン化される原子の価数は、ほとんど1価であり、選択的に多価にイオン化することは困難である。
【0010】
このようなことから、本発明者らは原子を選択的に多価にするために光イオン化の手法を用いることに至った。但し、光イオン化については、特開平06−224156号公報等において既に述べられている。しかしながら、これらの手法は単に光を照射するだけで、選択的にクラスターを多価にイオン化すること等に関しては、何ら開示されていない。
本発明者らは、これらについて鋭意検討を重ねた結果、内殻電子による電離である内殻電離が起きるエネルギーを持つ波長の光を照射することでまず1価にイオン化し、さらにその後の内殻電離に付随して発生するX線によって外殻電子による電離が起きるオージェ過程を利用することによって、さらにクラスターを多価にイオン化して、加速電圧を変えずに大サイズクラスターを構成する原子一個あたりのエネルギーを向上させることができるという知見を得、本発明を完成するに至った。
さらに、本発明においては、照射する光を内殻電子による電離が起きるエネルギーを持つ波長に限定することで、選択的にクラスターを多価にイオン化して電価を制御することで、これまでクラスターサイズ分離において、質量電価比のみの分離であったものを、クラスターの質量による分離が可能となる。
本発明において、クラスターに照射される光としては、具体的には、例えばArクラスターであれば、波長にして10nm以下の光がイオン化に用いられる。Xeであれば波長にして20nm以下の光がイオン化に用いられる。
【実施例】
【0011】
以下に、本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
実施例1は、本発明を適用して膜形成装置を構成したものである。
図1に本実施例に用いられる膜形成装置の構成を示す。
図1において、1は真空チャンバー、2は真空バルブ、3は電子銃、4は抵抗加熱機構である。
また、5はクラスターイオンビーム源、7は基板ドーム、8は基板、9は膜厚モニター、10はシャッターである。
真空チャンバー1は、真空バルブ2を介して2.0×10−5Paまで真空排気される。真空チャンバー1内には、膜材料を蒸発するための電子銃3と材料を入れるためのハースライナー13、または抵抗加熱機構4と材料が入れられる抵抗加熱ボード12が設けられている。
さらに、基板ドーム7に基板8を戴置して回転可能に構成されており、また膜厚モニター9とシャッター10とにより膜厚を制御可能に構成されている。
そして、抵抗加熱ボード12またはハースライナー13から蒸発された膜材料が基板8上に形成される際に、クラスターイオンビーム源5からクラスターイオンビームが基板8に向かって照射される。
【0012】
図2にクラスターイオンビーム源5の詳細な構成を示す。
図2において、6はレーザープラズマ光源であり、11はガス導入口、14はノズルである。
15はスキマー、16は加速電極、17は静電レンズ、18は反射型回折格子、19はアパチャースリットである。
20はクラスター生成室、21はクラスターのイオン化及び加速室、22はクラスターのサイズ分離室、23,24は真空バルブである。
【0013】
クラスターイオンビーム源5は、クラスター生成室20、クラスターのイオン化および加速室21、クラスターのサイズ分離室22から成る。
生成室20には導入口11からのガスが断熱膨張によってクラスター化するためのノズル14を有し、そのクラスターはスキマー15を介して、イオン化および加速室21に取り出される。イオン化および加速室21で、クラスターは所望の光を照射されてイオン化され、加速電極16により加速される。
加速されたクラスターイオンビームは、静電レンズ17により基板8に照射する所定サイズ以上のクラスターイオンと、基板8に照射されない所定サイズ以下のクラスターイオンとに分離される。
生成室20、イオン化および加速室21は、真空バルブ23、24を介して作動排気され、真空度が過剰に上昇しないようにしてある。
また、イオン化するための光は、レーザープラズマ光源6から反射型回折格子18とアパチャースリット19を介してイオン化および加速室21に導入されている。また、この光路は真空バルブ25を介して真空排気されている。
【0014】
本実施例においては、上記図1および図2に示された膜形成装置により、膜材料としてMgF2を用いて、つぎのように膜形成を行った。
まず、ガスクラスターイオンビーム源5において、Arガスをノズル14から噴出させて、Arガスクラスターを断熱膨張により生成する。
このArクラスターにレーザープラズマ光源6からの光を照射してイオン化する。この時、光はYAGレーザーを銅に照射することで得られるものである。またこの光は、反射型回折格子とアパチャースリットにより10nm以上の波長の光がカットされる。
上記ガスクラスターイオンビームは10nm以下の光によりイオン化されているので、まず1価にイオン化され、さらにその後の内殻電離に付随して発生するX線によって外殻電子による電離によってオージェ過程が起きて、クラスターが2価にイオン化される。
【0015】
このように多価にイオン化されたクラスターイオンを加速電圧20kVで加速して、クラスターイオンビームとする。このクラスターイオンビームにおける平均的なクラスターイオンは、サイズが5000個で原子一個あたりのエネルギーが8eV程度のものであった。
さらに、静電レンズにより、サイズが500個以下のクラスターイオンは基板8に照射されないようにする。
真空チャンバー1において、上記のArガスクラスターイオンビームを蛍石基板8に照射しながら、抵抗加熱ボード12からMgFを真空蒸発させて蛍石基板8上に形成する。
このMgF2膜が形成された蛍石基板の分光特性を図3に示す。図3から明らかなように、光学Lossが小さいものであった。
また、このMgF2膜をXPSにより調べた化学量論値は、F/Mg=1.97と良好なものであった。
【0016】
[実施例2]
実施例2においては、上記図1および図2に示された膜形成装置により、ノズル14から噴出させるガスしてXeガスを、また膜材料としてMgF2を用いて、つぎのように膜形成を行った。
まず、ガスクラスターイオンビーム源5において、Xeガスをノズル14から噴出させて、Xeガスクラスターを断熱膨張により生成する。
このXeクラスターにレーザープラズマ光源6からの光を照射してイオン化する。この時、光はYAGレーザーを銅に照射することで得られるものである。またこの光は、反射型回折格子とアパチャースリットにより20nm以上の波長の光がカットされる。
上記Xeガスクラスターイオンビームは20nm以下の光によりイオン化されているので、まず1価にイオン化され、さらにその後の内殻電離に付随して発生するX線によって外殻電子による電離によってオージェ過程が起きて、クラスターが2価にイオン化される。
【0017】
このように多価にイオン化されたクラスターイオンを加速電圧20Vで加速して、クラスターイオンビームとする。このクラスターイオンビームにおけるサイズが6000個ならば原子一個あたりのエネルギーが6.6eV程度のものとなる。
真空チャンバー1において、上記のガスクラスターイオンビームをφ150mmの合成基板8に照射しながら、抵抗加熱ボード12からLaFを真空蒸発させて合成基板8上に膜を形成する。このLaF膜をAFMにより表面粗さを調べた。基板中心からφ150mm付近の膜の平均表面粗さは0.8nmと良好なものであった。
【0018】
(比較例1)
膜の表面粗さの比較例1として、電子衝突によりイオン化したクラスターイオンビームを基板8のφ150mmの合成石英基板上に広げて照射しながら、抵抗加熱ボード12からLaFを真空蒸発させて合成基板8上に膜を形成した。
このLaF膜をAFMにより表面粗さを調べた。基板中心からφ150mm付近の膜の平均表面粗さは2.1nmであった。
【0019】
(比較例2)
膜の表面粗さの比較例2として、20nm以上の光によりイオン化したXeクラスターイオンビームを基板8のφ150mmの合成石英基板上に広げて照射しながら、抵抗加熱ボード12からLaFを真空蒸発させてφ150mmの合成基板8上に膜を形成した。このLaF膜をAFMにより表面粗さを調べた。基板中心からφ150mm付近の膜の平均表面粗さは2.2nmであった。
【0020】
[実施例3]
実施例3はエッチングについてのものであるが、便宜上、図1および図2の膜形成装置を参照して説明する。
本実施例においては、まずクラスターイオンビーム源5において、Xeガスをノズル14から噴出させて、Xeガスクラスターを断熱膨張により生成する。ノズル14はラバールノズル形状とした。
このXeクラスターにレーザープラズマ光源6からの主に20nm以下の光によりイオン化する。
この上記Xeガスクラスターイオンビームは20nm以下の光によりイオン化されているので、まず1価にイオン化され、さらにその後の内殻電離に付随して発生するX線によって外殻電子による電離によってオージェ過程が起きて、クラスターが2価にイオン化される。
【0021】
このように多価にイオン化されたクラスターイオンを加速電圧20kVで加速して、クラスターイオンビームとする。このクラスターイオンビームにおける平均的なクラスターイオンは、サイズが4000個で原子一個あたりのエネルギーが10eV程度のものであった。
真空チャンバー1において、上記のガスクラスターイオンビームをSiC基板8に照射した場合のエッチングレートは0.21μm/hであった。同様なノズル、スキマー、加速電圧で、電子衝突によりイオン化によって得られたガスクラスターイオンビームによりSi基板を研磨した。エッチングレートは0.08μm/hであった。
【0022】
以上の実施例1および2においては、膜材料としてMgF3およびLaF3を用いたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、SiO2、Ta23、Nb23、TiO2、Al23、CeO2、MgF2、AlF3、NaF、LiF、ScF、SrF2、LaF3、GdF3、DyF3、LuF3、SmF3、NdF3、ThF3、YF3、YbF3、PbF3、CeF3、NaAl36、のいずれか、またはその混合物等を用いることができる。
実施例3においては、エッチングしたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、ガラス、合成石英、蛍石、Si等をエッチングすることができる。
また、以上の各実施例においてはクラスターを用いた膜形成、エッチングについて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、表面改質、洗浄装置およびこれらを用いて製造される素子に利用可能であり、そしてこれら装置および素子は光学素子、半導体素子などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本発明の実施例1に用いられる膜形成装置の構成を示す図。
【図2】図1のクラスターイオンビーム源の詳細な構成を示す図。
【図3】MgF2膜が形成された蛍石基板の分光特性を示す図。
【符号の説明】
【0024】
1:真空チャンバー
2:真空バルブ
3:電子銃
4:抵抗加熱機構
5:クラスターイオンビーム源
6:レーザープラズマ光源
7:基板ドーム
8:基板
9:膜厚モニター
10:シャッター
11:ガス導入口
12:抵抗加熱ボード
13:ハースライナー
14:ノズル
15:スキマー
16:加速電極
17:静電レンズ
18:反射型回折格子
19:アパチャースリット
20:クラスター生成室
21:クラスターのイオン化及び加速室
22:クラスターのサイズ分離室
23,24,25:真空バルブ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
クラスターのイオン化方法において、クラスターに内殻電子による電離が起きるエネルギーを持つ波長の光を照射して1価にイオン化した後、さらにオージェ過程を利用して前記1価にイオン化されたクラスターを多価にイオン化することを特徴とするクラスターのイオン化方法。
【請求項2】
前記クラスターに照射される光が、極端紫外光または真空紫外光であることを特徴とする請求項1に記載のクラスターのイオン化方法。
【請求項3】
前記クラスターがArによるものであり、該クラスターに照射される光の波長が10nm以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のクラスターのイオン化方法。
【請求項4】
前記クラスターがXeによるものであり、該クラスターに照射される光の波長が20nm以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のクラスターのイオン化方法。
【請求項5】
クラスターイオンビーム源を備えたクラスターのイオン化装置において、
前記クラスターイオンビーム源は、前記クラスターに照射される光の波長を内殻電子による電離が起きるエネルギーを持つ波長範囲に制御可能とした波長制御機構を有することを特徴とするクラスターのイオン化装置。
【請求項6】
前記波長制御機構は、回折格子とアパチャースリットにより前記光の波長を制御可能に構成されていることを特徴とする請求項5に記載のクラスターのイオン化装置。
【請求項7】
前記波長制御機構は、前記クラスターに照射される光の波長を10nm以下または20nm以下に制御可能であることを特徴とする請求項6に記載のクラスターのイオン化装置。
【請求項8】
前記クラスターに照射される光が、極端紫外光または真空紫外光であることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載のクラスターのイオン化装置。
【請求項9】
イオン化されたクラスターを用いて膜形成する膜形成方法において、
前記クラスターとして、請求項1〜4のいずれか1項に記載のクラスターのイオン化方法または請求項5〜8のいずれか1項に記載のクラスターのイオン化装置によりイオン化されたクラスターを用いることを特徴とする膜形成方法。
【請求項10】
前記膜形成に用いられる膜材料が、SiO2、Ta23、Nb23、TiO2、Al23、CeO2、MgF2、AlF3、NaF、LiF、ScF、SrF2、LaF3、GdF3、DyF3、LuF3、SmF3、NdF3、ThF3、YF3、YbF3、PbF3、CeF3、NaAl36、のいずれか、またはその混合物であることを特徴とする請求項9に記載の膜形成方法。
【請求項11】
イオン化されたクラスターを用いてエッチングするエッチング方法において、
前記クラスターとして、請求項1〜4のいずれか1項に記載のクラスターのイオン化方法または請求項5〜8のいずれか1項に記載のクラスターのイオン化装置によりイオン化されたクラスターを用いることを特徴とするエッチング方法。
【請求項12】
前記エッチングの対象物が、ガラス、合成石英、蛍石、Si、SiC基板であることを特徴とする請求項11に記載のエッチング方法。
【請求項13】
イオン化されたクラスターを用いて表面改質する表面改質方法において、
前記クラスターとして、請求項1〜4のいずれか1項に記載のクラスターのイオン化方法または請求項5〜8のいずれか1項に記載のクラスターのイオン化装置によりイオン化されたクラスターを用いることを特徴とする表面改質方法。
【請求項14】
イオン化されたクラスターを用いて洗浄する洗浄方法において、
前記クラスターとして、請求項1〜4のいずれか1項に記載のクラスターのイオン化方法または請求項5〜8のいずれか1項に記載のクラスターのイオン化装置によりイオン化されたクラスターを用いることを特徴とする洗浄方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2006−188721(P2006−188721A)
【公開日】平成18年7月20日(2006.7.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−382010(P2004−382010)
【出願日】平成16年12月28日(2004.12.28)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】