CN106164326B - 基于气体团簇离子束技术的中性射束处理方法以及由此产生的物品 - Google Patents

基于气体团簇离子束技术的中性射束处理方法以及由此产生的物品 Download PDF

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Abstract

一种使用具有碳原子的加速中性射束形成位于基板表面上的带图案的硬掩膜的方法。本发明的前述目的以及进一步的和其他的目的和优势通过下述本发明的各个实施例实现。

Description

基于气体团簇离子束技术的中性射束处理方法以及由此产生 的物品
技术领域
本发明总体上涉及用于低能量的、中性射束处理的方法和设备，更具体地，涉及用于从加速气体团簇离子束中提取加速中性单体和/或中性气体团簇射束的高射束纯度方法和系统，该加速气体团簇离子束用于处理制造集成电路所使用的基板。
背景技术
在过去的十年中，气体团簇离子束(gas cluster ion beam，GCIB)已成为众所周知的，并且被广泛用于各种表面和次表面的处理应用中。由于气体团簇离子典型地具有大质量，即使在被加速至实质上具有能量时，它们仍趋向以相对低的速度(与常规离子相比)行进。这种低速度，与团簇固有的弱粘合能力相结合，产生独特的表面处理能力，与常规离子束和扩散等离子体相比，这种独特的表面处理能力导致减少的表面渗透和减少的表面缺陷。
气体团簇离子束已被用来使表面光滑、蚀刻、清洁、在表面上形成沉积、在表面上生长薄膜或以其他方式改变各种各样的表面，包括例如金属、半导体及介电材料。在涉及半导体和半导体相关材料的应用中，GCIB已被用来清洁、使光滑、蚀刻、沉积和/或生长包括氧化物以及其他的薄膜。GCIB还被用于引入掺杂和晶格应变(lattice-straining)的原子种类、引入非晶(amorphizing)表面层的材料，以及改进掺杂剂在半导体材料中的溶解度。在许多情况下，这种GCIB的应用已经能够提供优于使用其他传统离子、离子束和等离子体的技术的结果。半导体材料包括广泛的材料范围，这些材料的电性能会受掺杂材料的引入的控制，半导体材料包括(但不限于)硅、锗、金刚石、碳化硅，还有包括III-IV组元素及II-VI组元素的复合材料。由于采用氩气(Ar)作为源气体形成GCIB的便利，以及由于氩气的惰性特性，已经开发了许多使用氩气体GCIB处理可植入医疗装置表面的应用，所述可植入医疗装置例如是冠状动脉支架、整形外科假体和其他可植入医疗装置。在半导体应用中，各种源气体和源气体混合物被用来形成含电杂质和晶格应变种类的GCIB，该GCIB用于反应蚀刻、物理蚀刻、薄膜沉积、薄膜生长及其他有用的处理。许多引入GCIB以处理宽范围的表面类型的系统是公知的。例如，授予柯克帕特里克(Kirkpatrick)等人的6,676,989 CI号美国专利文件教示了一种GCBI处理系统，该系统具有适合处理管状或圆柱状工件——如血管支架——的工件保持器和操纵器。在另一个例子中，授予柯克帕特里克(Kirkpatrick)等人的6,491,800B2号美国专利文件教示了一种GCIB处理系统，该系统具有用于处理其他类型的非平面的医疗装置——包括例如髋关节假体——的工件保持器和操纵器。进一步的例子，授予利比(Libby)等人的6,486,478 BL号美国专利文件教示了一种用于处理半导体晶片的自动化基板装/卸系统。授予豪托拉(Hautala)的7,115,511号美国专利文件教示了使用机械扫描仪相对于未扫描GCIB对工件进行扫描。在又一个例子中，授予布林(Blinn)等人的7,105,199 B2号美国专利文件教示了使用GCIB处理以改进在医疗装置上的药物涂层的粘附及改变从医疗装置上的药物洗脱或释放率。
GCIB已经被用在如钻石和其它宝石的晶体和非晶体形态材料的刻蚀和打光处理中。这并非是完全成功的，有时由于GCIB处理宝石会经历不期望的颜色变化。不清楚这是否是由于对于宝石材料的一些表面或次表面形式损坏，或者由于GCIB处理和下层未处理块体材料所引起的刻蚀和/或光滑表面层之间粗糙化的界面的形成，或者可能由于团簇离子引起的表面带电造成的损害。无论GCIB处理负面效果的原因是什么，需要用于刻蚀和/或打光自然和合成宝石材料的不会引入宝石外观和审美需求不期望的劣化的处理技术。已经表明GCIB处理作为用于打光和/或平整光学材料表面的可行技术，光学材料是例如透镜、反射光学表面、光学窗口、用于显示器的光学面板和触摸屏面板、棱镜装置、光掩膜的透明基板等、光学波导、电-光装置和其它光学装置。用于光学装置的材料包括各种玻璃、石英、蓝宝石、钻石和其它坚硬透明的材料。传统的抛光和平整——包括机械、化学-机械以及其他技术——对于大多数需求的应用而言不能产生足够的表面。在许多情形下GCIB处理已经能够使光学表面光滑和/或平整到传统抛光技术无法实现的程度，但需要不会在光滑表面和下层的块体材料之间引起粗糙界面的可选技术，从而避免产生嵌入在光学材料中的散射层。
尽管GCBI处理已被成功地用于许多应用领域，仍有新的和现存的应用需求未被GCBI或本领域现有其他方法和设备完全满足。在许多情况下，虽然GCIB可能产生引人注目的使最初有些粗糙的表面原子级的打光，但最终可获得的打光经常低于所要求的光滑度，并且在其他情况中，GCIB处理可能会使适度光滑的表面粗糙而不是使其进一步光滑。
其他需求/机会也存在，如通过本发明的实施例所意识到并已解决的。在药物-洗脱医疗植入物领域，GCIB处理已成功用在处理医疗植入物的药物涂层表面以粘合该涂层与基板，或改变伴随植入物进入患者体内的药物从涂层的洗脱率。但是，已经注意到，在某些情况下，当GCBI被用于处理药物涂层(药物涂层通常非常薄并可能包含非常昂贵的药品)时，作为GCIB处理的一个结果，可能出现药物涂层重量损失(药物损失或去除的指示)。对于这种损失出现总体上是不期望的特定情况(某些药物和使用特定处理参数)，以及具有避免重量损失的能力同时仍获得对药物洗脱率的满意控制的处理是更优选的。
在半导体应用中，GCIB在许多表面-处理的改进中已被在不同程度上成功应用，但改进的机会仍然存在。在常规GCIB处理中，虽然对早期的常规技术有显著改进，但通常，结果仍然不是要求最高的应用所需要的质量。例如，在打光处理中，对于许多材料，使用GCIB处理实际上获得的最终的光滑度不是总能满足要求。在为了掺杂、晶格应变、及其他应用如薄膜沉积、薄膜生长和非晶化的目的而向半导体材料中引入其他材料的应用中(有时称为GCIB注入)，注入、生长、非晶化或沉积的材料之间的界面通常在辐照层和下层基板之间的界面上具有粗糙度或不一致性，该粗糙度或不一致性损害GCIB-改性层的最优性能。
离子在许多处理中被长期青睐，因为它们的带电电荷使其易于受电场或磁场操纵。这在处理中引入很大的灵活性。但是，在某些应用中，任何离子(包括在GCIB中的气体团簇离子)固有的电荷可能在被处理的表面中产生不希望的效果。GCIB具有比常规离子束明显的优势，与常规离子(单个的原子、分子或分子碎片)相比，带有单个或小的多个电荷的气体团簇离子能输送和控制大得多的质量流(mass-flow)(可以是由数百或数千个分子组成的团簇)。特别是在绝缘材料的情况下，用离子处理过的表面经常遭受由累积的电荷猝然排出产生的电荷-感应损坏，或遭受破坏材料中的电场-感应应力的结果(也从累积的电荷产生)。在很多这样的情况中，GCIB由于其相对较低的电荷单位质量具有优势，但在某些情况中，可能无法消除目标-带电(target-charging)问题。此外，中到高电流密度离子束可能遭受显著的空间电荷引起的射束散焦，这倾向于抑制长距离输送强聚焦射束。再一次的，由于与常规离子束相比，GCIB具有较低的单位电荷质量，因此GCIB具有优势，但它们没有完全消除空间电荷输送问题。
从以下这样的事实引出进一步的需求或机会的实例：虽然中性分子或原子射束的使用在某些表面处理应用中和无空间电荷的输送(space charge-free beam transport)中提供益处，但是除了喷嘴喷射的情况，要产生强中性分子或原子束是不容易的或不经济的，其能量通常大约是每原子或每分子几毫电子伏特(milli-electron-volts)，并且因此具有有限的处理能力。
在休斯电子公司(Hughes Electronics Corporation)的4,935,623号美国专利文件中，德国诺尔技术(Knauer)教示了一种形成带电(1至10eV)电荷和/或中性原子射束的方法。德国诺尔技术形成一种常规GCBI且将其以掠射角指向固体表面，如硅板，这使团簇离子离解，产生一种向前散射的(forward-scattered)原子和常规离子束。这产生强的但不聚焦的中性原子和离子束，该射束可能被用于处理，或者随后离子的静电分离可被作为中性原子射束用于处理。通过要求GCIB从固体表面散射产生离解，重大问题被德国诺尔技术引出。经过宽范围的射束能量，GCIB在它撞击的表面中产生强溅射。已经清楚显示(例如参见青木(Aoki,T)和松尾(and Matsuo,J)的《用倾斜角(glancing-angle)气体团簇离子束进行表面光滑和喷射处理的分子动力学模拟》,伦敦大学设备和方法物理研究(Nucl.Instr.&Meth.in Phys.Research),B 257(2007),第645-648页)即使以德国诺尔技术使用的掠射角，GCIB仍产生相当多的固体溅射物，因此向前-散射的中性射束被喷射的离子和中性原子及其他源于用于散射/离解的固体表面的粒子所污染。在包括医疗装置处理应用和半导体处理应用的许多应用中，这种溅射材料的存在污染向前-散射射束，使射束不适合使用。
在斯文森(Swenson)等人的7,060,989号美国专利文件中，教示了使用具有高于射束生成压力的气体压力的气体压力单元改变GCIB中的气体团簇离子能量分布。该技术降低GCIB中气体团簇离子的能量并改变这种被改性的GCIB的某些表面处理特征。这种GCIB气体团簇离子能量分布的气体改变是有利的，但是未减少由GCIB中的离子在工件中的电荷沉积引起的问题，并且未解决特定的处理问题，例如，在GCIB处理过程中药物涂层的重量损失。尽管斯文森等人的技术可能改进GCIB的最终表面光滑特征，但结果仍不太理想。
气体团簇和气体团簇离子尺寸典型的以N为特征，N是包括单个团簇的原子或分子的数量(取决于该气体是否是原子或分子，并且包括变异体如离子、单体、二聚体、三聚体、配体)。常规GCIB处理贡献的许多优点被认为来自GCIB中离子的低速度，并来自大的、松散结合的团簇与固体表面碰撞而瓦解，引起短暂的加热和压力，但没有过分穿透、植入或对表面下的基板损坏的这样的事实。这种大团簇(具有N个单体-如下所述-大约几千个或更多)的影响通常限于几十埃(Angstroms)。但是，已经显示，较小的团簇(具有N大约几百至大约一千)对被撞击的表面产生更多的损坏并且能在表面上产生非连续的撞击坑(例如参考，穗积(Houzumi,H.)等人的《用选择尺寸的氩气团簇离子束辐照的石墨表面的扫描贯穿显微镜观察》,日本,J.应用物理，V44(8),(2005)第6552页(Jpn.J.Appl.Phys,V44(8),(2005),p6252ff))。这种形成坑的效果与大团簇的表面光滑效果不期望地竞争，能使表面变得粗糙并从表面去除材料(蚀刻)。在GCIB已被发现是有用的表面处理的许多其他应用中，被认为大的气体团簇离子和较小的气体团簇离子的效果可能会以减少处理性能的产生相反效果(counter-productive)的方式竞争。不幸的是，这种用于形成GCIB的便利的应用技术都导致具有宽范围分布的团簇尺寸的射束生成，该团簇尺寸具有尺寸N，范围从大约100至差不多数万。尺寸分布的平均值和/或峰值经常在从几百至几千的范围内，在分布的尺寸极限上分布尾部逐步地缩小至零。根据常规的GCIB形成技术，与该分布关联的该团簇离子尺寸分布及平均团簇尺寸NMean取决于使用的源气体，并可能会被形成团簇喷射的喷嘴参数的选择、经喷嘴的压力下降、以及喷嘴温度显著影响。大多数商业GCIB处理装置惯常使用磁的或偶尔使用静电的尺寸分离器来去除最有害的最小离子和团簇(单体、二聚体、三聚体等，一直到大约N＝10或更多)。这种过滤器通常被称为“单体过滤器”，虽然它们也典型地去除和单体一起的某些较大的离子。某些静电团簇离子尺寸选择器(例如被德国诺尔用在第4,935,623号美国专利中的)需要将导电体栅格放进射束中，由于射束对栅格的下层侵蚀，这非常不利，在可靠性降低的同时引入射束污染并导致需要额外的对设备的保养。为此，单体和低质量过滤器(low-mass filters)目前典型地是磁类型(例如参考托提(Torti)等人的6,635,883号美国专利文件及利比(Libby)等人的6,486,478号美国专利文件)。除磁性过滤器有效去除的最小的离子(单体、二聚体等)之外，似乎大部分GCIB含很少或不含尺寸低于大约N＝100的气体团簇离子。可能这样的尺寸不易形成或形成后不稳定。但是，从大约N＝100至几百范围内的团簇似乎出现在大部分商业GCIB处理装置的团簇中。当使用常规技术时，通常会碰到在几百至几千的范围内的NMean值。因为，对于给定的加速电势，中间尺寸的团簇行进比较大的团簇更快，它们更可能产生坑、粗糙表面及其他不期望的效果，当出现在GCIB中时，很可能造成不理想的处理。
在微电半导体处理技术中，常规使用光刻胶光刻在形成所需的设备结构中来实施数个以及各种模式的步骤。所产生的一个问题是在光刻蚀步骤之后移除光刻胶材料会留下污染物(以颗粒或其它形式)，该污染物会损坏或损害后续处理步骤，降低加工成品率。随着装置几何形状变为更小的尺寸，颗粒污染物成为更显著的问题。而且，在对于实现更小装置部件的逐步要求下，出现利用光刻胶光刻蚀的其它问题。为了克服光刻胶图案瓦解的问题，需要更薄的光刻胶层(厚度小于50纳米)，并且光刻胶材料必须裁剪以响应更短的波长，包括X射线波长。响应于这样的挑战，对于先进的半导体处理，考虑不需要使用基于光刻胶的光刻蚀的模式技术变得重要。聚焦离子束技术已经作为一个可选方案。同样也使用开放模式模板(也称作模板或孔掩膜)，其可以作为接触模式模板或作为投射模式模板使用。所有这样的掩膜、模板(stencils)或模板(template)在这里被称作“模板”(templates)或“模板”(template)。由于其形成极浅表面层的能力，中性束射技术已经尤其应用于先进的半导体处理技术，因此尤其适用于处理形成通过使用模板来形成先进结构，从而控制非常小、非常浅的半导体结构模式。因此本发明的一个目的是提供形成用于工件处理的高纯度中性气体团簇射束的设备和方法。
本发明进一步的目的是提供用来提供实质上不包含中间尺寸团簇的高纯度气体团簇射束的设备和方法。
本发明的另一目的是提供用于形成能量范围在大约1eV至高达几千eV的、高纯度的、聚焦的、强的中性原子或分子射束的设备和方法。
本发明的又一目的是提供用于形成与常规GCIB相比，能够改进表面打光的射束设备和方法。
本发明的一个目的是提供用于在半导体或其他材料的表面中形成掺杂膜和/或应变膜，和/或引入外来原子种类的设备和方法，其中，被处理的表面具有到下层基板材料的界面，该界面优于使用常规GCIB处理形成的那些界面。
本发明的另一目的是提供使用中性射束在半导体或其他材料表面形成非晶区域的设备和方法，并且其中与下层基板材料的界面优于使用常规GCIB处理形成的界面。
本发明进一步的目的是提供与常规GCIB处理相比具有更优的最终光滑度的蚀刻表面的设备和方法。
本发明的又一目的是提供与常规GCIB处理相比具有更优的最终光滑度的用于刻蚀光学表面的设备和方法。
本发明的另一目的是用于提供具有优于常规方法所获得的粘合性的将光学涂层粘合到光学表面的设备和方法。
本发明的另一目的是提供改进光学装置的表面以降低由于大气暴露所引起的劣化的易感性的方法，并且提供由此改进的光学装置。
本发明进一步的目的是提供用于在吸湿材料的表面上形成壁垒以降低材料吸收水分的易感性的方法，以及提供由此改进的材料。
本发明的再一目的是提供用于在半导体和/或其他材料表面形成和/或生长薄膜的设备和方法，其具有与下层基板材料的界面，该界面优于使用常规GCIB处理形成的界面。
本发明的一个附加的目的是提供利用气体团簇和/或单体的中性射束处理电绝缘材料而不会因射束输送带电电荷引起损害的设备和方法。
本发明的进一步目的是提供利用光学元件表面的中性射束辐照来改进光学元件或宝石的特性的方法。
本发明的另一目的是提供具有利用中性射束技术改进的性能的光学元件或宝石。
本发明的另外的目的是提供在硅基板上形成SiC或SiCx层的方法。
本发明的进一步目的是提供通过中性射束技术处理形成坚硬掩膜实现无光刻胶光刻蚀处理的方法并且提供由此制造的设备。
发明内容
上述目的及本发明的其他目的和优点从下面描述的发明的各种实施例中实现。
一种在基板的表面上形成带图案的硬掩膜的无光刻胶的方法，该方法包含多个步骤。通过设置降低压力腔室形成加速中性射束；在降低压力腔室内形成包含气体团簇离子的气体团簇离子射束，气体团簇离子包含碳原子；加速气体团簇离子以在降低压力腔室内沿射束路径形成加速气体团簇离子射束；促使沿射束路径的至少一部分加速气体团簇离子分裂和/或离解；从射束路径中移除带电的颗粒以在降低压力腔室内沿射束路径形成加速中性射束。通过向降低压力腔室内引入带图案的模板以及基板来处理基板；将基板保持在射束路径中；通过利用加速中性射束经过带图案的模板中的开口辐照来处理基板表面的一部分，以通过将碳原子植入到表面被辐照部分内来形成表面辐照部分上硬化和/或致密的含碳的有图案层；将模板从基板分离；一次刻蚀具有含碳有图案层的表面以优选地移除表面不含碳部分中的材料，形成一个或多个沟槽以及一个或多个凸台；形成位于凸台和沟槽上方的硬掩膜层；整平硬掩膜层以将其从凸台而并非沟槽上移除；并且可选地，使用硬掩膜层作为掩膜来二次刻蚀表面以移除基板材料。
移除的步骤可以从射束路径中实质上移除所有带电颗粒。该方法可以进一步包括在移除步骤之后热处理基板的步骤。中心射束实质上可以由来自气体团簇离子束的气体组成。促使的步骤可以包括在形成气体团簇离子射束的加速或改善离子化效率的步骤中升高加速电压。促使的步骤可以包括增加加速气体团簇离子射束中的离子的速度范围。促使的步骤可以包括将用于形成气体团簇离子射束的一种或多种气体元素引入到降低压力腔室中以增加沿射束路径的压力。促使的步骤可以包括利用辐射能辐照加速气体团簇离子射束或中性射束。处理工件至少一部分表面的中性射束可以大体由单体组成，单体具有介于1电子伏特到几千电子伏特之间的能量。处理步骤可以进一步包含扫描基板以利用加速中性射束处理表面的延伸部分。基板可以包含晶体或无定型硅。处理步骤可以形成SiCx(0.05<X<3)层。硬掩膜层可以包含二氧化硅。第一刻蚀步骤可以采用包含氩气的第二加速中性射束。第二刻蚀步骤可以采用Cl2或CCL2F5的等离子刻蚀技术。加速步骤可以通过从5到50kV的电势加速气体团簇离子。该方法处理步骤可以植入每平方厘米从1x1014到5x1016个离子的预定量的碳原子。含碳的有图案层可以具有从约1到约3纳米的厚度。二次刻蚀步骤可以使基板表面与硬掩膜区域的底部共面。
本发明的另一实施例提供了通过上述步骤形成基板表面上的有图案的硬掩膜。
本发明提供一种用于从加速气体团簇离子束中产生加速中性气体团簇和/或优选地单体射束的高射束纯度的方法和系统，该提取的射束可被用于多种类型的表面和浅层次表面材料的处理，并且该提取的射束在许多应用中与常规GCIB处理相比可能具有更优的性能。该射束可以提供强聚焦的(well-focused)、被加速的、强的带有从约1eV至高达几千eV能量范围的粒子的中性单体射束。在此能量范围内，中性粒子在许多应用中可以是有益的或必要的，例如当想要打破表面和浅层次表面的结合以帮助清洁、蚀刻、光滑、沉积、非晶化或产生表面化学效果时。在这样的情况下，每粒子具有约1eV至几千eV的能量通常会是有用的。这是一个能量范围，在该能量范围中用简单的、相对便宜的设备形成强的中性射束曾经是不现实的。在不同的实施例中，加速中性射束被用于各种表面和浅层次表面材料处理并且通过这种处理方法使材料和装置增强。
通过首先形成常规加速GCIB，然后通过不向射束引入杂质的方法和操作条件，部分地或本质上完全地使常规加速GCIB离解，然后从中性部分分离射束的剩余带电部分，生成加速中性射束，随后使用所生成的加速中性射束用于工件处理。根据气体团簇离子的离解程度，所产生的中性射束可以是中性气体单体和气体团簇的混合物，或者可以是实质上完全地或几乎完全地由中性气体单体组成。该加速中性射束优选是本质上完全地被离解的中性单体射束。
可由本发明实施例的方法和设备产生的中性射束的优点是，它们可被用于处理电绝缘材料，而不会像如包含GCIB的所有电离射束通常会出现的那样，由于这种材料表面通过输送电荷的射束充电而对材料产生损害。例如，在半导体或其他电子应用中，离子往往导致损坏或破坏薄介电膜，如氧化物、氮化物等。中性射束的使用能成功地使射束在其他应用中处理聚合物、绝缘体、和/或其他电绝缘或高电阻率材料、涂层及薄膜，在这些应用中，因为表面带电或其他带电效果，离子束会产生不被接受的副作用。示例包括(不限于)防缓蚀涂层的处理，以及辐照有机薄膜的交联和/或聚合。在其他示例中，中性射束引起的聚合物或其他电绝缘材料的改性(如消毒、平滑、改进表面生物相容性、及改进药物洗脱率的附着和/或控制)可以使这种材料能够用在用于植入物和/或其他医疗/手术应用的医疗装置中。进一步的示例包括玻璃、聚合物、及陶瓷生物培养实验室器具(ceramic bio-culturelabware)和/或环境抽样表面的中性射束处理，其中这种射束可用于改进表面特性，如粗糙度、光滑度、亲水性和生物相容性。
通过本发明实施例的方法和设备从母GCIB形成加速中性射束，由于该母GCIB包括离子，所以它易于利用常规离子束技术被加速至所需的能量并易于被聚焦。当随后带电离子从中性离子中离解和分离时，中性射束粒子倾向于保持它们的聚焦轨道并可以效果很好地远距离输送。
当喷嘴中的中性气体团簇通过电子轰击被离子化时，它们变热和/或被激活。这可能导致来自离子化气体团簇的单体在加速后沿射束线向下行进时随后蒸发。此外，气体团簇离子与背景气体分子在离子发生器、加速器和射束线区域中的碰撞，也加热和激活气体团簇离子，并可导致加速后来自气体团簇离子的单体另外的后续演化。当这些单体的演化机制通过电子轰击和/或通过与形成GCIB的同样的气体的背景气体分子(和/或其他气体团簇)的碰撞引发时，导致单体演化的离解过程对射束不造成污染。
存在在不将污染引入射束的情况下可被用于离解(或引发单体从中演化)GCIB中的气体团簇离子的其他机制。这些机制中的一些也可以被用于离解中性气体团簇射束中的中性气体团簇。一种机制是使用红外线或其他激光能量对团簇-离子束的激光辐照。激光引发的在激光辐照GCIB中对气体团簇离子的加热导致气体团簇离子的激活和/或加热并引起随后的单体从射束中演化。另一种机制是使射束穿过热能加热管以便辐射热能光子与射束中的气体团簇离子撞击。在管中通过辐射热能引发的气体团簇离子的加热导致气体团簇离子的激活和/或加热并引起随后单体从射束中演化。在另一种机制中，与用于形成GCIB的源气体(或其他未污染的气体)相同的气体或混合物的气体喷射流穿过气体团簇离子束，引起在气体喷射流中的气体单体与离子束中的气体团簇撞击，产生射束中的气体团簇离子的激活和/或加热，并在随后产生单体从被激活的气体团簇离子中的演化。通过完全依赖于射束中的起始离子化和/或碰撞(与其他团簇离子，或与形成GCIB所使用的气体相同的背景气体分子)过程中的电子轰击，和/或在激光或热辐照，和/或与未污染气体的交叉喷射流撞击，避免了与其他材料撞击的射束污染。
通过使用上述这样的离解无污染方法，在不向离解产品或剩余团簇中引入并非初始源气体原子的部分的原子的情况下，可以离解或至少部分离解GCIB。通过使用初始团簇形成的源气体，避免了工件的污染，源气体不包含会污染使用剩余团簇处理的工件或离解产品的原子。当使用氩气或其它惰性气体时，源气体材料是易挥发的并且并非是化学易反应的，并且一经使用中性射束的后续辐照工件，这些易挥发的非反应原子完全从工件释放。因此对于包括玻璃、石英、蓝宝石、钻石和如硼酸锂(LBO)的其它硬的透明材料的光学和宝石材料的工件而言，氩气和其他惰性气体可以用作源气体材料，其不会因为中性射束辐射引起污染。在其他情形中，可以采用其他源气体，只要源气体原子成分不包括会引起工件污染的原子。例如，对于一些玻璃工件而言，LBO以及其他光学材料是含氧的，并且氧原子不会充当污染物。在这样的情形下，在没有污染的情况下可以使用含氧源气体。
当来自喷嘴的中性气体团簇喷射流行进通过电子被引导以使团簇离子化的离子化区域时，团簇可以保持未被离子化或者可以获取一个或多个电荷(通过入射电子从团簇中喷出电子)的电荷态q。离子发生器操作条件影响气体团簇提取的具体电荷态的可能性，更强的离子发生器条件导致获得更高的电荷态的更大可能性。导致更高的离子化效率的更强的离子发生器条件可以由更高的电子通量和/或更高的(不超出限度)电子能量中获得。一经气体团簇被离子化，气体团簇典型地从离子发生器中提取，聚焦在射束中，并通过下落经过电场被加速。通过控制加速电场的量级很容易地控制气体团簇离子加速的量。典型的商业GCIB处理装置通常提供通过电场加速的气体团簇离子，该电场具有可调节的加速电势VAcc，典型地，例如，从大约1kV至70kV(但并不限于该范围--VAcc高达200kV或甚至更高也是可行的)。因此单个带电气体团簇离子获得从1至70keV(或者如果使用更大的VAcc则更高)的范围内的能量，并且多个带电(例如，没有限制，电荷态q＝3电子电荷)气体团簇离子获得从3至210keV(或者对更高的VAcc则更高)的范围内的能量。对其他气体团簇离子电荷态和加速电势而言，加速能量为每团簇qVAcc电子伏特(eV)。从具有给定的离子化效率的给定的离子发生器，气体团簇离子将具有从零(未离子化)至更高数量的电荷态分布，例如6(或者对于高离子发生器效率，甚至更高)，并且电荷态分布的最可能的值和平均值也随着离子发生器效率(更高的电子通量和/或能量)的升高而升高。更高的离子发生器效率也导致在离子发生器中形成的气体团簇离子的数量升高。在许多情况下，当在高效率下操作离子发生器时，GCIB处理通量升高，导致GCIB电流升高。这种操作的负面影响是可能在中间尺寸团簇离子出现多个电荷态，多个电荷态可增加通过这些离子形成的坑和/或粗糙界面，并且，这种效果往往会与处理目的相反地起作用。因此，对许多GCIB表面处理方法而言，离子发生器操作参数的选择趋向于包括更多的考虑因素而不仅仅是使射束电流最大。在一些处理中，“压力单元”(参见授予斯文森(Swenson)等人的7,060,989号美国专利文件)可被用于允许在高离子化效率下操作离子发生器，同时通过在升压的“压力单元”中的气体碰撞减轻射束能量，仍获得可接受的射束处理性能。
当中性射束以本发明实施例形成时，不存在在高效率下操作离子发生器的负面影响，事实上，这种操作某些时候是优选的。当离子发生器在高效率下操作时，在由离子发生器产生的气体团簇离子中可以存在宽范围的电荷态。这导致在离子发生器和加速电极之间的提取区域中的气体团簇离子的速度是宽范围的，并且在下游的射束中也是如此。这会导致射束中的气体团簇离子之间及其中的撞击频率增强，这通常导致最大的气体团簇离子的更高分裂程度。这种分裂会导致射束中的团簇尺寸的重新分配，使它向较小的团簇尺寸倾斜。这些团簇碎片保持与它们的新的尺寸(N)成比例的能量并因此成为低能量的，同时本质上保持初始未分裂气体团簇离子的加速速度。撞击后能量变化而速度保持不变已被实验证明(例如丰田(Toyoda,N.)等人在《团簇尺寸对用残气碰撞后的气体团簇离子的能量和速度分布的依赖》中所报告的，核设备和方法研究(Nucl.Instr.&Meth.in Phys.Research)，B257(2007),第662-665页)。分裂也可以导致团簇碎片中电荷的重新分配。某些不带电的碎片可能产生，并且多个带电气体团簇离子可能分裂成若干个带电气体团簇离子，并且可能是某些不带电的碎片。发明人可以理解的是，在离子发生器和提取区域中设计聚焦场可以增强较小气体团簇离子和单体离子的聚焦，以提高与较大气体团簇离子在射束提取区域和在下游射束中的碰撞可能性，因此有助于气体团簇离子的离解和/或分裂。
在本发明的实施例中，离子发生器、加速区域和射束线中的背景气体压力可选地设置成具有比正常的用于良好GCIB输送的更高的压力。这可能会导致单体从气体团簇离子的另外的演化(超出从初始气体团簇离子化事件中的加热和/或激活导致的结果)。压力可被设置成使气体团簇离子具有在离子发生器和工件之间的足够短的平均自由路径(mean-free-path)及足够长的飞行路径，它们必须经历与背景气体分子的多次碰撞。
对于包含N个分子并具有q电荷态，并且通过电场电位降VAcc伏加速的均匀的气体团簇离子而言，团簇具有的能量大约是每单体qVAcc/NI电子伏特，其中NI是加速时在团簇离子中的单体的数量。除了最小的气体团簇离子，这样的离子与背景气体单体的碰撞将导致大约qVAcc/NI电子伏特的附加沉积进入气体团簇离子，该背景气体单体是与作为团簇源气体相同的气体。该能量与整个气体团簇离子能量(qVAcc)相比相对较小，并且通常导致团簇的激活或加热并导致随后的单体从团簇中的演化。可以认为这种较大团簇与背景气体的碰撞很少分裂该团簇，而是加热和/或激活它以导致通过蒸发或相似机理的单体演化。不考虑导致来自气体团簇离子的一个或多个单体演化的激活源，演化的单体具有大约相同的能量，每粒子qVAcc/NI电子伏特，并且保持与其从中演化的气体团簇离子大约相同的速度和轨道。当这种单体演化从气体团簇离子出现时，无论它们是否由原始离子化事件——如碰撞、或热辐射的——激活或加热所导致，该电荷具有很大的可能性仍保持较大的剩余气体团簇离子。因此，在后续的单体演化后，大气体团簇离子可能会被减少成同行的单体云(a cloudof co-traveling monomers)，或许带有较小的残余气体团簇离子(或者在分裂已经发生的情况下可能是几个)。遵循原始射束轨道的同行单体均具有大约与原始气体团簇离子相同的速度，每一个都具有大约qVAcc/NI电子伏特的能量。对于小气体团簇离子，与背景气体单体碰撞的能量很可能完全地并激烈地使小的气体团簇离解，并且，在这种情况下所产生的单体是否继续与射束同行或被从射束中排出是不确定的。
为了避免与背景气体碰撞的射束的污染，背景气体最好与形成气体团簇离子的气体相同。形成气体团簇射流的喷嘴典型地用大约100-600sccm(每分钟标准立方厘米)的高气体流操作。该气流未被压缩进入气体团簇的部分提高气源室中的压力。在气体团簇形成中，除了通过滤孔输送的气体之外，气源室中的未成团簇的源气体也可以通过滤孔流至下游射束线或射束路径室。选择滤孔直径以提供从气源室至射束线的升高的未团簇源气体流是一种方便的提供增加的射束线压力以引发背景气体与GCIB的碰撞的方法。由于高的源气体流(通过滤孔的未团簇气体和通过射束输送至目标的气体)，大气从射束线中快速被清除。作为选择，气体可被泄露进射束线室，或如上所指出的，作为与GCIB路径交叉的喷射流被引入。在这种情况下，气体优选与源气体(或惰性的或其他的非污染的气体)相同。在要求严格的应用中，可以在射束线中采用残余气体分析仪，以确认当背景气体碰撞在单体演化中起作用时背景气体的质量。
在GCIB到达工件之前，射束中剩余的带电粒子(气体团簇离子，特别是小的和中间尺寸的气体团簇离子及某些带电单体，但也包括任何剩余的大的气体团簇离子)从射束的中性部分分离，仅留下用于处理工件的中性射束。
在典型应用中，中性射束中的一部分能量相对于被传递给处理目标的全部(带电的加上中性的)射束能量在约5％至95％的范围内，因此，通过这里公开的分离方法和设备，将全部加速带电射束的那部分动能传递给如中性射束的目标是可能的。
气体团簇离子的离解及因此产生的高的中性单体射束能量通过以下方式促成：
1)在较高的加速电压下操作。这提高任何给定团簇尺寸的qVAcc/N；2)在高离子发生器效率下操作。这通过提高q而增加任何给定团簇尺寸的qVAcc/N，并且由于团簇之间电荷态的差异，增加提取区域中的团簇离子与团簇离子的碰撞；3)在高离子发生器、加速区域、或射束线压力下操作，或用与射束交叉的气体喷射流操作，或用较长的射束路径操作，所有这些提高背景气体与任何给定尺寸的气体团簇离子碰撞的几率；4)用激光辐照或热辐射加热射束操作，直接促使单体从气体团簇离子演化；以及
5)在较高的喷嘴气流下操作，增加输送进入GCIB轨道的气体、团簇的以及或许未团簇的，这会增加引起较多单体演化的碰撞。
为了产生背景气体碰撞，从提取区域到工件的气体团簇离子束路径乘以在该区域的压力的乘积有助于出现的气体团簇离子的离解度。对于30kV加速，提供平均气体团簇离子电荷态为1或更大的离子发生器参数，以及压力乘以射束路径长度6x 10-3托-厘米(torr-cm)(0.8帕斯卡-厘米(pascal-cm))(在25摄氏度(deg C))提供实质上完全离解成中性带电单体的中性射束(从剩余带电离子分离之后)。将压力乘以射束路径作为气体目标厚度是方便的且是习惯做法。6x 10-3托-厘米(0.8帕斯卡-厘米)对应于每平方厘米大约为1.94x1014个气体分子的气体目标厚度。在一个示例性(不用于限制)实施例中，背景气体压力为6x10-5托(8x 10-3帕斯卡)，射束路径长度为100cm，加速电势为30kV，在这种情况下，在射束路径末端，观察到的中性射束本质上完全离解为单体。这没有激光或辐射射束加热并且没有运用与射束交叉的气体喷射流。被完全离解的加速中性射束条件产生于由于团簇离子化事件的团簇加热、与残余气体的碰撞、以及射束中的团簇间的碰撞的单体演化。
在对金膜进行打光中，与全射束相比，使用离解的中性射束产生改进的打光结果。在其他应用中，在医疗装置的药物表面涂层上或在医疗装置的药物-聚合物混合物(drug-polymer-mixture)层上，或在医疗装置的药物-多聚混合物(drug-poly-mixture)本体上使用离解的中性射束，提供改进的药物附着和药物洗脱率的改进，而没有使用全GCIB时出现的药物重量损失。
中性射束的测量不能通过像对气体团簇离子束那样方便的电流测量完成。当用中性射束辐照工件时，中性射束能量传感器被用于剂量测定。中性射束传感器是拦截射束(或可选地已知的射束样本)的热传感器。传感器温度升高率与传感器的带电射束辐照的能量通量有关。必须在传感器温度的有限范围做出热测量，以避免由于传感器上附带的能量的热再辐射产生的错误。对于GCIB处理，射束能量(瓦特)等于射束电流(安培)乘以射束加速电压VAcc。当GCIB辐照工件一段时间(秒)时，工件接收的能量(焦耳)是射束能量和辐照时间的乘积。当这种射束处理延伸面积时，这种射束的处理效果被分散在该面积上(例如，cm2)。对于离子束，它被方便地常规规定为处理剂量为每平方厘米的辐照离子数(irradiatedions/cm2)，其中离子是已知具有或被假定具有在加速时的平均电荷态q，并且已通过VAcc伏特电势差被加速，以使每个离子带有qVAcc电子伏特(1电子伏特大约是1.6x 10-19焦耳)的能量。因此平均电荷态q的离子束剂量，被VAcc加速并对应于方便计算的表示为焦耳/cm2的能量剂量被规定为每平方厘米的离子数(ions/cm2)。对于使用在本发明中的从加速GCIB中提取的加速中性射束，在加速时的q值和VAcc值对于(较晚形成和分离的)带电和不带电的射束部分是相同的。GCIB的两部分(中性的和带电的)中的能量以与每种射束部分的质量成正比划分。因此对于用于本发明的加速中性射束，当对相等的面积辐照相等的时间时，中性射束积累的能量剂量(焦耳/cm2)必须低于全部GCIB积累的能量剂量。通过使用热传感器测量全部GCIB中的能量PG以及中性射束中的能量PN(发现一般是全部GCIB的大约5％至95％)，可计算用于中性射束处理剂量测定的补偿系数。当PN等于aPG时，补偿系数为k＝1/a。因此如果使用从GCIB得到的中性射束处理工件时，要求持续的时间为k倍于全部GCIB(包括带电的和中性射束部分)处理持续时间，以获得每平方厘米D个离子的剂量，那么由中性射束和全部GCIB积累在工件上的能量剂量是相同的(尽管在处理效果上结果可能由于两种射束的离子尺寸不同而性质不同因此而有所差异)。如此处所用的，以这种方式被补偿的中性射束处理剂量有时被描述为具有每平方厘米的能量等于D离子的剂量。
在许多情况下，使用从气体团簇离子束中得到的中性射束与用于剂量测定的热能传感器结合，与使用全部气体团簇离子束或被拦截的或转移的部分相比，具有优点，全部气体团簇离子束或被拦截的或转移的部分不可避免地包括气体团簇离子和中性气体团簇和/或中性单体的混合物，并且为了剂量测定目的常规地通过使用射束电流测量来进行测量。某些优点如下：
1)使用热传感器进行剂量测定的中性射束剂量测定更准确，因为射束的总能量被测量。对采用用于剂量测定的传统射束电流测量的GCIB而言，仅仅是射束中的已离子化部分的贡献被测量并用于剂量测定。对GCIB设备的操作条件的分到分(Minute-to-minute)和设定到设定(setup-to-setup)的改变可能导致GCIB中的中性单体和中性团簇部分的变化。这些变化可导致处理变化，当通过射束电流测量做出剂量测定时，该处理变化不好控制。
2)用中性射束可处理多种材料，包括高度绝缘的材料和其他可能被带电效应损害的材料，不需要提供中和电子的目标源以防止由于电荷被已离子化的射束输送至工件而引起的工件带电。当采用常规GCIB时，为了减少放电而进行的目标中和很少是完美的，并且中和电子源本身经常引入问题，如工件加热，从电子源的蒸发或溅射产生的污染，等等。由于中性射束不向工件输送电荷，这样的问题被减少。
3)不需要额外的装置——如大孔径高强度的磁铁——从中性射束中分离带电的单体离子。在常规GCIB的情况中，带电单体离子(及其他小团簇离子)被输送至工件，他们渗入工件产生深度损害的风险是显著的，并且通常要求使用昂贵的磁性过滤器从射束中分离这样的粒子。在本发明的中性射束设备的情况下，从射束中分离所有离子从而产生中性射束固有地去除所有单体离子。
当指气体团簇尺寸或气体团簇离子尺寸时，本发明所使用的术语“中间尺寸”意指从N＝10至N＝1500的尺寸。
本发明中所用术语“GCIB”、“气体团簇离子束”和“气体团簇离子”倾向于不仅包含已离子化的射束和离子，也包含加速中性射束和离子，该加速中性射束和离子具有在加速之后被改变的全部或一部分电荷态(包括被中和的)。术语“GCIB”和“气体团簇离子束”倾向于包含所有射束，所有射束包括加速气体团簇，即使它们可能也包含非团簇的粒子。本发明中所用术语“中性射束”倾向于意思是从加速气体团簇离子束中得到的中性气体团簇和/或中性单体射束，其中所述加速由气体团簇离子束的加速产生。
如本发明所使用的，在指代射束中的气体或粒子中的粒子时，术语“单体”相当于单个原子或单个分子。术语“原子”、“分子”和“单体”可被可交换地使用，且全都指代合适的单体，该单体被所讨论的气体特定化(即或者是团簇成分、团簇离子成分或者是原子或分子)。例如，单原子气体，如氩气，可能被以术语原子、分子或单体所指代，这些术语中的每一个意思是一个单个的原子。同样，在双原子气体如氮气的情况中，它可被术语原子、分子或单体指代，每个术语的意思为双原子分子。此外，分子气体，如CO2或B2H6，可被术语原子、分子或单体所指代，每个术语的意思为一个多原子分子。这些惯例被用于简化气体和气体团簇或气体团簇离子的一般化讨论，取决于在它们的气体形式中它们是单原子、双原子还是分子。在指代分子或固体材料的结构时，“原子”具有其常规含义。
附图说明
为了更好地理解本发明以及其他的和进一步的目的，请参考附图，其中：
图1是示出现有技术中使用GCIB处理工件的设备的原理示意图；
图2是示出另一现有技术中使用GCIB处理工件的设备的原理示意图，其中运用了离子束的扫描和工件的操纵；
图3是根据本发明一实施例的设备的示意图，该设备使用静电偏转板分离带电和不带电的射束成分；
图4是根据本发明一实施例的设备的示意图，该设备使用热传感器进行中性射束测量；
图5是根据本发明一实施例的设备的示意图，该设备使用在抑制偏转板上收集的偏转离子束电流作为剂量测定方案的成分；
图6是根据本发明一实施例的设备的示意图，该设备使用在法拉第杯中收集的偏转离子束样本作为剂量测定方案的成分；
图7示出根据本发明一实施例的设备的示意图，该设备使用机械扫描，以用中性射束均匀地辐照延伸的工件；
图8示出根据本发明一实施例的设备的示意图，该设备具有通过将气体注入射束线室控制气体目标厚度的装置；
图9示出根据本发明一实施例的设备的示意图，该设备使用静电反射镜分离带电的和中性的射束成分；
图10示出根据本发明一实施例的设备的示意图，其中，使用加速-减速结构从中性射束成分中分离带电射束；
图11示出根据本发明一实施例的设备的示意图，其中，使用替代的加速-减速结构从中性射束成分中分离带电射束；
图12A、12B、12C和12D示出处理结果，其表明，对于金属薄膜而言，与用全部GCIB或带电射束成分进行处理相比，通过射束的中性成分处理产生较优的对薄膜的光滑；
图13A和13B示出在表示药物洗脱医疗装置的钴-铬试件上的药物涂层的对比，其中，与全部GCIB处理相比，用中性射束处理产生较好的效果；
图14是根据本发明一实施例的中性射束处理设备的示意图，其中，运用了磁分离；
图15A、15B和15C是透射电子显微镜图像，示出与气体团簇离子束比较，使用中性射束的本发明实施例产生的更优的界面；
图16是示出使用本发明一实施例，适合于形成浅层接合的浅层硼植入的次级离子质谱(SIMS)轮廓曲线图；
图17是透射电子显微镜图像，示出使用本发明一实施例形成的硼掺杂半导体的高质量的界面；
图18是示出使用本发明一实施例的SiO2和Si蚀刻的曲线图；
图19A和19B是透射电子显微镜图像，示出使用本发明实施例在半导体材料中形成非晶层；
图20A和20B是透射电子显微镜图像，示出应用从GCIB中得到的加速中性射束在半导体中形成薄膜；
图21是示出使用从加速GCIB中得到的加速中性射束在硅基板上沉积类金刚石碳化膜；
图22是清洁的传统抛光光学玻璃表面粗糙的原子力显微镜图，示出了粗糙度、缺乏平面性以及微凸体的存在；
图23是根据本发明实施例的平滑之后的光学玻璃表面的原子力显微镜图，其使用由加速GCIB获取的加速中性射束；
图24A、24B、24C和24D是示出过程中的步骤的示意图，该过程使用由GCIB获得的加速中性射束或使用在光学基板上产生光学涂层的GCIB，根据本发明实施例的技术与常规技术相比具有优良的涂层与基板的粘合性；
图25A和25B是未处理LBO光学部件表面的原子力显微镜图，示出了由于大气暴露的劣化；
图26A和26B是处理后的LBO光学部件表面的原子力显微镜图，其使用由GCIB获取的加速中性射束处理，在根据本发明的实施例处理之后产生了由于大体暴露的劣化；
图27A、27B、27C和27D是示出过程步骤的示意图，该过程使用由GCIB获取的加速中性射束以在硅基板上形成SiC或SiCx层；
图28A、28B、28C、28D、28E、28F、28G和28H是示出过程步骤的示意图，该过程使用由GCIB获取的加速中性射束以在基板上形成硬掩膜图案，其不使用一些装置的先进微制造所需要的光刻胶。
具体实施方式
现在参照图1，图1示出现有技术中GCIB处理设备100的示意性结构。低压容器102具有三个流体连接的腔室：喷嘴室104，离子化/加速室106和处理室108。三个腔室分别通过真空泵146a、146b和146c抽空。储存在气体储存气缸111中的加压可冷凝源气体112(例如氩气)流过气体计量阀113和进给管114，进入滞留室116。在滞留室116中的压力(典型地数个大气压)导致气体通过喷嘴110喷射进入实质上较低压力的真空中，导致形成超音速气体射流118。射流中的膨胀导致的冷却引起气体射流118的一部分凝结成团簇，每个团簇由几个至几千个弱结合的原子或分子组成。气体滤孔120通过将还没有凝结成团簇射流的气体分子与团簇射流部分地分离而控制进入下游腔室的气体流动。通过干预气体团簇离子的输送并且通过干预可用于射束形成和输送的高压的管理，在下游腔室中的超量压力可能是不利的。合适的可凝结源气体112包括，但不限于，氩气和其他可凝结的惰性气体、氮气、二氧化碳、氧气，及许多其他气体和/或气体混合物。在超音速气体射流118中的气体团簇形成后，至少一部分气体团簇在离子发生器122中被离子化，离子发生器122典型地是电子撞击离子发生器，该离子发生器通过从一个或多个白炽灯丝124产生热发射(或从其他适当的电子源)并加速和导向电子，使电子与气体射流118中的气体团簇碰撞。电子与气体团簇的撞击将电子从气体团簇的某些部分中喷出，引起那些团簇变成被正离子化。某些团簇可能会具有多于一个的被喷出的电子，并可能会变得多离子化。对电子数量和加速后的能量的控制典型地影响可出现的离子化量和气体团簇的多离子化和单离子化的比例。抑制电极142及接地电极144从离子发生器出口孔126中提取团簇离子，将它们加速至期望的能量(通常具有从几百伏至几十千伏的加速电势)，并且使它们聚焦形成GCIB 128。GCIB 128在离子发生器出口孔126和抑制电极142之间行进的区域被称作提取区域。含气体团簇的超音速气体射流118的轴线(在喷嘴110上确定的)实质上与GCIB 128的轴线154相同。灯丝电源136提供灯丝电压Vf以加热离子发生器灯丝124。阳极电源134提供阳极电压VA以加速从灯丝124中发射的热电子从而引起热电子照射包含团簇的气体射流118以产生团簇离子。抑制电源138供应抑制电压VS(大约几百至几千伏)以使抑制电极142偏压。加速器电源140供应加速电压VAcc，以使离子发生器122相对于抑制电极142和接地电极144偏压，从而导致全部GCIB加速电势等于VAcc。抑制电极142用于从离子发生器122的离子发生器出口孔126中提取离子并阻止不期望的电子从下游进入离子发生器122，并且形成聚焦的GCIB 128。
工件160——(例如)可以是医疗装置、半导体材料、光学元件，或其他要被GCIB处理的工件——被保持在工件保持器162上，工件保持器将工件置于GCIB 128的路径中。工件保持器安装于处理室108中但通过电绝缘器164与处理室108电绝缘。因此，撞击工件160和工件保持器166的GCIB 128经过电导线168流至剂量处理器170。射束门172控制GCIB128沿轴线154至工件160的传送。射束门172典型地具有打开状态和关闭状态，打开状态和关闭状态由联动装置174控制，联动装置174可以是(例如)电动的、机械的或机电的。剂量处理器170控制射束门172的打开/关闭状态以管理工件160和工件保持器162接收的GCIB剂量。在操作中，剂量处理器170打开射束门172以开始工件160的GCIB辐照。剂量处理器170典型地结合到达工件160和工件保持器162的GCIB电流以计算累积GCIB辐照剂量。在预先确定的剂量，剂量处理器170关闭射束门172，当获得预先确定的剂量时结束处理。
在下面的说明中，为了简化附图，前面附图中的部件标记可能会出现在后面的附图中，但不进行讨论。同样，与前面附图有关的已讨论的部件可能出现在后面的附图中，但没有附图标记号或附加的说明。在这种情况下，具有相似附图标记的部件是相似的部件，并且具有之前说明过的特征和作用，在本图中未标出附图标记的部件的图示参考在前面附图中示出的具有相同作用的相似部件。
图2示出使用GCIB处理工件的另一现有技术中的GCIB处理设备200元件的示意图，其中运用了离子束的扫描和工件的操纵。被GCIB处理设备200处理的工件160被保持在工件保持器202上，置于GCIB 128的路径中。为了实现对工件160的均匀处理，工件保持器202被设计成按照均匀处理那样操纵工件160。
任何非平面的工件表面，例如，球形的或杯状的、圆形的、不规则的，或其他不平的(un-flat)结构，可以在一定角度范围内相对于射束入射角定向以获得最佳的工件表面GCIB处理。工件保持器202可以完全铰接，以将所有要处理的非平面的表面定向为与GCIB128适当对准，以提供处理的最佳化和均匀性。更具体地，当要被处理的工件160为非平面时，工件保持器202可以通过铰接/旋转机构204以旋转运动210旋转并以铰接运动212铰接。铰接/旋转机构204可允许装置绕纵轴线206(与GCIB 128的轴线154同轴)进行360度旋转，并且允许围绕与轴线206垂直的轴线208充分铰接以将工件表面保持在射束入射角的期望范围内。
在某些条件下，根据工件160的尺寸，可以期望扫描系统对大的工件产生均匀的辐照。虽然对于GCIB处理通常不需要，但是可利用两对互相垂直定向的静电扫描板130和132，以产生延伸处理区域的光栅或其他扫描图案。当执行这样的射束扫描时，扫描发生器156通过导线对159向一对扫描板132提供X轴扫描信号电压，并且通过导线对158向一对扫描板130提供Y轴扫描信号电压。扫描信号电压通常为不同频率的三角形波，该三角形波引起GCIB 128被转化成扫描的GCIB 148，扫描的GCIB 148扫描工件160的整个表面。扫描射束限制孔214限制扫描的面积。扫描射束限制孔214是导电的，并电连接至低压容器102的容器壁并通过支承构件220支承。工件保持器202经由柔性电导线222电连接至法拉第杯216，法拉第杯216围绕工件160和工件保持器202并收集通过限制孔214的所有电流。工件保持器202与铰接/旋转机构204电隔离，并且法拉第杯216通过绝缘体218与低压容器102绝缘并固定在低压容器102上。相应地，通过扫描射束限制孔214的扫描GCIB 148的所有电流被收集在法拉第杯216中，并流过电导线224流至剂量处理器170。在操作中，剂量处理器170打开射束门172以开始对工件160的GCIB辐照。剂量处理器170典型地整合到达工件160、工件保持器202和法拉第杯216的GCIB电流，以计算每单位面积累积的GCIB辐照剂量。在预先确定的剂量，剂量处理器170关闭射束门172，当获得预先确定的剂量时结束处理。在预先确定的剂量累积过程中，工件160可被铰接/旋转机构204操纵，以确保处理所有期望的表面。
图3是根据本发明一实施例的中性射束处理设备300的示意图，设备300使用静电偏转板来分离GCIB的带电部分和不带电部分。射束线室107把离子发生器、加速器区域及工件处理区域封闭起来。射束线室107具有高导电率，并因此压力实质上均匀。真空泵146b抽空射束线室107。气体以气体喷射流118输送的团簇和未团簇的气体的形式和通过气体滤孔120泄露的附加的未团簇的气体形式流入射束线室107。压力传感器330通过电缆332将来自射束线室107的压力数据传送至压力传感器控制器334，压力传感器控制器334测量和显示射束线室107中的压力。射束线室107中的压力取决于流入射束线室107的气体和真空泵146b的泵速度的平衡。通过选择气体滤孔120的直径、源气体112通过喷嘴110的流量、以及真空泵146b的泵速度，射束线室107中的压力在压力PB下平衡，该压力PB由设计和喷嘴流量所决定。例如，从接地电极144至工件保持器162的GCIB飞行路径为100cm。通过设计和调整，PB可以是大约6x 10-5托(8x10-3帕斯卡)。因此压力和射束路径长度的乘积大约是6x 10-3托·厘米(0.8帕斯卡·厘米)，并且用于射束的气体目标厚度大约是每平方厘米1.94x1014个气体分子，与由于离子发生器122中的气体团簇的初始离子化产生的单体演化相结合，出现在GCIB 128中的气体团簇离子之间的碰撞被观察到对离解GCIB 128中的气体团簇离子有影响，并且产生完全离解的加速中性射束314。VAcc可以是例如30kV，并且GCIB 128被该电势加速。一对偏转板(302和304)围绕GCIB 128的轴线154设置。偏转电源306经由电导线308向偏转板302提供正偏转电压VD。偏转板304由电导线312并且通过电流传感器/显示器310接地。偏转电源306可手动控制。VD可从零调节至足以完全地将GCIB 128的已离子化部分316偏转至偏转板304上的电压(例如几千伏)。当GCIB 128的已离子化部分316被偏转至偏转板304上时，产生的电流ID流过电导线312和传感器/显示器310用于指示。当VD为零时，GCIB 128不偏转并且朝工件160和工件保持器162行进。GCIB射束电流IB在工件160和工件保持器162上被收集，并流经电导线168和电流传感器/显示器320接地。IB在传感器/显示器320上被指示。射束门172由射束门控制器336经联动装置338控制。射束门控制器336可被手动、电动或机械定时预置值的预先确定的间隔以打开射束门172。在使用中，VD被设置为零，并且撞击工件保持器的射束电流IB被测量。基于给定GCIB处理方案的在先经验，基于测量到的电流IB确定给定处理的初始辐照时间。VD被升高，直到所有被测射束电流从IB输送至ID，且ID不再随VD的升高而升高。在该点上，包含初始GCIB 218的带电离解成分的中性射束314辐照工件保持器162。然后射束门172关闭，并且工件160由常规工件装载方式(未示出)放在工件保持器162上。射束门172在预先确定的初始辐照时间内打开。在辐照间隔后，可以检查工件，并且根据需要基于测到的GCIB射束电流IB调整处理时间以校准期望的中性射束处理持续时间。校准处理后，可使用校准后的暴露持续时间处理附加的工件。
中性射束314含有加速GCIB 128的初始能量的可重复的部分。原始GCIB 128剩余的离子化部分316从中性射束314中被去除，并被接地的偏转板304收集。从中性射束314中去除的离子化部分316可以包括单体离子和气体团簇离子，该气体团簇离子包括中间尺寸气体团簇离子。在离子化处理、内部射束碰撞、背景气体碰撞过程中，由于基于团簇加热的单体蒸发机理及其他原因(所有原因导致团簇的侵蚀)，中性射束实质上由中性单体组成，同时分离的带电粒子在团簇离子中占优势。发明人已经通过合适的测量对此予以确认，这种测量包括再离子化中性射束及测量所产生离子的电荷质量比。分离的带电射束成分主要由中间尺寸团簇离子和单体离子组成，或者某些大团簇离子。如将在下面所示出的，通过用这种中性射束处理工件获得某些较优的处理结果。
图4是根据本发明一实施例的中性射束处理设备400的示意图，设备400使用热传感器用于中性射束测量。热传感器402经由低导热性附件404附接在枢轴412的旋转支承臂410上。驱动器408经由可逆的旋转动作416移动热传感器402，该可逆的旋转动作416在中性射束314或GCIB 128的拦截位置与由414指示的热传感器402未拦截任何射束时的停止位置之间。当热传感器402处在停止位置(由414指示)时，GCIB 128或中性射束314沿路径406连续辐照工件160和/或工件保持器162。热传感器控制器420控制热传感器402的位置，并执行对热传感器402生成的信号的处理。热传感器402与热传感器控制器420通过电缆418连接。热传感器控制器420与剂量测定控制器432通过电缆428连接。射束电流测量装置424测量当GCIB 128撞击工件160和/或工件保持器162时流入电导线168的射束电流IB。射束电流测量装置424经由电缆426将射束电流测量信号通信至剂量测定控制器432。剂量测定控制器432通过经联动装置434传送的控制信号控制射束门172的打开和关闭状态。剂量测定控制器432经由电缆442控制偏转电源440，并能控制偏转电压VD，该偏转电压VD在零电压和足够将GCIB 218的已离子化部分316完全偏转至偏转板304的正电压之间。当GCIB 218的已离子化部分316撞击偏转板304时，所产生的电流ID被电流传感器422测量到并经电缆430通信到剂量测定控制器432。在操作中，剂量测定控制器432将热传感器402设置在停止位置414，打开射束门172，设置VD为零，以便全部GCIB 128撞击工件保持器162和/或工件160。剂量测定控制器432记录从射束电流测量装置424传送的射束电流IB。然后剂量测定控制器432通过热传感器控制器420中继的指令将热传感器402从停止位置414移动以拦截GCIB 128。热传感器控制器420通过基于传感器的热容量及测量到的热传感器402温度升高通过预先确定的测量温度(例如70摄氏度(degrees C))时的温度升高比率进行计算来测量GCIB 128的射束128能量通量，并且将已计算的射束能量通量传递至剂量测定控制器432，然后剂量测定控制器432计算热传感器402测量的射束能量通量的校准及相应的由射束电流测量装置424测量的射束电流。然后剂量测定控制器432将热传感器402停在停止位置414，允许其冷却并控制正电压VD应用至偏转板302，直到缘于GCIB 128的已离子化部分的所有电流ID被传送至偏转板304。电流传感器422测量相应的ID并将其传递给剂量测定控制器432。通过由热传感器控制器420中继的指令，剂量测定控制器还将热传感器402从停止位置414移动至拦截中性射束314。热传感器控制器420使用在先确定的校准系数及当热传感器402温度升高通过预先确定温度时的温度升高比率测量中性射束314的射束能量通量，并将中性射束能量通量传递至剂量测定控制器432。剂量测定控制器432计算中性射束分数，该分数为传感器402中的中性射束314能量通量的热测量值与全部GCIB 128能量通量的热测量值之比。在典型操作中，获得大约5％至大约95％的中性射束分数。在开始处理前，剂量测定控制器432还测量电流ID，并确定在初始值IB和ID之间的电流比。在处理中，瞬间ID测量值乘以初始IB/ID比可被用于替代IB的连续测量值并用于剂量测定控制器432的处理控制过程中的剂量测定。因此，剂量测定控制器432能够补偿在工件处理过程中的任何射束波动，就像用于全部GCIB128的实际射束电流测量值可用一样。剂量测定控制器使用中性射束分数来计算所期望的对特定的射束处理的处理时间。在处理过程中，处理时间可以基于校准的ID测量值调节，以校正在处理过程中的任何射束波动。
图5是根据本发明一实施例的中性射束处理设备500的示意图，设备500使用在抑制偏转板上收集的偏转离子化射束电流作为剂量测定方案的组成部分。简略地参照图4，在图4中示出的剂量测定方案可以经历这样的事实，电流ID包括缘于GCIB 128的已离子化部分316的电流以及当射束的已离子化部分316撞击偏转板304时发射的次级电子喷出导致的次级电子电流。次级电子产量可能根据已离子化部分316中的团簇离子尺寸分布而不同。它还可能根据偏转板304被撞击的表面的表面状态(清洁度等)而变化。因此，在图4说明的方案中，ID的量级不是缘于GCIB 128的已离子化部分316的电流的精确表示。现在再次参照图5，GCIB 128的已离子化部分316的改进的测量可在偏转板304上实现，通过增加接近偏转板304表面的电子抑制栅极502，该电子抑制栅极502接收已离子化部分316。电子抑制栅极502对于已离子化部分316而言是高度透明的，但是被第二抑制电源506提供的第二抑制电压VS2相对于偏转板304负极偏压。次级电子的有效抑制典型地通过大约几十伏的VS2获得。通过抑制次级电子的发射，偏转电源440的电流加载减少，在GCIB 128的已离子化部分316中的电流ID表示的精确度升高。电子抑制栅极502通过绝缘支承504与偏转板304绝缘并保持为邻近偏转板304。
图6是根据本发明一实施例的中性射束处理设备550的示意图，设备550使用在法拉第杯中收集的偏转离子束样本电流作为剂量测定方案的组成部分。在本发明的本实施例中，已离子化部分316(如图5中所示)的样本556在法拉第杯558中被捕获。在法拉第杯558中收集的样本的电流IS经由电导线560引导至电流传感器562进行测量，并且测量值经电缆564传递至剂量测定控制器566。法拉第杯558提供与通过测量偏转板304(如图5中所示)收集的测量电流ID获得的电流值相比较优的电流测量值。电流传感器562实质上与先前对电流传感器422(如图5中所示)的说明一样操作，除了离子化传感器562具有升高的敏感度以适应与ID相比的IS较小的量级。剂量测定控制器566实质上如先前对剂量测定控制器432(如图5中所示)的说明一样操作，除了剂量测定控制器566被设计成适应较小的电流测量值IS(与图5中的ID相比)。
图7是根据本发明一实施例的中性射束处理设备600的示意图，设备600使用机械扫描仪602扫描通过中性射束314的空间延伸的工件160，以便大工件的均匀的中性射束扫描。由于中性射束314不能通过磁或静电技术扫描，当要被处理的工件160空间上大于中性射束314的范围，并且要求对工件160均匀处理时，机械扫描仪602通过中性射束314扫描工件160。机械扫描仪602具有用于保持工件160的工件保持器616。机械扫描仪602被设置为使中性射束314或GCIB 128能入射在工件160和/或工件保持器616上。当偏转板(302、304)将已离子化部分316偏转出GCIB 128时，工件160和/或工件保持器616只接收中性射束314。当偏转板(302、304)未将已离子化部分316偏转出GCIB 128时，工件160和/或工件保持器616接收全部GCIB 128。工件保持器616是导电的，并且通过绝缘体614绝缘于接地。由于GCIB128入射在工件160和/或工件保持器616上所引起的射束电流(IB)经由电导线168被传导至射束电流测量装置424。射束电流测量装置424测量IB并将该测量值传递至剂量测定控制器628。机械扫描仪602具有包含由机械扫描控制器618经电导线620控制的驱动器的驱动器基座604。机械扫描仪602具有能在Y方向610中可逆运动的Y向移位工作台606(Y-displacement table)，并且机械扫描仪602还具有能在X方向612中可逆运动的X向移位工作台608(X-displacement table)，如图7的纸平面内和平面外所指示的。Y向移位工作台606的移动和X向移位工作台608的移动被机械扫描控制器618控制的驱动器基座604中的驱动器驱动。机械扫描控制器618经电缆622与剂量测定控制器628连接。剂量测定控制器628的功能包括之前对剂量测定控制器432所说明的所有功能，附加的功能在于经由与机械扫描控制器618的连接控制机械扫描仪602。基于已测量的中性射束能量通量比例，剂量测定控制器628计算并将Y向和X向扫描比例传递给机械扫描控制器618，以引起在工件160处理过程中对工件160完成整数个扫描，确保完全的和均匀的工件处理，并确保给工件160预先确定的能量通量剂量。除了中性射束的使用及中性射束能量通量比例测量的使用，这种扫描控制算法是常规的和通常被应用的，例如，在常规GCIB处理装置和在离子植入装置中。应当注意，通过控制偏转板(302、304)以使GCIB 128无偏转地通过，中性射束处理设备600可被用作常规GCIB处理装置，允许全部GCIB 128辐照工件160和/或工件保持器616。
图8是根据本发明一实施例的中性射束处理设备700的示意图，设备700提供激活设置并控制射束线室107中的气体压力。压力传感器330将压力测量数据通过电缆332从射束线室107传送至压力控制器716，压力控制器716测量并显示射束线室中的压力。射束线室107中的压力取决于进入射束线室107的气体流量与真空泵146b的泵速度的平衡。气瓶702包含射束线气体704，射束线气体704优选为与源气体112相同的气体种类。气瓶702具有可遥控操作的泄漏阀706及气体进给管708，泄漏阀706用于经过射束线室107中的气体扩散器710将射束线气体704泄露进入射束线室107。压力控制器716能接收输入设定点(通过手动输入或通过从系统控制器(未示出)自动输入)，该输入设定点是压力设定点的形式、压力乘以射束路径长度设定点(基于预先确定的射束路径长度)的形式，或气体目标厚度设定点的形式。一旦用于压力控制器716的设定点被建立，压力控制器716调整进入射束线室107的射束线气体704的流量，以在操作中性射束处理设备的操作过程中保持该设定点。当采用这样的射束线压力调整系统时，真空泵146b的尺寸通常制成，在缺乏被引入射束线室107的射束线气体704时，射束线室107中的基线压力(baseline pressure)低于所期望的操作压力。如果选择基线压力以便常规GCIB 128可以传播射束路径长度，而不过度离解，那么，中性射束处理设备700还可被用作常规GCIB处理装置。
图9是根据本发明一实施例的中性射束处理设备800的示意图，设备800运用静电反射镜分离带电的和中性的射束部分。反射电极802和实质上透明的电栅极804被设置为互相移位的、互相平行的，并且与射束轴线154成45度角。反射电极802和实质上透明的电栅极804均具有中心在射束轴线154上的孔(分别为836和838)，用于容许通过两个电极的中性射束314的通道。反射镜电源810提供反射镜电势VM，该反射镜电势VM经电导线806和808穿过反射电极802和实质上透明的电栅极804之间的间隙，并带有如图9中所指示的极性。选择VM稍微大于VAcc+VR(VR为在离子化和加速之前克服气体团簇喷射热能所需要的的减速电势—VR通常大约为几千伏)。在反射电极802和实质上透明的电栅极804之间生成的电场通过大约与轴线154呈90度角偏转GCIB 128的已离子化部分814。法拉第杯812设置为用于收集GCIB128的已离子化部分814。抑制电极栅极816防止次级电子从法拉第杯812中逃逸。压缩栅极816被第三抑制电源822提供的负的第三抑制电压VS3偏压。VS3典型地大约为几十伏。代表在偏转的GCIB 128的已离子化部分814中的电流(并因此也是GCIB128中的电流)的法拉第杯电流ID2经电导线820流至电流传感器824。电流传感器824测量电流ID2并经电导线826将测量值传送至剂量测定控制器830。剂量测定控制器830的功能与之前说明的剂量测定控制器432相同，除了剂量测定控制器830从电流传感器824接收ID2电流测量值信息及剂量测定控制器830不控制偏转电源440，而是经电导线840控制反射镜电源810。通过设置反射镜电源810输出值为零伏或VM，剂量测定控制器830控制是将全部GCIB 128还是仅将GCIB 128的中性射束314传送至工件160和/或工件保持器616以测量和/或处理。
图10是根据本发明一实施例的中性射束处理设备940的示意图，设备940具有离子发生器122和工件160皆在接地电势下操作的优点。工件160被导电性的工件保持器162保持在中性射束314的路径中，工件保持器162继而被固定在低压容器102的容器壁上的导电性支承构件954支承。因此，工件保持器162和工件160电接地。加速电极948从离子发生器出口孔126提取气体团簇离子并通过加速电源944提供的电压电势VAcc加速气体团簇离子以形成GCIB 128。离子发生器122的主体接地，且VAcc为负极性。在气体喷射流118中的中性气体原子具有大约几十毫电子伏特(milli-electron-volts)的小能量。当它们凝结成团簇时，该能量与团簇尺寸N成正比地累积。足够大的团簇从冷凝处理中获得不能轻视的能量，并且通过电压电势VACC被加速时，每个离子最终的能量均超过中性团簇射流的能量VACC。在加速电极948的下游，减速电极952被用于确保GCIB128的已离子化部分958的减速。通过减速电压电源942，减速电极952在正的减速电压VR下被偏压。几千伏的减速电压VR通常足够确保GCIB128中的所有离子被减速并返回加速电极948。永磁体阵列950固定于加速电极948，以提供对由于返回的电子撞击加速电极948而射出的次级电子的磁性抑制。射束门172是机械射束门，并且位于工件160的上游。剂量测定控制器946控制工件接收的处理剂量。热传感器402被放入拦截中性射束314的位置以测量中性射束能量通量，或被放入停止位置以在热传感器控制器420的控制下用中性射束处理工件。当热传感器402处在射束感应位置时，中性射束能量通量被测量并通过电导线956传送至剂量测定控制器946。在正常使用中，剂量测定控制器946关闭射束门172并指令热传感器控制器420测量并报告中性射束314的能量通量。接下来，常规工件加载结构(未示出)将一个新工件放在工件保持器上。基于已测量的中性射束能量通量，剂量测定控制器946计算辐照时间以提供预先确定的所期望的中性射束能量剂量。剂量测定控制器946控制中性射束314外的热传感器402，并且在所计算的辐照时间内打开射束门172，然后在所计算的辐照时间结束时关闭射束门172以终止对工件160的处理。
图11是根据本发明一实施例的中性射束处理设备960的示意图，其中，离子发生器122在负电势VR下操作，工件在接地电势下操作。加速电极948从离子发生器出口孔126中提取气体团簇离子，并朝着加速电源944提供的电势VACC加速气体团簇离子以形成GCIB 128。所得的GCIB128被电势VACC-VR加速。接地电极962减速GCIB 128的已离子化部分958，并使其返回至加速电极948。
图14是根据本发明一实施例的中性射束处理设备980的示意图。本实施例与图8所示的相似，除了从中性射束成分中分离带电射束成分是通过磁场，而不是电场的方式完成。再次参照图14，磁分析仪982具有被间隙隔开的磁极面，磁性B场存在于其中。支承件984相对于GCIB 128设置磁分析仪982，以使得GCIB 128进入磁分析仪982的间隙，以便B场矢量垂直于GCIB 128的轴线154。GCIB 128的已离子化部分990通过磁分析仪982偏转。带有中性射束孔988的隔板986相对于轴线154设置，以使得中性射束314能通过中性射束孔988到达工件160。GCIB 128的已离子化部分990撞击隔板986和/或低压容器102的容器壁，在低压容器102中，GCIB 128离解成被真空泵146b泵走的气体。
图12A至12D示出全部射束与电荷分离射束在金薄膜上的对比效果。在实验设置中，被沉积在硅基板上的金膜通过全部GCIB(带电的和中性的成分)处理、通过中性射束(从射束中偏转出带电成分)处理，通过仅由带电成分组成的偏转射束处理。所有三种条件均取自相同的初始GCIB，30kV加速的氩气GCIB。加速后射束路径的气体目标厚度为大约每平方厘米2x 1014个氩气原子。对三种射束中的每一种，曝光量匹配全部射束(带电的加上中性的)携带的总能量，每平方厘米2x 1015个气体团簇离子的离子剂量。用热传感器测量每种射束的能量通量比例，调整处理持续时间以确保接收相同总热能剂量的每个样本等于全部(带电的加上中性的)GCIB剂量的总热能剂量。
图12A示出原子力显微镜(atomic force microscope(AFM))的5微米×5微米(micron)的扫描图像，并示出沉积的具有平均粗糙度Ra,大约为2.2纳米的金膜样本的统计分析。图12B示出用全部GCIB处理的金表面的AFM扫描—平均粗糙度Ra已降至1.76纳米。图12C示出仅用射束的带电成分(从中性射束部分偏转之后)处理的表面的AFM扫描—平均粗糙度Ra升高至大约3.51纳米。图12D示出仅用射束的中性成分(带电部分被偏转出中性射束之后)处理的表面的AFM扫描—平均粗糙度Ra打光至大约1.56纳米。全部GCIB处理样本(B)比沉积膜(A)更光滑。中性射束处理样本(D)比全部GCIB处理样本(B)更光滑。射束的带电部分处理的样本(C)实质上比沉积膜更粗糙。该结果支持的结论是，射束的中性部分促成光滑，射束的带电部分促成粗糙。
图13A和13B示出用全部GCIB和用中性射束处理沉积在钴-铬试件上的药物膜的对比结果，该对比结果用于评价药物洗脱冠状动脉支架的药物洗脱率。图13A代表使用30kV的VAcc加速的氩气GCIB(包括带电的和中性成分)，以每平方厘米2x 1015个气体团簇离子的辐照剂量辐照的样本。图13B代表从使用30kV的VAcc加速的氩气GCIB中提取的中性射束辐照的样本。中性射束被相当于30kV加速的每平方厘米2x 1015个气体团簇离子的辐照剂量的热能量剂量(相当于由射束热能量通量传感器所确定的)所辐照。对两种样本的辐照都是通过允许射束透过的具有大约50微米直径的圆形孔的钴铬接近掩膜(cobalt chrome proximitymask)执行。图13A是用全部射束经掩膜被辐照的样本的300微米×300微米区域的扫描电子显微照片。图13B是用中性射束经掩膜被辐照的样本的300微米×300微米区域的电子扫描照片。图13A所示样本呈现由全部射束在经过掩膜处引起的损坏和蚀刻。图13B所示样本在视觉上没有影响。在生理盐水溶液的洗脱率测试中，与如图13A样本(但没有掩膜)那样处理的样本相比较，如图13B的样本(但没有掩膜)处理的样本呈现较优的(被延时的)洗脱率。该结果支持的结论是，用中性射束的处理有助于期望的延时洗脱效果，而用全部GCIB(带电的加上中性的成分)的处理有助于通过蚀刻造成药物重量损失，具有较差的(较少地被延时)洗脱率效果。
为了进一步说明来自被加速的GCIB中的被加速的中性射束在帮助药物附着到表面上以及以导致延时的药物洗脱的方式的提供药物改进的能力，进行了附加的测试。准备由高度抛光的清洁半导体-质量的硅晶片制成的大约1cmx1cm(1cm2)硅试件用作药物沉积基板。通过在20ml丙酮中溶解500mg的雷帕霉素(Rapamycin，星表号数R-5000,LC实验室，沃本，马萨诸塞州01801，美国)制成雷帕霉素药物溶液。然后使用吸液管分配大约5微升(micro-liter)药物溶液液滴至每个试件。随着溶液的大气压下的蒸发和真空干燥，剩下的大约5mm直径的圆形雷帕霉素沉积在每个硅试件上。试件被分组，留下未辐照的(控制)，或者留下用中性射束辐照的不同条件辐照的。然后这些组被放入各个人血浆的容器(每试件容器)4.5个小时以允许药物洗脱进入血浆。4.5个小时后，试件从血浆容器中取走，在去离子水中冲洗并真空干燥。在以下述处理步骤中测量重量：1)预沉积清洁硅试件重量；2)沉积和干燥后，试件加上沉积药物的重量；3)辐照后重量；以及4)血浆洗脱和真空干燥后重量。因此，对每个工件而言，可得到下述信息：1)加载在每个试件上的沉积药物的初始重量；2)每个工件在辐照过程中的药物损失重量；以及3)每个工件在血浆洗脱过程中的药物损失重量。对每个辐照过的试件，确认在辐照过程中的药物损失忽略不计。在人血浆洗脱过程中的药物损失如表1所示。各组情况如下：对照组—不进行辐照；第1组—用来自经过30kV的VAcc加速的GCIB中的中性射束辐照。第1组辐照射束能量剂量相当于用30kV加速的，每平方厘米5x 1014个气体团簇离子剂量(由射束热能量通量传感器确定的能量当量)；第2组—用来自经过30kV的VAcc加速的GCIB中的中性射束辐照。第2组辐照射束能量剂量相当于用30kV加速，每平方厘米1x 1014个气体团簇离子剂量(由射束热能量通量传感器确定的能量当量)；以及第3组--用来自经过25kV的VAcc加速的GCIB中的中性射束辐照。第3组辐照射束能量剂量相当于用25kV加速，每平方厘米5x 1014个气体团簇离子剂量(由射束热能量通量传感器确定的能量当量)。
表1
表1显示，对于每种中性射束辐照(第1组至第3组)的情况，药物在4.5个小时中洗脱进入人血浆过程中的损失大大低于未辐照对照组的损失。这表明与未辐照药物相比，中性射束辐照导致更好的药物粘合和/或减少的洗脱率。P值(多相未配对T检验(heterogeneous unpaired T-test))表明相对于对照组，每一中性射束辐照的组1-3，在人血浆中洗脱后的药物保留的区别在统计上是显著的。
图15A至15C示出在可被典型地应用在半导体应用中的单晶硅晶片上的全部射束(带电的加上不带电的成分)和电荷分离射束的比较效果。硅基板具有大约1.3nm的初始原生氧化层。在独立的例子中，用全部GCIB(带电的和中性的成分)、来自GCIB(通过偏转从射束中去除带电部分)中的中性射束、以及仅包含从中性成分中分离后GCIB的带电成分的带电的团簇射束处理硅基板。所有三种条件来自相同的初始GCIB条件，即由98％氩气和2％氧气混合物形成的30kV加速的GCIB。对三种射束的每一种，辐照剂量与离子剂量为每平方厘米2x 1015个气体团簇离子的全部射束(带电的加上中性的)输送的总能量匹配。每种射束的能量通量比例使用热传感器测量，并且调整处理持续时间以确保每个样本接收相当于全部(带电的加上中性的)GCIB的相同总热能剂量。三种样本通过切片随后通过透射电镜(TEM)成像进行评价。
图15A为由全部GCIB辐照的硅基板的剖面的TEM图像1000。辐照从图像的顶部方向朝向图像的底部入射在硅基板上。在TEM成像剖切之前，硅基板的上表面(辐照表面)涂上一层环氧树脂保护层以促进剖切操作并避免在剖切过程中对基板的损坏。在TEM图像1000中，可以看到环氧树脂保护层1006在图像的顶部。辐照形成由硅和氧组成的非晶区1004，具有最小厚度大约为4.6nm。作为辐照处理的结果，具有大约4.8nm的峰间值变化的粗糙界面1008形成于非晶区1004和浅层单晶硅1002之间。
图像15B是由GCIB的被分离的带电成分(仅带电部分)辐照的硅基板的的剖面的TEM图像1020。辐照从图像的顶部方向朝向图像的底部入射在硅基板上。在TEM成像剖切之前，硅基板的上表面(辐照表面)涂上一层环氧树脂保护层以促进剖切操作并避免在剖切过程中对基板的损坏。在TEM图像1020中，可以看到环氧树脂保护层1026在图像的顶部。辐照形成由硅和氧组成的非晶区1024，具有最小厚度大约为10.6nm。作为辐照处理的结果，具有大约5.9nm的峰间值变化的粗糙界面1028形成于非晶区1024和浅层单晶硅1022之间。
图像15C是由中性部分(通过偏转分离带电部分并弃去)辐照的硅基板的的剖面的TEM图像1040。辐照从图像的顶部方向朝向图像的底部入射在硅基板上。在TEM成像剖切之前，硅基板的上表面(辐照表面)涂上一层环氧树脂保护层以促进剖切操作并避免在剖切过程中对基板的损坏。在TEM图像1040中，可以看到环氧树脂保护层1046在图像的顶部。辐照形成由硅和氧组成的非晶区1044，具有大约为3.0nm的实质上均匀的厚度。作为辐照处理的结果，具有大约原子级的峰间值变化的光滑界面1048形成于非晶区1044和浅层单晶硅1042之间。
图15A至15C所示的处理结果表明，在半导体应用中，与全部GCIB或仅GCIB的带电部分相比较，通过电荷分离从加速的GCIB中得到的加速中性射束的使用导致较优的辐照处理区域和未辐照处理区域之间的界面。该数据也显示，使用来自GCIB中的中性射束可在硅上形成光滑的均匀的氧化膜，并且这种膜无经常与使用常规GCIB关联的粗糙表面。不希望被具体的理论所束缚，可以认为改善很可能得自于中间尺寸团簇的消除或所有或大部分团簇的消除。
图16是曲线图1060，示出根据本发明一实施例，用中性射束执行的浅层硼植入硅基板的次级离子质谱法(secondary ion mass spectrometry(SIMS))深度轮廓测量的结果。该曲线图示出作为以纳米为单位的深度系数的函数的以每cc的硼原子(原子数/cm3)计的硼浓度1062。使用与图4所述设备相似的设备，30kV加速的GCIB形成于99％氩气(Ar)和1％乙硼烷(B2H6)的混合物。滞留室压力为80psi(5.5x105帕斯卡)，喷嘴流量为200标准立方厘米/分(3.3标准cm3/秒)。全部射束电流(通过偏转分离之前的带电的部分加上中性部分)大约是0.55微安(microA(μΑ))。射束路径中的压力被保持在大约6.9x10-5托(9.2x10-3帕斯卡)，并且形成该压力的背景气体本质上为氩气/乙硼烷。加速器和工件之间的区域的氩气/乙硼烷气体目标厚度大约是2.23x1014个氩气/乙硼烷气体分子/cm2，并且加速的中性射束被观察到在目标中实质上由全部离解的中性分子组成。使用静电偏转，所有的带电粒子被从射束轴线偏转出射束，形成本质上全部离解的中性射束。因此，中性射束是加速单体中性氩气/乙硼烷射束。使用热传感器进行剂量测定，以校正传达给硅基板的总的中性射束剂量，以便中性射束沉积的能量相当于由包括带电和不带电的粒子(未被电荷分离中和)的加速(30kV)GCIB产生的6.3x 1014个气体团簇离子/cm2的辐照剂量沉积的能量。在图16中所示的深度轮廓表明，使用来自GCIB中的中性射束形成的中性射束硼离子植入，导致非常浅的硼植入。估计1018个硼原子/cm3的浓度厚度的接合深度出现在大约12nm的深度，这是一个非常浅的接合。硼剂量和深度的结合指示大约为7.94x 1014个硼原子/cm2的区域密度。
图17是通过来自GCIB中的中性部分(带电部分通过偏转分离并弃去)辐照的硅基板的的剖面的TEM图像1100。使用与图4所述设备相似的设备，30kV加速的GCIB形成于99％氩气(Ar)和1％乙硼烷(B2H6)的混合物。滞留室压力为80psi(6.05x105帕斯卡)，喷嘴流量为200标准立方厘米/分(3.3标准cm3/秒)。全部射束电流(通过偏转分离之前的带电的部分加上中性部分)大约是0.55微安(microA(μΑ))。射束路径中的压力被保持在大约6.8x10-5托(9.07x10-3帕斯卡)，并且形成该压力的背景气体本质上为氩气/乙硼烷。加速器出口和工件之间的区域的氩气/乙硼烷气体目标厚度大约是2.2x1014个氩气/乙硼烷气体分子/cm2，并且加速的中性射束被观察到在目标中实质上由全部离解的中性分子组成。使用静电偏转，所有的带电粒子被从射束轴线偏转出射束，形成中性射束，该中性射束本质上是完全离解的。因此，中性射束是加速单体中性氩气/乙硼烷射束。使用热传感器进行剂量测定，以校正传达给硅基板的总的中性射束剂量，以便中性射束沉积的能量相当于由包括带电和不带电的粒子(未被电荷分离中和)的加速(30kV)GCIB产生的1.8x 1014个气体团簇离子/cm2的辐照剂量沉积的能量。辐照从图像的顶部方向朝向图像的底部入射在硅基板上。在TEM成像剖切之前，硅基板的上表面(辐照表面)涂上一层环氧树脂保护层以促进剖切操作并避免在剖切过程中对基板的损坏。再次参照图17，在TEM图像1100中，可以看到环氧树脂保护层1106在图像的顶部。辐照形成由硅和氧组成的非晶区1104，具有实质上均匀的厚度大约为1.9nm。作为辐照处理的结果，具有大约原子级的峰间值变化的光滑界面1108形成于非晶区1104和浅层单晶硅1102之间。用于引入掺杂剂、应力引发种类等的现有的对半导体材料的GCIB辐照公知在被处理的膜和下层的基板之间形成粗糙的界面，类似于图15A所示的界面1008。已经显示乙硼烷可被用于有效地用硼掺杂半导体，在掺杂膜和下层基板之间具有高质量的界面。通过使用其他含有其他掺杂剂和/或晶格应变(lattice-straining)种类、用于增加掺杂剂固溶极限的种类、或用于促进表面非晶化的种类的气体，与射束中中间尺寸团簇离子的存在可能会导致粗糙表面的常规GCIB技术比较，可获得具有膜和基板之间的较好界面的高质量的膜。某些可被单独使用或在混合物中使用的用于引入掺杂物的含掺杂剂(dopant-containing)的气体是，乙硼烷(B2H6)、三氟化硼(BF3)、三氢化磷(PH3)、五氟化磷(PF5)、三氢化砷(AsH3)，及五氟化砷(AsF5)，作为举例而并非限制，这些气体可被用于将掺杂物原子加入气体团簇。某些可单独或在混合物中使用的用于引入晶格应变(lattice-straining)种类的气体是，四氢化锗(GeH4)、四氟化锗(GeF4)、硅烷(SiH4)、四氟化硅(SiF4)、甲烷(CH4)。某些可单独或在混合物中使用的用于促进非晶化的气体是，不限于，氩气(Ar)、四氢化锗(GeH4)、四氟化锗(GeF4)，以及氟(F2)。某些可单独或在混合物中使用的用于促进掺杂物溶解度的气体是四氢化锗(GeH4)和四氟化锗(GeF4)。含掺杂物的气体，含晶格应变种类的气体，含非晶化种类的气体，和/或含用于改进掺杂物溶解度(可选地为惰性的或其他气体)的种类的气体可被用于混合物中，以同步加速中性射束处理的优点的组合的形成。在图17中，连接数字指示器1108至其目标的导线变化颜色，以保持与该图中的具有不同背景的区域的反差。
图18示出使用来自GCIB的加速中性射束蚀刻硅基板上的二氧化硅(SiO2)膜并蚀刻硅基板后获得的深度轮廓测量曲线1200。使用与图4所述设备相似的设备，30kV加速的GCIB使用氩气形成。滞留室压力为28psi(1.93x105帕斯卡)，喷嘴流量为200标准立方厘米/分(3.3标准cm3/秒)。全部射束电流(通过偏转分离之前的带电的部分加上中性部分)大约是0.50微安(microA(μΑ))。加速器出口和工件之间的区域的氩气气体目标厚度大约是1.49x1014个氩气气体分子/cm2，并且加速的中性射束被观察到在目标中实质上由全部离解的中性分子组成。使用静电偏转，所有的带电粒子被从射束轴线偏转出射束，形成中性射束。因此，中性射束是实质上的加速中性氩气单体射束。因此，中性射束是加速单体中性氩气/乙硼烷射束。使用热传感器进行剂量测定，以校正传达给硅基板的总的中性射束剂量，以便中性射束沉积的能量相当于由包括带电和不带电的粒子(未被电荷分离中和)的加速(30kV)GCIB产生的2.16x 1016个气体团簇离子/cm2的辐照剂量沉积的能量。在硅基板上的二氧化硅(SiO2)膜(大约0.5微米(μm)厚)用窄的(大约0.7毫米宽)聚酰亚胺膜条的条带部分地掩住，然后用加速中性射束辐照。辐照后，聚酰亚胺带被移除。再次参照图18，由于加速中性射束导致的蚀刻，使用TENCOR Alpha-Step 250轮廓曲线仪测量深度轮廓生成深度轮廓测量曲线1200，该深度轮廓在沿SiO2膜(在硅基板上)表面并穿过被聚酰亚胺膜掩住的区域的方向上。高台1202代表在聚酰亚胺膜(在膜去除和清洁后)下面的SiO2膜的未蚀刻的表面，同时区域1204代表蚀刻的部分。加速中性射束产生大约2.4微米(μm)的蚀刻深度，蚀刻全部的0.5微米的SiO2膜，且附加的1.9微米进入下层的晶体硅基板，产生显示在深度轮廓测量曲线1200中的台阶。氩气及其他惰性气体可被用作通过物理装置蚀刻的源气体。通过使用反应性源气体或者使用与反应性气体在混合物中合并的源气体，也能使用中性射束执行反应蚀刻。典型的可被单独使用或在与惰性气体的混合物中使用的反应性气体是(不限于)氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、氨气(NH3)、氟气(F2)、氯气(Cl2)、六氟化硫(SF6)、四氟甲烷(CF4)，以及其他可冷凝的含卤素(halogen-containing)的气体。
图19A和19B是TEM图像，示出在晶体半导体材料中由来自GCIB中的加速中性射束辐照的非晶层产物。辐照从图像的顶部方向朝向图像的底部入射在硅基板上。在TEM成像剖切之前，每个样本的上表面涂上一层环氧树脂保护层以促进剖切操作并避免在剖切过程中对基板的损坏。当裸露的硅暴露时，原生氧化物在空气或水中自然地形成。
图19A是带有原生SiO2膜的硅基板的剖面的TEM图像1220。在TEM图像1220中，可看到环氧树脂保护层1226在图像的顶部。薄的(大约1.3nm)原生氧化膜1224在硅基板1222的下层。
图19B是TEM图像1240，示出通过来自GCIB中的加速氩气中性射束对硅基板的辐照结果。与图19A中所示相似的具有原生氧化膜的硅晶片在1％的氢氟酸水溶液中清洁以去除原生氧化物。清洁的硅基板用形成自氩气的30kV加速的GCIB中的中性射束(通过偏转从射束中去除带电成分)辐照。辐照剂量在能量上匹配全部射束(带电的加上中性的)携带的总能量，全部射束携带的总能量为每平方厘米5x 1014个气体团簇离子的离子剂量，通过使用热传感器使通过中性射束沉积的总能量相当于全部每平方厘米5x 1014个气体团簇离子的射束的总能量。再次参考图19B，TEM图像1240示出环氧树脂保护层1246，通过加速中性射束辐照形成在硅表面中的2.1纳米厚度的非晶膜1244，覆盖晶体硅基板的材料1242。作为辐照处理的结果，具有原子级峰值间变化的光滑界面1248形成于非晶膜1244和下层晶体硅材料1242之间。这说明，惰性气体，氩气(Ar)，可用于在晶体半导体材料中形成非晶层。某些可以通过将其用于本发明实施例的加速中性射束的形成中形成非晶层的其他气体(没有限制)包括，氙气(Xe)、锗烷(GeH4)，及四氟化锗(GeF4)。这种源气体可以被单独使用或在与氩气或其他惰性气体的混合物中使用。在图19B中，连接数字指示器1248至其目标的导线变化颜色，以保持与该图中的具有不同背景的区域的反差。
图20A和20B是TEM图像，示出通过使用来自GCIB中的中性射束使氧化膜在硅上的生长。辐照从图像的顶部方向朝向图像的底部入射在硅基板上。在TEM成像剖切之前，每个样本的上表面涂上一层环氧树脂保护层以促进剖切操作并避免在剖切过程中对基板的损坏。
图20A是TEM图像1260，示出通过来自GCIB中的加速氩气中性射束对硅基板的辐照结果。与图19A中所示相似的具有原生氧化膜的硅晶片在1％的氢氟酸水溶液中清洁以去除原生氧化物。清洁的、裸露的硅基板用从形成自98％氩气和2％氧气的源气体混合物的30kV加速的GCIB中得到的中性射束(通过偏转从射束中去除带电成分)辐照。辐照中性射束剂量在能量上相当于(射束热能量通量传感器所确定的相同能量)30kV加速的GCIB在每平方厘米2.4x 1013个气体团簇离子的离子剂量。再次参考图20A，TEM图像1260示出环氧树脂保护层1266，通过加速中性射束辐照形成在硅表面中的2纳米厚度的氧化膜1264，覆盖晶体硅基板的材料1262作为辐照处理的结果，具有原子级峰值间变化的光滑界面1268形成于氧化膜1264和下层晶体硅材料1262之间。在图20A中，连接数字指示器1268至其目标的导线变化颜色，以保持与该图中的具有不同背景的区域的反差。
图20B是TEM图像1280，示出通过来自GCIB中的加速氩气中性射束对硅基板的辐照结果。与图19A中所示相似的具有原生氧化膜的硅晶片在1％的氢氟酸水溶液中清洁以去除原生氧化物。清洁的、裸露的硅基板用从形成自98％氩气和2％氧气的源气体混合物的30kV加速的GCIB中得到的中性射束(通过偏转从射束中去除带电成分)辐照。辐照中性射束剂量在能量上相当于(射束热能量通量传感器所确定的相同能量)30kV加速的GCIB在每平方厘米4.7x 1014个气体团簇离子的离子剂量。再次参考图20B，TEM图像1280示出环氧树脂保护层1286，通过加速中性射束辐照形成在硅表面中的3.3纳米厚度的氧化膜1284，覆盖晶体硅基板的材料1282。作为辐照处理的结果，具有原子级峰值间变化的光滑界面1288形成于氧化膜1284和下层晶体硅材料1282之间。这说明，包含氧气的中性射束气体可用于在半导体材料的表面上形成氧化层。生长的膜的厚度可以根据辐照剂量的不同而不同。通过在加速中性射束的形成中使用由其他活性种类组成的源气体，其他类型的膜可在半导体或其他表面上生长，例如(没有限制)，可使用氧气(O2)、氮气(N2)或氨气(NH3)，单独或与氩气(Ar)或其他惰性气体的混合物。在图20B中，连接数字指示器1288至其目标的导线变化颜色，以保持与该图中的具有不同背景的区域的反差。
图21示出使用来自GCIB的加速中性射束在硅基板上沉积类金刚石碳后获得的深度轮廓测量曲线图1300。使用与图4所述设备相似的设备，30kV加速的GCIB使用10％甲烷(CH4)和90％氩气的源气体混合物形成。在目标上观察到加速中性射束实质上由全部离解的中性单体组成。使用静电偏转，所有的带电粒子被从射束轴线偏转出射束，形成中性甲烷/氩气射束。因此，中性射束是实质上的加速中性甲烷/氩气单体射束。使用热传感器进行剂量测定，以校正传达给硅基板的总的中性射束剂量，以便中性射束沉积的能量相当于由包括带电和不带电的粒子(未被电荷分离中和)的加速(30kV)GCIB产生的2.8微安(microA)气体团簇离子/cm2的辐照剂量沉积的能量。硅基板上用窄的(大约1毫米宽)聚酰亚胺膜条的条带部分地掩住，然后用加速中性射束辐照基板和掩膜30分钟，沉积类金刚石碳膜。辐照后，掩膜被去除。再次参照图21，由于加速中性射束导致的蚀刻，使用TENCOR Alpha-Step250轮廓曲线仪测量深度轮廓生成深度轮廓测量曲线1300，该深度轮廓在沿硅基板表面的并穿过被聚酰亚胺膜掩住的区域的方向上。平坦区域1302代表在聚酰亚胺膜(膜去除和清洁后)下面的硅基板的初始表面，同时，区域1304代表沉积类金刚石碳的部分。加速中性射束产生大约2.2微米(μm)的沉积厚度，产生显示在深度轮廓测量曲线1300中的台阶。沉积率大约是0.45纳米/秒(nm/sec)对每微安/cm2的GCIB电流(在本段中相当于如上所述的热传感器确定的能量)。在其他测试中，氩气中5％甲烷的混合物和7.5％甲烷混合物产生相似的结果，但是由于在源气体中较低的甲烷百分比具有较低的沉积率。气体混合物和剂量的选择允许具有预先确定厚度的可重复的膜沉积。甲烷，单独的或在与氩气或其他惰性气体的混合物中，是一种用于使用加速中性单体射束沉积碳的有效的源气体。其他可以被单独使用或在与惰性气体的混合物中使用的用于使用加速中性单体射束膜沉积的气体是(没有限制)锗烷(GeH4)、四氟化锗(GeF4)、硅烷(SiH4)、及四氟化硅(SiF4)。
图22示出了由原子力显微镜(AFM)产生的典型图1320，该图评估了硼硅酸盐玻璃(康宁型0211)常规清洁和抛光样品表面的500纳米乘500纳米的区域，该硼硅酸盐玻璃是在如光学窗口、显示器和/或触摸屏基板、显微镜载玻片和盖玻片、过滤器等应用中典型采用的。该表面具有等于0.27的平均粗糙度RA并且显示出若干微凸体1322，其具有约几纳米的高度。总体的峰谷偏差约为4nm或更多。
使用从加速GCIB中获取的实质上全部离解的中性射束处理这样的表面会引起显著的平滑和平面化，并且降低总的峰谷偏差。可以使用由氩源气体形成的从30kV加速的GCIB(通过偏转使带电成分从射束中移除)获得的中性射束辐照康宁型0211光学玻璃的常规清洁和抛光样品。辐照中性射束剂量在能量上等同于30kV加速的GCIB以每平方厘米1x1014个气体团簇离子的离子剂量(通过射束热能通量传感器确定能量当量)。
图23示出了由中性射束辐照玻璃表面在500纳米乘500纳米区域的AFM评估产生的图1340。该表面具有等于0.13纳米的平均粗糙度RA，其约为未辐照材料粗糙度的一半。该表面实质上无微凸体。总的峰谷偏差约为2纳米，约为未辐照光学表面的一半。
通过从不带电成分中分离带电成分，来自加速GCIB中的加速中性射束的使用显示能在半导体处理领域的许多应用中具有增加的优点，该优点是在辐照形成的层和下层的半导体之间的界面非常光滑并优于通过常规GCIB辐照获得的结果。
受益于GCIB或中性射束处理的另一光学应用与在光学基板上粘附光学薄膜的问题相关。通常通过在光学装置上涂覆用于增强或改进性能的各种薄膜来改善光学装置。这样的光学薄膜可以用作保护涂层、防反射涂层、高反射涂层或组合用于形成二向色薄膜光学滤波器。该涂层可以是薄的金属膜(例如铝或金)、介电薄膜(例如氟化镁、氟化钙或金属氧化物)或可以是用于增强防静电性能或充当显示器或触摸感应结构的电极的导电薄膜。通常使用物理气相沉积(PVD)或适于该目的的其他常规技术来沉积这样的薄膜涂层。常见的问题是这样的薄膜通常不能与基板或后续层形成强的界面并且因此并非如期望的那样良好地粘合。因涂层与基板材料之间的相异性使通过PVD以及其他常规技术应用的涂层通常不能与基板材料形成强的结合，因此产生问题。可以采用GCIB或中性射束处理来形成位于光学基板上(位于光学装置上或其他光学涂层上方)的薄膜涂层，该薄膜涂层与通过常规技术应用的涂层相比，粘合的更强。为了实现更高的粘合性能，GCIB或中性射束可以被用于将初始的种涂层(seed coating)转换为与基板坚固结合的界面层，并且之后在界面层上形成期望厚度的最终涂层。虽然在许多情况下可以采用GCIB和中性射束两者，但在基板或涂层是介电或低电导率材料的情形中，优选中性射束，这是由于中性射束具有避免由离子射束处理中固有的电荷传输所引起的损伤的上述优势。GCIB和中性射束处理两者都在没有明显亚表面损伤的情况下实现了增强涂层的粘合性，该损伤通常发生在常规单体离子射束处理中。
图24A到24D示意性说明了本发明实施例的使用GCIB或中性射束技术在光学基板上形成强的粘合光学涂层的步骤。图24A是示出光学基板1402的示意图1400，光学基板1402具有非常薄的光学涂层材料1404的薄膜涂层，涂层1404先前通过如PVD的常规技术应用。在光学涂层材料1404和光学基板1402之间具有界面1406，该界面具有常规粘合性(其对于意向应用是不足的)。基板1402和光学涂层材料1404的厚度不一定按比例示出。GCIB和中性射束具有穿透性，该穿透性取决于射束源材料、所用的射束加速电势、以及射束中存在的任何团簇的尺寸范围(通过充分离解的中性射束，不存在团簇)。例如离解的中性射束在典型光学涂层材料内具有近似约1到3纳米的穿透深度，同时包含团簇的CGIB和中性射束可以具有近似约2到20纳米的穿透深度(全部取决于涂层材料和射束参数)。在本发明该实施例的方法中，光学涂层材料1404的厚度被选定为使实际射束典型参数穿透光学涂层材料1404的整个厚度并且也穿透到光学基板1402的短距离(约1到几纳米)。
图24B是示意图1410，其示出了利用射束1412辐照光学涂层材料1404，射束1412是GCIB或中性射束。结合光学涂层材料1404的厚度来选择射束1412特性，以确保射束1412中入射到光学涂层材料1404上的至少一部分粒子全部穿透光学涂层材料1404。这些穿透通过常规界面1406并且进入光学基板1402约1到几纳米的距离。辐照GCIB剂量或中性射束剂量例如是在如30kV加速GCIB时每平方厘米至少5x1013个离子或在中性射束的情形下在能量上相当于(通过射束热能通量传感器确定的)如具有每平方厘米至少5x1013个气体团簇的离子剂量的30kV加速GCIB。
图24C是示意图1420，其示出了产生自上述辐照的结构。射束与光学涂层材料1404的薄膜的交互驱动光学涂层材料1404的原子进入到光学基板1402，形成混合区1422，其中光学涂层材料1404和光学基板1402的原子充分混合，光学涂层材料原子的浓度梯度在混合区域的上部区域较高并且在混合区域的下部区域接近零。在混合区域1422上部区域中的相似原子促进与光学涂层材料1404的原子的强结合，使光学涂层材料1404与常规界面1406的情况(图4A中示出的)相比更强地粘合到光学基板。光学涂层材料1404的厚度在厚度上需要限定为容许射束穿透以形成混合区1422，该厚度对于期望的光学涂层性能而言可能太薄，在这种情况下，需要另外光学涂层材料的后续沉积来产生所需光学涂层性能。
图24D是示意图1430，其示出了光学涂层材料另外的沉积层1432，沉积层1432使光学涂层材料1404加上光学涂层材料1432的净厚度增加到期望光学效果所需的厚度。材料1404和材料1432通常是相同的材料，但它们可以是不同的材料，只要两种材料形成它们之间的强的粘合。在一种情形下，材料1404可以与光学基板材料和上部材料1432两者都不同，但材料1404可以被选定为与基板和上部材料两者化学结合，而上部材料和光学基板彼此可以不具有固有亲和力。在两者材料(材料1404和材料1432)相同的情形中，原子的相似性在两层之间通常产生比常规界面1406(在图24A中示出)中产生的更强的粘合。
受益于GCIB或中性射束处理的另一应用与材料的大气劣化问题相关。例如光学和其它装置通常采用具有高的期望光学特性的材料，但它同样承受在暴露于普通大气状况下易于使其劣化的特性。当它实际无法避免大气暴露时，这限制了它们的使用或使用寿命或有用的保质期。这样的材料由于表面氧化、吸收大气湿度或由于在大气界面处材料表面的其它反应而劣化。特定的示例是硼酸锂(LBO)材料，如LiB3O5，该材料是许多非线性光学(NLO)应用的优选材料。在NLO应用中，LBO通常优于其它可用材料，但遭受吸湿和通过从大气或其它源中吸收水分而劣化的不足。这限制了该材料在许多应用或者甚至在有限大气保质期在材料进入服务中之前引起劣化的其它应用中的有效寿命。添加表面涂层已经常规地被用于通过提供湿度屏障降低湿度吸收率。然而，这些并非总是如要求地那么有效，并且尤其在光学能量密度高(如激光应用)的应用情形下，涂层可以分层或以其它方式劣化和随着时间推移失效。如本发明上文所述，可以通过使用关于改进膜粘合在前文公开的GCIB和加速中性射束来改善这种涂层的粘合。然而，也可以采用GCIB或加速中性射束辐照形成降低表面反应和/或易湿性的薄屏障。如果需要，形成的辐照屏障可以与后续应用的常规屏障涂层结合使用。虽然GCIB和中性射束两者都可以在多种情形下使用，但处理的材料是介电或低电导率材料的情形下，优选中性射束。这是由于中性射束具有避免由离子射束处理中固有的电荷传输所引起的损伤的上述优势。LBO表面在直接暴露于典型的环境大气状况时迅速劣化。LBO表面的加速中性射束辐照明显推迟这种劣化。
图25A和25B是未处理的LBO光学部件表面的原子力显微镜图，其示出了由于大气暴露的劣化。
图25A示出了未涂覆的LBO光学部件的表面，该表面被暴露于常规空气调节建筑中的典型环境实验气氛中(少于一小时)。该图示出了典型的晶体一微米乘一微米的方形区域。线性槽状结构是在常规抛光表面中的残余划痕。出现了多个升高的隆起部，表明由于吸湿性LBO材料的大气暴露所引起的表面劣化的发生。该表面显示出约0.30纳米的平均粗糙度Ra。
图25B示出了同一片LBO材料典型的一微米乘一微米的方形区域在相同环境实验气氛下暴露100小时。可以看出由于表面上生长的隆起部增加的面积和高度，表面劣化已经进行到大体平均粗糙度Ra增加到约3.58纳米。
图26A和26B是使用从GCIB获取的加速中性射束处理的LBO光学部件的表面的原子力显微镜图，其具有由于大气暴露所引起的降低的劣化。
图26示出了与上文在图25A中示出的同一片未涂覆LBO光学部件的表面。在短暂(少于一小时)暴露于常规空气调节建筑中的环境实验室气氛之后，利用加速中性射束辐照处理一部分表面。在辐照步骤之后，测量图26A中示出的部分被辐照部分的原子力显微镜图。该图示示出紧接在辐照之后的晶体被辐照部分的典型的一微米乘一微米的方形区域。线性槽状划痕不再明显并且表面呈现出约0.26纳米的平均粗糙度Ra。使用从氩GCIB获取的中性射束辐照表面被辐照部分，使用30kV的VACC加速氩GCIB。利用每平方厘米5x1018个氩原子的中性原子剂量进行中性射束辐照。其他实验示出如同每平方厘米2.5x1017个氩原子这么低的中性原子剂量是有效的(可选地，有效的GCIB剂量具有相似的加速度和提供相似剂量氩原子的团簇离子尺寸和剂量组合)。
图26B示出了同一片LBO材料在100小时连续暴露于相同环境实验气氛之后典型的一微米乘一微米的方形区域。其表面劣化进展非常少——平均粗糙度Ra约为0.29纳米。中性射束辐照产生浅表面改性，其充当湿度吸收以及可能的其他形式劣化的屏障，延长吸湿性LBO光学材料的功能使用寿命。在100小时大气暴露结束时，被辐照表面表现出与初始材料在仅一小时大气暴露之后相等或更好的品质。
受益于中性射束处理的进一步应用与硅基板上的SiC或SiCX(0.05<X<3)的形成相关，以提供更硬、更耐热、更不易发生破坏、更耐火、改善化学性能、具有不同晶格常数、可以充当后续层生长的基板、可以充当后续材料(晶格匹配或改善结合)沉积基板、充当硅基板上的碳化硅半导体层或其它方式改善硅基板的表面。
图27A是示意图1500，示出了硅基板1502，硅基板1502可以是单晶硅基板并且可以是用于半导体制造的高纯度。硅基板1502的厚度不一定按比例示出。中性射束具有穿透性，该穿透性取决于射束源材料、所使用的射束加速电势以及存在于射束中的任何团簇的尺寸范围(但完全离解的中性射束不存在团簇)。离解的中性射束例如可以具有进入到典型涂层材料近似约1纳米到3纳米的穿透深度，而包含团簇的中性射束可以具有近似约2到20纳米的穿透深度(取决于目标材料和射束参数)。
图27B是示意图1510，示出了利用射束1512辐照硅基板1502，射束1512是中性射束(优选地离解中性射束)。射束1512特性(包括加速电势和剂量以及源气体)被选定为使它穿透硅基板1502预定期望深度，从而使植入碳原子量为使植入区域内的C:Si比例介于每个硅原子对应约0.05到约3碳原子之间。包含碳的源气体(优选甲烷)被用于提供射束中的碳原子。植入物形成具有期望厚度和碳：硅原子比的植入层(其可以是非晶态的)。辐照中性射束剂量和加速电势的优选范围是如每平方厘米约1x1014个到约5x1016个碳原子(对于包含中性甲烷团簇和/或单体的射束而言)，其在由气体团簇离子形成中性射束或离解中性射束之前使用5到50kV加速电势加速气体团簇离子形成。
图27C是示意图1520，示出了由上述辐照产生的结构。射束与硅基板1502表面的作用将碳和氢原子植入到硅基板1502内，形成植入层1522，其中碳和硅基板1502的原子混合。来自射束的氢原子是不稳定的并且逸出植入层，使碳和硅原子留在该层中。植入层被碳原子扰乱并且如果碳：硅比例足够高可以是非晶态。
图27D是示意图1530，示出了在热处理步骤之后在植入层1522(图27C)上热处理(退火)的效果。热处理优选使用加热炉或能够提供足够的温度-时间处理的辐射加热设备(根据现有技术)在氩气气氛或其它惰性气氛中进行以使植入缺陷退火并且使植入的碳移动到晶格取代位。退火热处理层1532恢复到大体晶态形式。
受益于中性射束处理的进一步应用与在硅基板上形成SiC或SiCX(0.05<X<3)层相关，其作为无光刻胶的光刻蚀的实用方法，该光刻蚀可以应用到制造硅设备的过程中或在制造设备的过程中使用平板印刷技术转移图案以及通过形成碳化物表面进行硬化的其它材料和程序(尤其针对具有受限热平衡的精细制造)。图28A、28B、28C、28D、28E、28F和28G是示意图，其示出了在不使用一些设备先进微制造所需的光刻胶的情况下使用从GCIB中获取的加速中性射束形成基板上的硬掩膜图案过程中的步骤。
图28A是示意图1600，示出了(例如)硅基板1602，硅基板可以是非晶或单晶硅基板并且可以是高纯度的，如用于半导体设备制造或其它微制造的。硅基板1602的厚度不一定按比例示出。接触模板1604设置在硅基板1602上并且与硅基板1602接触。接触模板1604中的开口携带有期望转移给基板1602关于基板1602的后续图案处理的图案。
图28B是示意图1610，示出了利用射束1612辐照硅基板1602，该射束1602是中性射束(优选的离解的中性射束)。射束1612特性(包括加速电势和剂量以及源气体)被选定为使在它穿过接触模板1604中的开口的情况下，它穿透硅基板1602预定期望深度，以使它植入一定量的碳原子，该碳原子量适于使植入区域内的C：Si比例介于每个硅原子对应约0.05到约3个碳原子(优选的每个硅原子对应约0.5到约1.5个碳原子)。含碳源气体(优选甲烷)被用于在射束中提供碳原子。植入形成植入层(可以是非晶态的)，该植入层具有期望的厚度(可以通过射束加速度和剂量的预选择来将该厚度控制在从约1到约3纳米的很浅的范围内)以及在硅基板1602上的有图案区域和/或范围1614内期望的碳：硅原子比例。辐照中性射束剂量和加速电势的范围是例如每平方厘米约1x1014个到约5x1016个碳原子(对于包含中性甲烷团簇和/或单体的射束)，其由在通过气体团簇离子形成中性射束或离解中性射束之前使用5到50kV加速电势加速的气体团簇离子形成。在硅基板1602上形成含碳的图案区域和/或范围1614之后，在另外处理之前移除接触模板1604。在形成含碳的图案区域和/或范围1614之后，可以可选地热处理硅基板1602。可选热处理优选使用加热炉或能够提供足够的温度-时间处理的辐射加热设备(根据现有技术)在氩气气氛或其它惰性气氛中进行以使任何辐照损伤退火并且提升区域1614内的结晶度。
图28C是示意图1620，示出了图案模板的可选设置。在利用射束1612辐照硅基板1602的辐照期间，投影模板1622，而非接触模板，与硅基板1602分隔开。射束1612中的中性粒子穿过模板1622中的开口并且辐照硅基板1602以形成植入区域和/或范围1614，在该情况下粒子穿透硅基板1602预定期望深度以使它植入一定量的碳原子，该碳原子量适于使植入区域内的C：Si比例介于每个硅原子对应约0.05到约3个碳原子(优选的每个硅原子对应约0.5到约1.5个碳原子)。在硅基板1602上形成含碳的图案区域和/或范围1614之后，在另外处理之前移除投影模板1622。在形成含碳的图案区域和/或范围1614之后，可以可选地热处理硅基板1602。可选热处理优选使用加热炉或能够提供足够的温度-时间处理的辐射加热设备(根据现有技术)在氩气气氛或其它惰性气氛中进行以使任何辐照损伤退火并且提升区域1614内的结晶度。
在形成如图28B或28C示出的含碳的图案区域和/或范围之后，可以将它们用作刻蚀掩膜以控制基板的进一步处理。
图28D是示意图1530，示出了由上述图28B或28C中示出的设置图案所产生的结构的后续处理。第二射束(优选中性射束或离解中性射束1634)可以用于刻蚀基板的表面，包括区域和/或范围1614以及未辐照的表面。更硬的和/或密度更大的区域和/或范围1614比未辐照表面更能抵抗射束刻蚀，并且与区域和/或范围1614相比未辐照表面优先被刻蚀(更快地)。射束1634优选地是氩气中性射束或离解中性射束，其通过在中和和分离之前已具有10到70kV的加速度的氩气GCIB形成。这样的射束对于硅和SiC具有不同的刻蚀率，取决于中性射束能量和SiC质量，刻蚀率比通常是约10:1或20:1。在30kV下的加速度，发明人测量到16:1，并且在50kV下的加速度，发明人测量到约8:1(Si：SiC刻蚀率)。射束1634的刻蚀被控制用于在硅基板1602内产生沟槽1632，同时最少地刻蚀较硬和/或密度更大区域和/范围1614，如图28D所示。虽然已经描述使用氩气中性射束或离解中性射束刻蚀，应理解的是可以使用关于Si：SiC具有良好差别刻蚀率的任何常规刻蚀方法来形成沟槽1632。
图28E是示意图1640，说明了图28D中说明技术的可选刻蚀技术。在图28E中，刻蚀射束1642被控制为使较硬的和/或密度较大的区域和/或范围1614被完全刻蚀掉，留下高台1644和沟槽1632，两者都具有由纯硅基板1602材料构成的上表面。虽然这里描述了使用氩气中性射束或离解中性射束刻蚀，但应明白的是可以使用关于Si：SiC具有良好差别刻蚀率的任何常规刻蚀方法来形成沟槽1632。
图28F是示意图1650，说明了在沟槽刻蚀之后形成硬掩膜层的步骤。使用常规方法(优选低温)形成位于基板1602上的硬掩膜(如二氧化硅)层1652，其覆盖在高台1644和沟槽1632上。可以期望，但并非必须的，硬掩膜1652厚度仅略微厚于沟槽1632的深度。可以采用除二氧化硅之外的其它材料，其要求该材料是不污染的材料，该材料能够实施作为后续处理的硬掩膜。在氧化成型之后，使用如CMP(化学加工抛光)的常规工艺整平基板表面。
图28G是示意图1660，说明了在CMP平整之后的结构。在表面平整结构中，硬掩膜区域1664与裸露的硅基板1602材料区域1662交替。在需要升高的硅高台的某些情形下，这可以是最终步骤，其中裸露的硅用于图案的后续处理。在其它工艺中，可以期望上部硅表面与硬掩膜区域1664的底部共面。在这样的情形下需要另外的刻蚀。
图28H是示意图1670，说明了在另外刻蚀步骤之后的结构。采用具有不同刻蚀率的常规刻蚀步骤，该刻蚀率对硅刻蚀快于氧。该示例是利用如Cl2或CCl2F5或类似等离子材料的等离子刻蚀。通过将刻蚀终止点控制为与硅基板1602的上表面平面的形成位置一致，在硬掩膜1664开口中的硅的表面1672被制成为与硅基板1602的上表面相平，并且获得了所示的结构。
尽管已经与硅半导体材料相关的描述了本发明的实施例，但应该理解，其同样适用于其他半导体材料，包括锗，及复合半导体材料，包括但不限于，III-V组和II-VI组及相关的材料，并且本发明的范围倾向于包括那些材料。发明人理解，尽管本发明为了示例性目的而示出有利于处理这种光滑、蚀刻、膜生长、膜沉积、非晶化，及使用硅半导体晶片掺杂，发明人还理解，本发明的优点不仅仅限于处理裸露半导体表面，也可相同地用于处理电路、电装置、光学元件、集成电路、微电子机械系统(MEMS)装置(及其中的部分)及其他装置的部分，这些装置通常使用常规现代技术被构建在硅基板、其他半导体基板，及其他材料的基板上，并且本发明的范围倾向于包括这些应用。
尽管将本发明的中性射束应用于无电荷(charging-free)处理的优点已被说明，但根据对不同的电绝缘和/或非导电性的材料的处理，如绝缘药物涂层、氧化物或氮化物介电薄膜、绝缘腐蚀剂涂层、聚合物、有机膜、玻璃、陶瓷，发明人理解，作为对电荷转移处理技术，如离子束、等离子体等的替代，所有的弱导电性或低导电性材料可从使用本发明的中性射束中受益，并本发明的范围倾向于包括这些材料。发明人进一步地理解，中性射束处理是有益的，不仅因它减少带电特性，还因为其用于处理许多导电性的材料，中性射束的其他优点，特别是中性单体射束处理，产生较少的表面损害、更好的打光、更光滑的被处理的区域层未被处理的区域之间的界面，即使是在金属和高导电性材料中。本发明的范围倾向于包括这些材料的处理。
尽管将本发明的中性射束应用于电气的无电荷(charging-free)处理的优点已相对于处理不同的绝缘和/或非导电性的材料被说明，发明人理解，无电荷中性射束处理的优点同样用于处理导电性的、半导体的，或轻微导电的材料，轻微导电的材料出现在涂层或层或其他覆盖在绝缘层或设置于绝缘基板上的形式中，其中，至少轻微导电的材料具有不可靠的接地连接，或其他用于去除使用电荷输送处理技术处理引发的表面电荷的路径。在这种情况下，至少轻微导电材料的在处理过程中的放电产生对该材料或对下层的绝缘材料的损害。放电和损害可通过使用本发明的中性射束处理被避免。发明人倾向于本发明的范围包括处理这种不同的材料排列，其中至少轻微导电的材料覆盖在绝缘材料上。
虽然已根据不同的实施例对本发明进行了说明，应该认识到，在本发明的精神和范围内，本发明还能有进一步的其他的宽范围的多种实施例。

Claims (20)

1.一种在基板表面上形成带图案的硬掩膜的无光刻胶的方法，包含下列步骤：
提供减压室；
在所述减压室中形成包含气体团簇离子的气体团簇离子射束，所述气体团簇离子包含碳原子；
在所述减压室中加速所述气体团簇离子以形成沿射束路径的加速气体团簇离子射束；
促使沿所述射束路径的所述加速气体团簇离子的至少一部分分裂和/或离解；
在所述减压室中从所述射束路径中移除带电粒子以形成沿所述射束路径的加速中性射束；
将带图案的模板和基板引入到所述减压室中；
将所述基板保持在所述射束路径中；
通过利用所述加速中性射束穿过所述带图案模板中的开口辐照所述基板来处理所述基板的部分表面，以通过将碳原子植入到所述表面的被辐照部分而由所述表面的被辐照部分形成硬化和/或致密的含碳的图案层；
将所述模板从所述基板分离；
一次刻蚀具有含碳的图案层的所述表面以优先移除在所述表面的不含碳部分中的材料，形成一个或多个沟槽和一个或多个高台；
在所述高台和所述沟槽上方形成硬掩膜层；
整平所述硬掩膜层以将其从高台移除，但不从沟槽中移除；以及
可选地，使用所述硬掩膜层作为掩膜来二次刻蚀所述表面以移除基板材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述移除带电粒子的步骤从所述射束路径中移除实质上全部带电粒子。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在通过辐照处理所述基板的部分表面的步骤之后热处理所述基板的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述中性射束实质上由来自所述气体团簇离子射束的气体组成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述促使的步骤包括升高所述加速的步骤中的加速电压或者改善所述形成气体团簇离子射束中的离子化效率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述促使的步骤包括增加所述加速气体团簇离子射束中离子的速度范围。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述促使的步骤包括向所述减压室中引入一种或多种气态元素以增加沿所述射束路径的压力，所述气态元素在形成所述气体团簇离子射束中使用。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述促使的步骤包括利用辐照能量辐照所述加速气体团簇离子射束。
9.根据权利要求1所述的方法，其中处理工件表面的至少一部分的所述中性射束实质上由单体组成。
10.根据权利要求1所述的方法，所述处理步骤进一步包含扫描所述基板以利用所述加速中性射束处理所述表面的扩展部分。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板包含晶态和非晶态的硅。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理步骤形成SiCX层，其中0.05<X<3。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述硬掩膜层包含二氧化硅。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述一次刻蚀步骤采用包含氩的第二加速中性射束。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述二次刻蚀步骤采用Cl2或CCl2F5等离子刻蚀技术。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述加速步骤通过5到50kV的电势加速所述气体团簇离子。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理步骤植入每平方厘米介于1x1014个到5x1016个离子的预定剂量的碳原子。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述含碳的图案层具有1纳米到3纳米的厚度。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述二次刻蚀步骤使所述基板表面与所述硬掩膜区域的底部共面。
20.一种通过权利要求1所述的步骤形成的位于基板表面上的带图案的硬掩膜，所述硬掩膜不存在来源于去除光刻胶材料的残留污染物。
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