JP2005310977A - イオンビーム加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工面の表面粗さを悪化させずに加工時間を短縮する。
【解決手段】ガスクラスターイオンビームを照射してワークを加工するイオンビーム加工方法であって、ガスクラスターイオンビームを加速する加速電圧の値を段階的に又は連続的に減少させながら加工を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）をワークに照射して加工を行うイオンビーム加工方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、ガスクラスターイオンビームを加速する加速電圧の制御に関するものである。

ワーク表面にガスクラスターイオンビームを照射して超精密研磨加工を行う方法として、特開平８−１２０４７０号公報に開示されたガスクラスターイオンビームによる超精密研磨加工方法がある。この超精密研磨加工方法は、ガスクラスターをイオン化し加速してワーク表面に衝突させ、ワーク表面の原子や分子を除去するものである。

クラスター状のイオンはワークとの衝突で壊れ、その際、クラスター構成原子・分子およびワーク構成原子・分子と多体衝突が生じ、ワーク表面に沿う方向への運動が顕著になる。その結果、ワーク表面に沿う方向の切削が可能になる。また、ワーク表面に沿う方向に粒子が運動することにより、ワーク表面の微細な凸部を削り原子サイズでの平坦な超精密研磨を行う。

ガスクラスターイオンビームを加速する加速電圧が過大になると加工面の表面粗さが粗くなり、仕上げ面としての要求精度を満たさなくなる。このため、加速電圧として、要求される表面粗さを満足できる小さな値を選択し、選択した加速電圧値を用いて加工を最初から最後まで行うようにしている。

特開平８−１２０４７０号

しかしながら、上述の超精密研磨加工方法では、加工面の表面粗さを満足する小さな値の加速電圧を用いて加工を最初から最後まで続けているので、加工量が僅かずつで加工速度が遅く、加工に長時間を要していた。

本発明は、加工面の表面粗さを悪化させることなく加工に要する時間を短縮することができるイオンビーム加工方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ガスクラスターイオンビームを照射してワークを加工するイオンビーム加工方法において、ガスクラスターイオンビームを加速する加速電圧の値を段階的に又は連続的に減少させながら加工を行うものである。

したがって、加工の初期段階では大きな値の加速電圧を用いて加工が行われ、加工の最終（仕上げ）段階では小さな値の加速電圧を用いて加工が行われる。ガスクラスターイオンビームの加速電圧の値が大きい場合、ワークの加工量は多くなるが、加工面の表面粗さは粗くなる。一方、ガスクラスターイオンビームの加速電圧の値が小さい場合、ワークの加工量は少なくなるが、加工面の表面粗さは微細になる。このため、加工面の仕上がり具合にあまり影響を与えない加工の初期段階では大きな値の加速電圧を用いて加工を行い、単位時間当たりの加工量を増やして加工時間を短縮させる。一方、加工面の仕上がり具合に大きく影響する加工の最終段階では小さな値の加速電圧を用いて加工を行い、加工面の表面粗さを微細にする。加速電圧の値を段階的に減少させても良く、連続的に減少させても良い。

しかして、請求項１記載のイオンビーム加工方法では、ガスクラスターイオンビームを加速する加速電圧の値を段階的に又は連続的に減少させながら加工を行うので、全体として加工速度を上げながら仕上げ段階では加工面を微細に加工することができる。このため、加工面の表面粗さを悪化させずに加工時間を短縮することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

まず最初に、本発明のイオンビーム加工方法を実施する加工装置について説明する。図１は、本発明のイオンビーム加工方法を実施する加工装置の一例を示している。この加工装置は、ソースチャンバー排気ポンプ１１とメインチャンバー排気ポンプ１２とによって差動排気されるソースチャンバー１とメインチャンバー２の２つの真空室を有している。

ガスボンベ３より供給されたソースガスを、超音速でノズル４より噴出させることによって、断熱膨張によりガスクラスター１５を形成する。生成したガスクラスター１５はスキマー５を通過させ、ビーム形状を整えてイオン化部７に供給される。このイオン化部７では、フィラメント６による電子衝突によりイオン化される。これにより生じたガスクラスターイオン１４は、加速部８において、電界により加速される。ガスクラスターイオン１４は、減速電界部９での減速電界によりクラスターの大きさが選別され、さらに加速部１３において加速されて高電圧を印加したワーク１０へ照射される。

ワーク１０へ照射されたガスクラスターイオン１４はワーク１０との衝突で壊れながらスパッタリング現象によりワーク１０の加工を行う。１個のクラスターは例えば数千個の原子または分子で構成されており、１原子または分子当たりのエネルギーは極めて小さくなる。このため、ガスクラスターイオンビームによるイオンビーム加工は、ワーク１０表面から浅い部分の加工に適していると共に、ワーク１０に与える損傷を抑えた加工を行うことができる。また、１度に多数の原子または分子をワーク１０に衝突させるので、１回の衝突で加工できる量が多くなり、加工速度を上げることができる。加工として、例えば表面の平坦化、ドライエッチング、表面クリーニング、低損傷加工、高品質薄膜形成、極浅イオン注入等を行うことができる。

導入するソースガスとしては、不活性ガス、たとえばアルゴンや、窒素ガス、酸素ガス等の他、化合物の炭酸ガス等、必要に応じて１種または２種以上のガスを単独にあるいは混合して使用することができる。ソースガス圧力については、一般的にはこれを適宜に選択することができるが、この圧力を高くするとクラスターサイズが大きくなり、またクラスターの発生個数も大きくなるため加工の効果や効率を高めることができる。また、スキマー５によりクラスターのビーム形状は例えば円形に整えることができる。さらに差動排気による加工室内を真空に保つためのコンダクタンスをもたせることもできる。

クラスターサイズは減速電界により選別することが可能である。もちろん、サイズの異なるクラスターの他、クラスター状になってないモノマーイオンを単独に使用することも可能であるし、またクラスターとモノマーの混合照射を行うことも可能である。これらの諸条件を適宜に選択してワーク１０の表面を加工する。

なお、ガスクラスターイオンビームのワーク１０表面への照射では、通常は、その表面に対して略垂直方向から照射するのが好ましい。ただ、曲面等の場合には、その表面状況に応じて斜め方向から照射してもよい。また、ワーク１０表面とクラスターイオン照射部との距離や加工表面範囲についても適宜に選択すればよい。この場合、ドーズ量の選択としても考慮される。

ガスクラスターイオンビームを加速する加速電圧の値は増減調整可能となっている。本発明のイオンビーム加工方法では、加速電圧の値を段階的に又は連続的に減少させながら加工を行う。ここで、加速電圧値の減少は図示しない制御用コンピュータによって自動的に操作しても良く、あるいは作業者が手動で操作しても良い。

加工の初期段階では加速電圧値を大きくしておき、加工が進むにつれて加速電圧値を減少させる。加工面の仕上がり具合にあまり影響を与えない加工の初期段階で大きな値の加速電圧を用いて加工を行うことで、単位時間当たりの加工量を増やして、即ち加工速度を上げて加工時間を短縮させることができる。そして、加工面の仕上がり具合に大きく影響する加工の最終段階（仕上げ段階）で小さな値の加速電圧を用いて加工を行うことで、加工面の表面粗さを微細にして高精度で良好な仕上げ面を得ることができる。即ち、加熱電圧の値を減少させる多段階加工を行うことで、加工時間の短縮と加工精度の確保を高レベルで両立することができる。加速電圧の具体的な値は、ワーク１０の材質、行う加工の種類、要求される加工精度等を考慮して決定する。

例えば、加速電圧の値をＡ→Ｂへと２段階に減少させたり、Ａ→Ｃ→Ｂへと３段階に減少させることが考えられる。また、４段階以上に減少させても良い。さらに、加速電圧をＡ→Ｂへと連続的に減少させても良い。ここで、Ａ＞Ｃ＞Ｂであり、Ｂはワーク１０の加工面の表面粗さが仕上げ面として要求される精度を満たすことができ且つ加工を進行させることができる値である。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

ガスクラスターイオンビームの加速電圧とワーク１０の加工面の損傷との関係を調べる実験を行った。ソースガスとしてアルゴンを用いた。また、照射対象のサンプルとして、産業上広く使われている半導体基板であるＧａＡｓ基板とＧａＰ基板を使用した。比較のために、モノマーイオンビームを用いた場合についても実験を行った。

イオンの加速電圧の値を５〜３０ｋＶまで変化させて実験を行った。その結果を表１に示す。ここで、単位（atoms/ion）は、１個のイオン当たり何個の原子が飛ばされたか（スパッタ率）をあらわしている。

ガスクラスターイオンビームを用いた場合、加速電圧の増加に応じてスパッタ率も増加した。これにより、加速電圧を増加させることで加工速度を上げることができることを確認できた。

なお、モノマーイオンビームを用いた場合、実験の加速電圧ではスパッタ率は０であった。ただし、イオンドーズ量（イオン照射量）を増やせばスパッタ率は正の値になることがわかっている。したがって、ガスクラスターイオンビームを用いることで、モノマーイオンビームを用いるよりも、より小さな値の加速電圧で、より速く加工を行うことができることを確認できた。なお、イオンドーズ量を増やすことで損傷深さが深くなる可能性があるので、このことからもガスクラスターイオンビームを用いた方が、モノマーイオンビームを用いるよりも有利である。

次に、加工面の損傷を評価した。評価方法として、サンプルの加工した箇所と加工していない箇所に電子線を照射して出てくる光を分析・比較するカソードルミネッセンス法（ＣＬ法）を用いた。この手法は、光で検出するため非常に高感度である。その結果を表２に示す。ここで、損傷深さとは、損傷により発光しない厚さと定義される。

イオン加速電圧の値の増加に伴い加工面の損傷深さが増加した。これにより、加速電圧が大きい場合には損傷深さが深く、加速電圧を小さくすることで損傷深さを浅くできることを確認できた。加工面の損傷深さが深ければ表面粗さは粗くなり、損傷深さが浅ければ表面粗さは微細になる。したがって、加速電圧の値を小さくすることで加工面の表面粗さを微細にできることを確認できた。

なお、ガスクラスターイオンビームを用いた場合とモノマーイオンビームを用いた場合とを比較すると、ガスクラスターイオンビームを用いた場合の方が損傷深さが浅かった。これにより、ガスクラスターイオンビームを用いた場合の方が加工面の表面粗さを微細にできることを確認できた。

また、例えば半導体基板等のイオンビーム加工では、例えば１００ｎｍよりも浅い部分を加工する必要がある。表１，表２からも明らかなように、ガスクラスターイオンビームを用いることで例えば１００ｎｍよりも浅い部分のみの加工が可能になる。即ち、ガスクラスターイオンビームによるイオンビーム加工は、例えば半導体基板の加工等、浅い部分のみを加工する場合に適していることが確認できた。例えば、１５ｋＶの加速電圧で所定時間の加工を行った後、加速電圧を５ｋＶに減少させて仕上げ加工を行うことが考えられる。

本発明のイオンビーム加工方法を実施する加工装置の概略構成図である。

符号の説明

１０ ワーク
１４ ガスクラスターイオン

Claims (1)

1. ガスクラスターイオンビームを照射してワークを加工するイオンビーム加工方法において、前記ガスクラスターイオンビームを加速する加速電圧の値を段階的に又は連続的に減少させながら加工を行うことを特徴とするイオンビーム加工方法。
   
   

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