JP2007066795A - ガスクラスターイオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスクラスターイオンビーム装置において、ビームライン直近の構造体、特にスキマーへイオン化部から漏出したイオンが衝撃するのを抑制する。
【解決手段】スキマー２とイオン化部５との間に、イオン化部５からスキマー２に向かう荷電粒子の進行方向を変化させる有磁場偏向装置２０が配置されている。有磁場偏向装置２０は、スキマー２を介して生成されたガスクラスタービームのビームラインに対して実質的に垂直な磁場を発生する永久磁石２１と、永久磁石２１によって発生する磁場の方向およびビームラインに垂直な方向にビームタインを挟んで対向して配置されたビームダンパー２２を有している。
【選択図】図３

Description

本発明はガスクラスターイオンビーム装置に関する。

特許文献１には、図６に示すように、クラスター生成部５０、イオン化・ビーム輸送部５１、処理部５２を有するガスクラスターイオンビーム装置が開示されている。ガスクラスターイオンビーム装置内は、排気機構５８によって減圧されており、クラスター生成部５０においては、ノズル５３を通じて高圧のガスが真空中へ放出される。放出されたガスが断熱膨張することによる冷却によって、ガスの構成分子が凝縮し、ガスクラスターが生成される。生成されたガスクラスターは、クラスター生成部５０とイオン化・ビーム輸送部５１を隔てるスキマー５４の小孔を通ることによって、ガス流の中心部から取り出され、ガスクラスタービームとしてイオン化・ビーム輸送部５１へ導入される。

イオン化部５５において、ガスクラスターは、例えば電子衝撃などの方法によりイオン化される。イオン化されたガスクラスターは、イオン化部５５に対してバイアス電位が印加された、ビーム輸送部５６の抽出電極により抽出され、ガスクラスターイオンビームが形成される。すなわち、通常、イオン化部５５は接地電位に対して正にバイアスされており、これと処理部５２側の抽出電極(接地電位)との電位差によって生じる電界により、イオン化されたガスクラスターに加速エネルギーが与えられる。イオン化部５５のバイアス電位は、通常、数kV〜数十kVである。また、スキマー５４を含めたクラスター生成部５０は、通常、接地電位となっている。

形成されたガスクラスターイオンビームは、ビーム輸送部５６によって処理部５２へと輸送され、処理部５２に保持された被処理体の処理に利用される。すなわち、ガスクラスターの照射によって、被処理体の表面洗浄、表面改質、エッチング、あるいは被処理体上への薄膜形成などの所定の処理が行われる。
特表２００３−５２１８１２号公報

前述のガスクラスターイオンビーム装置において、指向性の強いクラスターイオンはビーム輸送部５６によって優先的に処理部５２へと輸送されるが、例えばイオン化・ビーム輸送部５１内の残留ガスとクラスターが衝突して生じたモノマーなどを起源とする指向性の弱いイオンの中には、イオン化部からスキマー５４の方へと漏出するものが生じる場合がある。このようにスキマー５４側へ漏れ出た低エネルギーのイオンは、イオン化部５５と、クラスター生成部５０の、スキマー５４を含む隔壁との電位差（通常数kV〜数十kV）のために加速され、この隔壁を衝撃する。隔壁の中でもスキマー５４は、通常、高々100μm程度の厚みしかなく、前記のイオンの衝撃によりスパッタされ容易に損傷を受ける。また、隔壁への衝撃によりビームラインの直近で二次電子が発生し、それによって、スキマー５４とイオン化部５５との間で異常放電が発生してしまう場合もある。

そこで、本発明の目的は、クラスター生成部とイオン化部との間の、ビームライン直近の構造体、特にスキマーへのイオンの衝撃を抑制することにある。

前述の課題に鑑みて、本発明のガスクラスターイオンビーム装置は、減圧雰囲気中に噴射したガス中に生じたガスクラスターを取り出してガスクラスタービームを生成するスキマーと、ガスクラスタービームをイオン化するイオン化部と、スキマーとイオン化部の間に配置され、イオン化部からスキマーに向かう荷電粒子の進行方向を変化させる偏向装置と、を有することを特徴とする。

上記のように構成された本発明のガスクラスターイオンビーム装置によれば、イオン化部からスキマー側へ漏出するイオンを偏向装置により偏向させ、ビームラインから遠ざけることができる。したがって、イオン化部とスキマーとの電位差によって加速されたイオンがスキマーを衝撃するのを抑制し、スキマーの損傷を抑制する事ができる。また、スキマーだけでなくビームライン近傍の構造物へのイオンの衝撃を抑制することによって、異常放電の発生を抑制することができる。

以下、本発明について図面を参照し実施例を用いて説明する。

（実施例１）
まず、図１を参照して、実施例１のガスクラスターイオンビーム装置の全体構成について説明する。

本実施例のガスクラスターイオンビーム装置は、クラスター生成部３、イオン化・ビーム輸送部１０、および処理部１２を有している。各部はチャンバー内にそれぞれ設けられており、チャンバーに接続された排気ポンプ１３によってそれぞれ所定の圧力に減圧可能である。

クラスター生成部３には、ガスクラスター生成用のガスを噴射するノズル１が配置されている。クラスター生成部３とイオン化・ビーム輸送部１０との間の隔壁４には、ノズル１によって生成されるガス流の中心にあたる位置に小孔を有するスキマー２が設けられている。

イオン化・ビーム輸送部１０には、ガスクラスタービームの進行経路に沿って順に、有磁場偏向装置２０、イオン化部５、ビーム輸送電極群７、永久磁石８、タングステンフィラメント９が配置されている。有磁場偏向装置２０は、イオン化部５において生じたイオンが隔壁４を衝撃するのを抑制する働きをするものであり、この構成については後述する。イオン化部５は、ガスクラスターをイオン化する働きをするものであり、例えば、タングステンフィラメントによって熱電子を発生し、その熱電子を加速してガスクラスターに衝撃する構成とすることができる。

ビーム輸送電極群７は、不図示の電源に接続されて所定のバイアス電位を印加された複数の電極から構成され、発生する電界によって、ガスクラスターイオンを処理部１２側へと加速し、すなわち輸送する働きをする。ビーム輸送電極群７には、イオン化部５に対して負のバイアス電位が印加され、ガスクラスターイオンを引き出す働きをする引き出し電極６が含まれている。本実施例において、イオン化部５は、引き出し電極６に対して所定の正電圧となるように不図示の電源に接続されてバイアス電位を印加されており、イオン化部５の電位は20kVとなっている。一方、引き出し電極６の電位は０Ｖである。また、スキマー２を含む隔壁４の電位は０Ｖである。

ビーム輸送電極群７の後に配置された永久磁石８は、ガスクラスターイオンビーム中に混在するモノマーイオンの進路を変え、ガスクラスターから分離する働きをする。永久磁石８の後に配置されたタングステンフィラメント９は、発生する熱電子によってガスクラスターイオンや帯電した被処理体を中性化する働きをする。

処理部１２内には、イオン化・ビーム輸送部１０からのクラスタビームが入射する位置に、被処理体である基板１１を保持する機構（不図示）が設けられている。

次に、図２を参照して、本実施例の有磁場偏向装置２０の構成について説明する。図２は、有磁場偏向装置２０およびその周辺部分の構成を模式的に示している。

本実施例の有磁場偏向装置２０は、永久磁石２１とビームダンパー２２を有している。永久磁石２１は、ガスクラスタービームの進行経路、すなわちビームラインに対して実質的に垂直な磁場を発生するように、Ｎ極、Ｓ極が図２での上下にビームラインを挟んで対向して位置する構成となっている。ビームダンパー２２は２枚の金属板であり、これらの金属板は、永久磁石２１の発生磁場およびビームラインに対してほぼ垂直な方向にビームラインを挟んで対向するように配置されている。

本実施例において、永久磁石２１としては、残留磁化1.0Tのネオジウム磁石を用いている。有磁場偏向装置３０は、イオン化部５と同様、不図示の電源との接続によってバイアス電位を印加されており、永久磁石２１とビームダンパー２２の電位は、イオン化部５と同じく20kVとなっている。

次に、ガスクラスターイオンビーム装置の動作例について説明する。

0.6MPaのArガスをノズル１から、排気ポンプ１３により予め減圧されたクラスター生成部３へ噴出させる。それによってガスクラスターが発生し、発生したガスクラスターは、スキマー２によって噴流の中心部分から取り出され、ガスクラスタービームが形成される。この際、イオン化・ビーム輸送部１０、処理部１２も予め排気ポンプ１３により減圧されており、スキマー２の小孔を通じてクラスター生成部３が差動排気される構成となっている。

生成されたガスクラスタービームは、イオン化部５においてイオン化される。この際、ガスクラスタービームは、イオン化される前に有磁場偏向装置２０を通過するが、イオン化される前のガスクラスタービームは電気的に中性であるので、有磁場偏向装置２０は、ガスクラスタービームには作用を及ぼさない。

イオン化されたガスクラスターは、引き出し電極６によって引き出され、ビーム輸送電極群７によって処理部１２側へと輸送される。輸送されるガスクラスターイオンビームに含まれるモノマーイオンは、永久磁石８の発生磁場によって除去される。モノマーが除去されたガスクラスターイオンビームは、タングステンフィラメント９からの熱電子によって中性化される。

このようにして処理部１２へと導かれたガスクラスタービームは、処理部１２内に保持された基板１１の所望の個所に照射される。それによって、基板１１への表面洗浄、表面改質、エッチング、あるいは基板１１上への薄膜形成などの所望の処理が行われる。

ガスクラスターイオンビーム装置の動作時、イオン化部５では、ガスクラスターの、イオン化・ビーム輸送部１０内の残留ガスとの衝突やイオン化に伴う解離などのために、ガスクラスタービームの進行方向への指向性の弱いイオンが生じる場合がある。このようなイオンの中には、イオン化部５と隔壁４との間の電位差のために、イオン化部５から隔壁４の方向に進行するものが生じる場合がある。

このように隔壁４の方向へ進行するイオンは、有磁場偏向装置２０を通過する際、永久磁石２１によって発生する、ビームラインに実質的に垂直な方向の磁場のためにローレンツ力を受けて進行方向を変えられ、ビームラインから遠ざかる方向に導かれる。そして、このイオンは、最終的にビームダンパー２２に衝突して電荷を失って電気的に中性になり、したがって、もはやイオン化部５と隔壁４との間の電位差のために、隔壁４側に導かれることはなくなる。この際、有磁場偏向装置２０をイオン化部５と同電位としておくことによって、イオンがイオン化部５と有磁場偏向装置２０の間の電位差によって加速されないようにし、イオンの衝突に伴うビームダンパー２２の消耗を低減し、また、衝突によって二次電子が放出されて異常放電が発生するのを抑制することができる。

以上のように、本実施例の構成によれば、隔壁４、特にスキマー２にイオンが衝撃するのを抑制することができる。それによって、隔壁４部での異常放電を抑制することができ、また、ガスクラスターイオンビーム装置、特に、スキマー２の耐久性を向上させることができる。図５に、本実施例による耐久性向上効果を示す試験結果の例を示す（図５は以下の実施例２，３についての同様の試験結果も示している）。同図に示すように、イオン衝撃が生じやすい条件下において、有磁場偏向装置２０を設けなかった場合には、８時間でスキマーに穿孔が認められたのに対し、有磁場偏向装置２０を設けた本実施例の構成では、同条件下で、100時間経過後もスキマーには十分な残厚があり、損傷は認められなかった。

なお、本実施例では示さなかったが、有磁場偏向装置２０の永久磁石４１には、チャンバー外部より供給した冷却水を循環させたり、熱遮蔽板を設置したりするなど、過熱防止機構を設けることが望ましい。それによって、イオン化部５からの輻射等により永久磁石４１の温度が上昇し、磁力が低下するのを抑制することができる。

また、本実施例では、有磁場偏向装置２０の永久磁石２１としてネオジウム磁石を用いる例を示したが、希土類コバルト磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石などを用いても構わない。また、有磁場偏向装置２０の発生磁場の方向は、イオン化部５５からスキマー２に向かう方向、すなわちビームラインの方向に対して垂直な方向とすれば、イオン化部５５からスキマー２に向かうイオンの方向を、ビームラインから遠ざかる方向に変化させる作用を効果的に得られ、好ましいが、一般には、ビームラインに交差する方向とすれば、この作用が得られる。ビームダンパー２２は金属板に限られず、一般の構造体であってよいが、イオンを中性化して隔壁４側に導かれないようにするために導電体とするのが好ましい。

（実施例２）
次に、図３を参照して実施例２について説明する。図３は、本実施例における有磁場偏向装置３０と、その周囲の構成を模式的に示している。ガスクラスターイオンビーム装置の、有磁場偏向装置３０以外の構成については、実施例１と同様であってよく、詳細な説明は省略する。

本実施例の有磁場偏向装置３０は、コア３１とコイル３２を備える電磁石を有している。この電磁石は、発生磁場がビームラインに対して実質的に垂直になるように配置されている。ビームダンパー３３が、電磁石の発生磁場およびビームラインに対して実質的に垂直な方向にビームラインを挟んで対向するように配置されているのは実施例１と同様である。ビームダンパー３３は金属板であり、コア３１としてはパーマロイを用いている。本実施例においても、スキマー１を含む隔壁４の電位は0V、イオン化部５の電位は20kV、引き出し電極６の電位は0Vである。有磁場偏向装置３０の電磁石とビームダンパー５には、不図示の電源との接続によって、イオン化部５と同じ20kVのバイアス電位が印加されている。

本実施例の構成でも、有磁場偏向装置３０は、イオン化部５へ向かう、電気的に中性のクラスタビームには作用を及ぼさない。一方、イオン化部５において発生したイオンの一部が、隔壁４側に漏出した場合、このイオンは、有磁場偏向装置３０を通る時に、有磁場偏向装置３０の電磁石の発生磁場のためにローレンツ力を受け、ビームラインから遠ざけられて、ビームダンパー３３に衝突する。それによって、隔壁４、特にそのスキマー２にイオンが衝撃するのを抑制することができ、異常放電の抑制、およびスキマー２の耐久性向上効果が得られる。図５に示すように、有磁場偏向装置３０が設けられていない構成において、８時間でスキマーに穿孔が認められた条件下で、本実施例の有磁場偏向装置３０を設けた場合には、８０時間経過後もスキマーには十分な残厚があり、損傷は認められなかった。

なお、本実施例では示さなかったが、有磁場偏向装置３０の電磁石には、チャンバー外部より供給した冷却水を循環させたり、熱遮蔽板を設置したりするなど、過熱防止機構を設けることが望ましい。それによって、イオン化部５からの輻射等により電磁石の温度が上昇し、磁力が低下するのを抑制することができる。また、本実施例では電磁石のコア３１としてパーマロイを用いる例を示したが、フェライトやケイ素鋼など透磁率の高い材料であれば好適に使用することができる。

（実施例３）
次に、図４を参照して実施例３について説明する。図４は、本実施例における有磁場偏向装置４０と、その周囲の構成を模式的に示している。ガスクラスターイオンビーム装置の、有磁場偏向装置４０以外の構成については、実施例１と同様であってよく、詳細な説明は省略する。

本実施例の有磁場偏向装置３０は、ビームラインに実質的に垂直な磁場を発生する磁極４１と、その発生磁場およびビームラインに実質的に垂直な電界を発生する対向電極４３を有するウィーンフィルター４２によって構成されている。本実施例においても、スキマー１を含む隔壁４の電位は0V、イオン化部５の電気は20kV、引き出し電極６の電位は0Vである。有磁場偏向装置４０の磁極４１には、不図示の電源との接続によって、イオン化部５と同じ20kVのバイアス電位が印加されている。ウィーンフィルター４２の発生磁場と発生電界の比E/Bは、除去対象となるイオンの質量などに応じて調整することができ、本実施例では、対向電極４３に20kV±90Vの電圧をそれぞれ印加し、E/Bを2.3×10⁴としている。

本実施例の構成でも、有磁場偏向装置４０は、イオン化部５へ向かう、電気的に中性のクラスタビームには作用を及ぼさない。一方、イオン化部５において発生したイオンの一部が、隔壁４側に漏出した場合、このイオンは、有磁場偏向装置４０を通る時に、ビームラインから遠ざけられる。それによって、隔壁４、特にそのスキマー２にイオンが衝撃するのを抑制することができ、異常放電の抑制、およびスキマー２の耐久性向上効果が得られる。有磁場偏向装置４０にウィーンフィルター４２を用いることによって、除去対象となる所定の質量のイオンを効果に偏向させて除去することができる。図５に示すように、有磁場偏向装置４０が設けられていない構成において、８時間でスキマーに穿孔が認められた条件下で、本実施例の有磁場偏向装置４０を設けた場合には、７０時間経過後もスキマーには十分な残厚があり、損傷は認められなかった。

なお、本実施例では示さなかったが、有磁場偏向装置３０の電磁石には、チャンバー外部より供給した冷却水を循環させたり、熱遮蔽板を設置したりするなど、過熱防止機構を設けることが望ましい。それによって、イオン化部５からの輻射等により電磁石の温度が上昇し、磁力が低下するのを抑制することができる。

本発明の実施例１のガスクラスターイオンビーム装置の構成を示す模式図である。 図１のガスクラスターイオンビーム装置の有磁場偏向装置部分の構成を示す模式図である。 本発明の実施例２のガスクラスターイオンビーム装置の有磁場偏向装置部分の構成を示す模式図である。 本発明の実施例３のガスクラスターイオンビーム装置の有磁場偏向装置部分の構成を示す模式図である。 実施例1〜３と従来例での、スキマーの耐久試験結果を示すグラフであり、スキマー側面の残厚と運転時間との関係を示している。 従来例のガスクラスターイオンビーム装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

２ スキマー
５ イオン化部
２０，３０，４０ 有磁場偏向装置

Claims (8)

1. 減圧雰囲気中に噴射したガス中に生じたガスクラスターを取り出してガスクラスタービームを生成するスキマーと、
   前記ガスクラスタービームをイオン化するイオン化部と、
   前記スキマーと前記イオン化部の間に配置され、前記イオン化部から前記スキマーに向かう荷電粒子の進行方向を変化させる偏向装置と、
   を有するガスクラスターイオンビーム装置。
2. 前記偏向装置は、前記ガスクラスタービームのビームラインに垂直な方向に磁場を発生する磁場発生機構を有する、請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
3. 前記磁場発生機構は永久磁石によって構成されている、請求項２に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
4. 前記磁場発生機構は電磁石によって構成されている、請求項２に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
5. 前記偏向装置は、前記磁場の方向および前記ビームラインに垂直な方向に前記ビームラインを挟んで対向して配置されたビームダンパーをさらに有する、請求項２から４のいずれか１項に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
6. 前記偏向装置は、前記ガスクラスタービームのビームラインに垂直な方向に電界を発生する電界発生機構を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
7. 前記偏向装置はウィーンフィルターを有する、請求項１から６のいずれか１項に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
8. 前記偏向装置を前記イオン化部と同電位にする機構をさらに有する、請求項１から７のいずれか１項に記載のガスクラスターイオンビーム装置。

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