JP2008518407A - ガスクラスターイオンビーム形成のためのイオナイザおよび方法 - Google Patents

Abstract

ガスクラスターイオンビーム形成のためのイオナイザであって、ガスクラスタージェットが横切るイオン化領域を部分的に画定する入力端および出力端と、ガスクラスターイオンビームを形成するためにガスクラスターの少なくとも一部をイオン化する電子を、イオン化領域に対して与える少なくとも一つのプラズマ電子源とを含むイオナイザが開示される。ガスクラスタージェット軸の周りに円筒状に、かつ、実質的に平行に配列された実質的に直線状の棒型電極の１以上のセットを有し、いくつかのセットが、異なる径を有する同心円筒状に配置される。一つの具体例において、イオナイザは、１以上の実質的に直線状の熱イオンフィラメントを含み、該フィラメントがガスクラスタージェット軸に平行に配置される。またイオナイザは、加熱手段、熱イオンフィラメントに対して電子反発作用を起こすために直線状の棒型電極のセットを正確にバイアスする電気バイアス手段を含む。
【選択図】図１０

Description

本発明は対象物の表面処理のためにガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を形成するガスクラスタージェットをイオン化する装置および方法に係り、特に対象物の金属汚染を減少する処理のための高電流ＧＣＩＢ形成に関する。

表面のエッチング、洗浄、平滑化のためにガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を用いることは公知である（例えば、Deguchiらの米国特許５８１４１９４参照）。ＧＣＩＢは炭素含有物質の気化物からフィルムを堆積する補助としても採用されている（例えば、Yamadaらの米国特許６４１６８２０参照）。ここでの議論の目的は、ガスクラスターが物質のナノサイズの集合体であり、標準温度、圧力下ではガス状態ということである。そのようなクラスターは、数千或いはそれ以上の分子が少量の集合体からなり、クラスター形成のため緩い結合をしている。クラスターは電子衝撃によりイオン化され、制御可能なエネルギーを有する方向付けされたビームを形成する。そのようなイオンは典型的には正電荷ｑ・ｅ（ｅは電荷の大きさ、ｑはクラスターイオンの荷電状態を表す１〜数個の整数を示す）を運搬する。クラスターイオン単位では相当なエネルギーを運搬できるが、分子単位ではそれほどでもないエネルギーであるため、大型サイズのクラスターは最も利用価値が高い。クラスターは衝撃で分裂し、それぞれの分子は全クラスターエネルギーのほんの一部を運搬するのみである。その結果、大型クラスターの衝撃の影響は大きいものの、影響は非常に浅い表面領域に限定される。従って、従来のイオンビームプロセスの特徴である表面下深くまで損傷を発生させることなく、ガスクラスターイオンを多様な表面改質プロセスに利用できる。

そのようなＧＣＩＢの発生及び加速の手段は前述の従来技術文献（米国特許５８１４１９４）に詳述されている。現在利用できるクラスターイオン源は、数千までの広範囲のサイズＮ（Ｎは各クラスター内の分子数）を有するクラスターイオンを形成する。アルゴンのような単原子ガスの場合には、単原子ガスの原子は原子あるいは分子とみなされ、そのような単原子ガスのイオン化原子はイオン化原子または分子イオンあるいは単にモノマーイオンと称される。

多くの有用な表面処理効果がＧＣＩＢで表面を衝撃することにより達成できる。これら処理効果には、限定するわけではないが、スムージング、エッチング、膜成長、表面下への注入が含まれる。多くの場合、そのようなプロセスにおいて産業上実用的な成果を達成させるために、数百あるいは数千マイクロアンペア程度のＧＣＩＢ電流が必要である。ＧＣＩＢ形成のためのガスクラスタージェットをイオン化するイオナイザは歴史的には電子衝撃型であり、クラスターを衝撃することによってガスクラスターをイオン化するために熱電子を利用している。そのような衝撃によってガスクラスターから１以上の電子を弾き飛ばし、正に荷電させる。米国特許６６２９５０８では、Dykstraは、ＧＣＩＢ形成のイオナイザの従来技術について開示している。

半導体分野では産業上対象物のＧＣＩＢ処理のために様々な応用技術が現れている。生産性を考慮すれば、そのような応用技術には処理工程において汚染を低レベルに抑えることが求められている。対象物のＧＣＩＢ処理は、多様なガスクラスター源のガスを使用することができ、多くは不活性ガスであるが、半導体処理技術においては、ＧＣＩＢの形成に反応性ガス源を使用することが望まれ、これらと不活性または希ガスとの混合物または組み合わせにて使用される。しばしば、ＧＣＩＢにハロゲン含有ガス、酸素、その他の反応性ガスが不活性ガスまたは希ガスと混合または組み合わされる。これらの反応性ガスは、その腐食性ゆえに半導体処理のガスクラスターイオナイザの設計上問題となる。例えば、ＮＦ₃とＯ₂はエッチングやスムージングプロセスに使用するためＧＣＩＢ形成において組み合わせられる。ＮＦ₃とＯ₂を含むガスクラスターが、ガスクラスターイオン形成のためにイオン化処理において電子衝撃されると、ある程度の量のガスクラスターの揮散によって、イオナイザ内に腐食性のガス成分が放出される。イオン化のための熱電子生成に使用される熱イオンフィラメントは高温で操作されるが、該フィラメントは、放出された反応性あるいは腐食性ガスの影響を受けやすい。特に反応性ガスの分圧が高いと、高温フィラメントだけでなく他のイオナイザ内の低温な構成材料にまで、そのような悪影響が及ぶことになる。腐食性ガスのこのような反応性によって、イオナイザ内のイオナイザフィラメントおよび他の材料に対して二つの重大な障害を生じさせる。一つは、イオナイザ内のフィラメントの使用寿命の短縮であり、微粒子や分子またはイオンの発生によって汚染され、半導体製造プロセスが妨げられるのである。特に熱イオンフィラメントは普通の金属（例えばタングステン）であり、通常のイオナイザを構成する他の材料も殆ど通常の金属（アルミニウム、鉄、モリブデンなど）であるから、ガスクラスターに反応性ガス成分を使用すると、イオン、分子、金属の微粒子、金属原子を含む化合物などを発生させる結果となる。半導体製造プロセスに応用するためのＧＣＩＢ処理において、或いは汚染を低く抑える必要のある他の応用分野においても、処理中に対象物の表面にイオナイザからそのような汚染物が必然的に輸送される結果、該汚染の発生はＧＣＩＢ処理を損なうことになる。

ＧＣＩＢイオナイザ内で高いイオン化効果を得るためには、ガスクラスターのイオン化衝撃に有用な高い電子流が望ましい。熱イオン放出電子源から高い放出流を生じさせるためには、熱イオン放出を制限すると思われる空間電荷効果に打ち勝つために通常高電圧がかけられる。この方法の副作用は、電子をイオン化する衝撃エネルギーが数百ｅＶ以上に高いことである。高エネルギー電子は、多重にイオン化されたガスクラスターイオンの更に高いイオン化状態を生成する。ＧＣＩＢプロセスの応用において、高いイオン化（３、４価のイオン化状態）ガスクラスターイオンが大量に発生することは、却ってプロセスにマイナスと考えられるである。

従って、本発明の目的は、対象物の高生産性処理のために高いイオン化効率のＧＣＩＢを形成するイオナイザ及び方法を提供することである。

本発明の別の目的は、反応性ガス分子を含むガスクラスターを処理する場合でもフィラメントの寿命が長いＧＣＩＢイオナイザを提供することである。

また、別の目的は、反応性ガス分子を含むガスクラスターの存在下に処理する場合であっても、特に金属性汚染を低レベルに抑えるＧＣＩＢイオナイザを提供することである。

ガスクラスターイオンビームを形成するためのガスクラスタージェットをイオン化するイオナイザは、高いガス伝導性を促進するための非常に透明な構造と、イオン化処理中の最小の内部圧力を実現した。プラズマ源は比較的低いエネルギーで豊富な電子を供給する。前記プラズマ源は、イオン化されるガスクラスターから生じるかもしれない腐食性ガス成分と熱イオンフィラメントの間の相互作用を減少させるために、ガスクラスターイオン化領域から独立した熱イオンフィラメントを有する。本質的に、前記設計は、ＧＣＩＢ処理装置内で処理する対象物への微粒子や金属の汚染を低くするために、非金属の構成材料で置換されている。ガスクラスタージェットやその放出物に曝される殆どの部品は高純度グラファイトから構成され、加熱金属フィラメントが使用されていてもそれはいかなる反応性ガスクラスタージェットおよび放出物との相互作用が殆どない構造とされる。その結果、フィラメントの使用寿命が延長され、金属フィラメントからの汚染の可能性が減少した。

図１は従来技術で知られるＧＣＩＢ処理装置１００の構造を示したもので、詳細は以下の通りである。：真空容器１０２は３つの連通チャンバー（ソースチャンバー１０４、イオン化/加速チャンバー１０６及び処理チャンバー１０８）に分割されている。３つのチャンバーは真空ポンプシステム１４６a、１４６b、１４６cでそれぞれ適した作動圧力に減圧される。ガス保存シリンダー１１１に保存された濃縮可能なソースガス１１２（例えばアルゴンまたは酸素）は加圧下でガスメータバルブ１１３とガス供給チューブ１１４を通って滞留チャンバー１１６に導入され、適正な形状を有するノズル１１０を介して実質的にさらに低い圧力内に放出される。よって超音速ガスジェット１１８が発生する。ジェットの膨張による冷却はガスジェット１１８の一部をクラスター状態に濃縮し、それぞれのクラスターは数個から数千個の弱く結合した原子または分子を含む。ガススキマー開口部１２０は、高い圧力が有害である下流領域（例：イオナイザ１２２、高電圧電極１２６、処理チャンバー１０８）を減圧するため、クラスタージェットに濃縮されなかったガス分子をクラスタージェットから部分的に分割する。濃縮可能なソースガス１１２に適するものとしてアルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素、ＮＦ₃、他のガスまたはガス混合物がある。

ガスクラスターを含む超音速ガスジェット１１８が形成され、前記クラスターがイオナイザ１２２内でイオン化される。イオナイザ１２２は典型的には電子衝撃イオナイザであり、一以上の白熱フィラメント１２４から熱電子を発生させ、ジェットがイオナイザ１２２を通過する際に、ガスジェット１１８内のガスクラスターと衝突させることで、電子を加速して指向させる。電子衝撃はクラスターから電子を弾き出し、クラスターの一部を正にイオン化させる。一部のクラスターは１以上の電子を弾き出して多重イオン化される。抑制電極１４２、基礎電極１４４がイオナイザ出口開口部１２６からクラスターイオンを導出し、所望のエネルギー（典型的には数百Ｖから数十ｋＶの加速電圧により）に加速する。集束させてＧＣＩＢ１２８を形成する。ガスクラスターを含む超音速ガスジェット１１８の軸１２９は実質的にＧＣＩＢ１２８と同軸である。フィラメント電源１３６はフィラメント電圧Ｖｆを与えてイオナイザーフィラメント１２４を加熱する。陽極電源１３４は陽極電圧Ｖ_Ａを与え、フィラメント１２４から放出された熱電子を加速してガスジェット混入クラスター１１８を照射し、イオンを発生させる。抑制電源１３８は抑制電圧Ｖ_Ｓを与え抑制電極１４２をバイアスする。加速電源１４０は加速電圧Ｖ_ＡＣＣを与え、イオナイザ１２２に関して抑制電極１４２と基礎電極１４４をバイアスし、Ｖ_ＡＣＣに等しい加速を全ＧＣＩＢに与える。抑制電極１４２はイオナイザ１２２の出口開口部１２６からイオンを導出する役割を果たし、下流からイオナイザ１２２内に望ましくない電子の浸入を防止し、ＧＣＩＢ１２８を集束させる。

半導体ウェハーまたはＧＣＩＢ処理により処理される他の半製品である対象物１５２は対象物保持ホルダー１５０で保持され、ＧＣＩＢ１２８の通路内に置かれる。ほとんどの利用が空間的に均等な結果を要する大型対象物の処理を想定するので、空間的に均質な対象物処理の結果を与えるために、対象物１５２の広い範囲にわたって静止したＧＣＩＢ１２８を均質にスキャン処理するシステムが望ましい。

Ｘスキャンアクチュエータ２０２はＸスキャン動作２０８方向（紙面に対し垂直）に対象物ホルダー１５０の線状動作を与える。Ｙスキャンアクチュエータ２０４はＹスキャン動作２１０方向に対象物ホルダー１５０の線状動作を与える。この方向は典型的にはＸスキャン動作２０８に直交する。Ｘスキャン動作とＹスキャン動作の組み合わせで対象物ホルダー１５０に保持された対象物１５２を走査線様（raster-like）のスキャニング動作にてＧＣＩＢ１２８を通過移動させ、ＧＣＩＢ１２８により対象物１５２の表面に均質な（或いはプログラムされた）照射をし、対象物１５２を均一に処理する。対象物ホルダー１５０は対象物１５２をＧＣＩＢ１２８の軸に対して傾斜させ、ＧＣＩＢ１２８が対象物１５２の表面に対してビーム入射角２０６を有するように配置する。ビーム入射角２０６は９０°その他であるが、典型的には９０°または約９０°である。Ｙスキャニング中に、対象物ホルダー１５０に保持された対象物１５２は図示の１５２Ａと１５０Ａでそれぞれ示されたポジションから別ポジションＡに移動する。これら２ポジション間で移動するとき、対象物１５２はＧＣＩＢ１２８を通ってスキャン処理され、両端でＧＣＩＢ１２８の通路から完全に外れる（オーバースキャン）。図１では明示されないが、同様なスキャニングとオーバースキャンが（典型的には）直交Ｘスキャン動作２０８方向（紙面に垂直）で実行される。

ビーム電流センサー２１８は、ＧＣＩＢ１２８の通路内の対象物ホルダー１５０の後ろに設置され、対象物ホルダー１５０がＧＣＩＢ１２８の通路を外れてスキャン処理されるとき、ＧＣＩＢ１２８のサンプルを受信する。ビーム電流センサー２１８は典型的にはファラディカップ等であり、ビーム進入口以外は閉じており、真空容器１０２の壁に電気絶縁マウント２１２で固定されている。

マイコンベースのコントローラーのような、コントローラー２２０はＸスキャンアクチュエータ２０２とＹスキャンアクチュエータ２０４とに電気ケーブル２１６を介して接続され、Ｘスキャンアクチュエータ２０２とＹスキャンアクチュエータ２０４とを制御し、対象物１５２をＧＣＩＢ１２８光路の内外に設置し、対象物１５２をＧＣＩＢ１２８に対して均質にスキャン処理し、ＧＣＩＢ１２８による対象物１５２の均一な処理を達成する。コントローラー２２０はリード線２１４を介してビーム電流センサー２１８で収集されたサンプルビーム電流を受信し、ＧＣＩＢをモニターして所望のスキャンがされたとき、ＧＣＩＢ１２８から対象物１５２を外すことで対象物１５２によって受容されるＧＣＩＢ量を制御する。

図２はガスクラスタージェットをイオン化する従来技術のガスクラスターイオナイザの一部３００を示す。図はクラスターイオンジェットの軸１２９の断面図である。スキマー（１２０、図１）から出てイオナイザに入るクラスターは概略音速ガスで運ばれてくる。典型的なガスクラスターの大きさ（２０００〜１５０００原子）は、１３０〜１０００ｅＶの運動エネルギーに相当する。これらの低エネルギーにおいて、イオナイザ内で電気的中性の空間から離れて、ビーム電流の損失とともにジェットの急速な爆発が起こる。図２は従来技術の自己中和型イオナイザの概略図である。他の従来技術のイオナイザもそうであるが、ガスクラスターは電子衝撃によってイオン化される。この設計では、熱電子（３１０で７つ例示する）は複数線の熱イオンフィラメント３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ（典型的にはタングステン）から放出され、電子反発電極３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃおよびビーム形成電極３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃによって適正な電場を与えて集束させられる。熱電子３１０はガスクラスター、ガスクラスタージェットの軸１２９を通過して、向かい側のビーム形成電極３０４ｂに衝突し低エネルギーの第二電子（３１２，３１４、３１６で例示する）を生成する。（単純化のために）示されてはいないが、線状熱イオンフィラメント３０２ｂ、３０２ｃもまた熱電子および低エネルギーの第二電子を生成する。すべての前記第二電子は、空間電荷を中性に維持するように、正にイオン化されたガスクラスタージェットの中に引きつけられて低エネルギー電子を与え、イオン化クラスタージェットを電気的中性空間として保証する役割を果たす。ビーム形成電極３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃは、対応する線上熱イオンフィラメント３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃにより正にバイアスされ、電子反発電極３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃは、対応する線上熱イオンフィラメント３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃにより負にバイアスされる。絶縁体３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃ、３０８ｄ、３０８ｅ、３０８ｆは電極を電気的に絶縁し支持する。この自己中和型イオナイザは１０００μＡ以上のアルゴンＧＣＩＢに非常に効果的である。図２の自己中和型イオナイザの大きな制限は、イオン化処理中にガスクラスターから放出されたガスにより内部圧力が上昇することである。腐食性ガス、特に酸素中のＮＦ₃は、様々なイオナイザの部品、特に線状熱イオンフィラメント３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃに攻撃する。従って、フィラメントの寿命は短縮され、ＧＣＩＢ処理による対象物への受け入れがたい金属汚染が発生する。

図３にはガスクラスタージェットのイオン化のために改良されたガスクラスターイオナイザの部分３５０が示されている。クラスターイオンジェットの軸１２９の断面を示したものである。この設計では、図２に示される自己中和型イオナイザの大きな電極の代わりに、クラスターイオンジェットの軸１２９を中心とする円周上に細い棒型電極が配置されている。複数の線状熱イオンフィラメント３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃ（典型的にはタングステン）は、クラスターイオンジェット軸１２９に対して平行、等間隔かつ幾何対称に配置される。複数の細い棒型陽極（３５４として例示）は、クラスターイオンジェット軸１２９を中心とする円周５３６上に並べられている。陽極（３５４として例示）は、線状熱イオンフィラメント３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃの電位に関連して、すべて同じ正の電圧にバイアスされている。複数の細い電子反発電極（３５８として例示）はクラスターイオンジェット軸１２９を中心とする円周５６０上（であって円周３５６よりも大きな径である）に並べられている。該電子反発電極（３５８として例示）は、線状熱イオンフィラメント３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃの電位に関連して、すべて同じ負の電圧にバイアスされている。前記複数の線状熱イオンフィラメント３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃは、円周３５６と円周３６０の中間で、クラスターイオンジェット軸１２９から等間隔でかつ、幾何対称に配置されている。全ての電極は図示されていない支持プレートによって支持され、イオナイザの全体構造を支持するロッド（３６２ａ、３６２ｂで例示）によって機械的に構造維持されている。

図４は、図３に示された改良ガスクラスターイオナイザの計算上のシミュレーションが示されている。シミュレーションにおいて、陽極（例えば）３５４はＶ_ＡＣＣ（イオナイザ電圧）でバイアスされている。複数の線状熱イオンフィラメント（例えば）３５２ｃは、Ｖ_ＡＣＣが−１６５Ｖでバイアスされている。電子反発電極（例えば）３５８は、Ｖ_ＡＣＣ＋３２５Ｖでバイアスされている。シミュレーションでは、電界の等高線（例えば）３８２が示され、熱電子（例えば）３８４は熱イオンフィラメント（例えば）３５２ｃから引き出されて陽極（例えば）３５４のうちの一つに衝突するまでイオナイザ内の軌道に存在する。一つの電子が陽極に衝突する様子が３８６に示されている。熱電子軌道は、ガスクラスタージェット内のガスクラスターをイオン化する高い効果を有する。熱電子は、いずれ必ず陽極（例えば）３５４に衝突し、大量の低エネルギー第二電子（単純化のため図示せず）を放出する。自己中和型イオナイザ内では、前記のように、すべての前記第二電子が、空間電荷を中性に維持するように、正にイオン化されたガスクラスタージェットの中に引きつけられて低エネルギー電子を与え、イオン化クラスタージェットを電気的中性空間として保証する役割を果たす。イオナイザの細い棒型電極の構造は従来の自己中和型イオナイザ（図２）に比べて高いコンダクタンスを有し、イオナイザ内の操作圧を低くする。そのような低圧により、従来技術のイオナイザ（図２）で実行されていた汚染イオン、分子、微粒子の生成を実質的に減少させる。しかし熱イオンフィラメント３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃはガスクラスターから放出された反応成分に直接さらされるので、特にＮＦ₃−Ｏ₂混合物のような腐食性ガスの場合は、汚染の可能性がまだ高い。

図５は本発明による改良されたイオナイザ４００の斜視図である。熱い熱イオン金属製フィラメントをガスクラスターから放出される腐食性ガスから隔離するために、電子源として従来の設計の熱イオンフィラメントの代わりに希ガスプラズマ電子源を採用した。このイオナイザは、開口部、細い棒型電極、その構造などは前記図３、図４で低圧操作として記載した内容とほぼ同じである。衝撃イオン化電子源が熱金属フィラメントよりも希ガスプラズマであること、ガスクラスタージェットから放出される腐食性または反応性ガスにさらされる全ての構造材料が高純度グラファイトであることから、イオナイザによる金属汚染の発生は極めて低い。金属（典型的にはタングステン）フィラメントがプラズマ電子源の発生のためにプラズマ源内に採用されているが、それが隔離されているため、ガスクラスタージェットの放出する腐食性・反応性成分との相互作用がない。改良されたイオナイザ４００はガスクラスター軸１２９を囲んでいる。イオナイザの上流または入力端には延長チューブ４０２がある。イオナイザの下流または出口には出口電極４０４がある。複数の開口４０６（３つを例示した）は、ガスクラスタージェット軸１２９に沿ってやってくるガスクラスターを衝撃イオン化するための希ガスプラズマ電子源からの電子をイオン化領域に導入する。Ａ−Ａ面またはＢ−Ｂ面での断面図を後に図示する。電気絶縁体の支持体４０８は、ガスクラスタージェット軸１２９に対してイオナイザを適当な位置に固定し、対象物の処理のためにＧＣＩＢを加速するエネルギーである高電圧Ｖ_ＡＣＣをイオナイザ本体に与えるため電気的バイアスを許容する。延長チューブ４０２は、長さＬ_Eを有し、イオナイザ４００とスキマー開口（図１３の１２０）との高い電圧差によってイオナイザ入口端からイオナイザ内で形成された陽イオンが逆流することを防止する作用がある。延長チューブ４０３はイオン化電圧（Ｖ_ＡＣＣ）であり、上流方向における、イオナイザ４００内のイオンを外部の電界から遮断する。支持プレート４１０については図７の所で説明する。

図６は図５で示された改良イオナイザ４００の断面図４５０を示す。図５をＢ−Ｂ面でカットした斜視図である。細い棒型電極４５２（図では３つを指示）の部分的円筒配列が、支持プレート４５４と電気的に接続し支持されている。電気接続ターミナル４５６は、支持プレート４５４と細い棒型電極４５２をバイアスして電気的に接続されている。細い棒型電極４５２の部分的円筒配列は、ガスクラスタージェット軸（図５の１２９）を実質的に同心とする。細い棒型の電子反発電極４５８（図では３つを指示）の部分的円筒配列は支持プレート４６０により電気的に接続し支持されている。細い棒型の電子反発電極４５８の部分的円筒配列は、ガスクラスタージェット軸（図５の１２９）を実質的に同心とする。電気接続ターミナル４６２は、支持プレート４６０と細い棒型の陽極４５８をバイアスして電気的に接続されている。細い棒型のイオン反発電極４６４（図では２つを指示）の部分的円筒配列は、支持プレート４６６と電気的に接続し支持されている。細い棒型のイオン反発電極４６４の部分的円筒配列は、ガスクラスタージェット軸（図５の１２９）を実質的に同心とする。電気接続ターミナル４６８は、支持プレート４６６と細い棒型の陽極４６４をバイアスして電気的に接続されている。希ガスプラズマ電子源は、プラズマボディ４７０、プラズマチャンバ４７２、熱イオンフィラメント４７６、希ガス入力開口４８６、複数のプラズマ源チャンバ放出開口４８０（７つのうちの１つについて指示）を含み構成される。２つのフィラメント締め付けクランプ４７８（断面図では一方のみ指示）が、１−１／２回転のピッグテイル（pigtail 図７で詳述する）型タングステンフィラメントである熱イオンフィラメント４７６との電気的接続を与える。電子加速電極４８８は複数の開口４８２（図では７つのうちの１つについて指示）を有する。電子減速電極４９０は、複数の開口４８４（図では７つのうちの１つについて指示）を有する。複数の開口４８４、４８２、４８０は、複数のプラズマ源チャンバ放出開口４８０から開口４８２を通って、開口４８４を抜けるように、すべてが連通されている。

図７は図５で示された改良イオナイザ４００の断面図５００を示す。図５をＢ−Ｂ面でカットした図である。この図はイオナイザ４００が径Ｒ₀のクリア開口を有することを示している。好ましい具体例では、Ｒ₀は１７ｍｍである。細い陽極４５２（図では１５のうちの３つについて指示）の部分的円筒配列の径はＲ₁を有する。好ましい具体例では、Ｒ₁は２２ｍｍである。細い棒型電子反発電極４５８（図では１３のうちの３つについて指示）の部分的円筒配列の径はＲ₂を有する。好ましい具体例では、Ｒ₂は３３ｍｍである。細い棒型イオン反発電極４６４（図では１１のうちの２つについて指示）の部分的円筒配列の径はＲ₃を有する。好ましい具体例では、Ｒ₃は４６ｍｍである。改良されたイオナイザ４００の活性イオン化領域は径Ｒ₀と、細い棒型電子反発電極４５８の部分的円筒配列の反対側を支持する対面支持プレート（図５の４１０）と支持プレート４６０との間の距離Ｌにより、規定される円筒状容積を有する。好ましい具体例ではＬは約２．８Ｒ₀である。Ｌの値は１．８Ｒ₀以上が好ましい。延長チューブの長さはＬ_Eである。好ましい具体例ではＬ_Eは約４Ｒ₀である。Ｌ_Eは２Ｒ₀以上が好ましく、Ｌ_Eが長いと一般的に放出イオンの逆流を減少させる効果がある。

図８は希ガスプラズマ電子源の放出開口の構造５５０を詳細に示した図である。７つの放出開口のうち、６つの開口４８０（図では１つのみ指示）が均等の間隔で約１８ｍｍの径の円周５５２上に並び、７つ目が中心開口５５４に配置されている。挿入図５５６は、開口４８０をさらに詳細に示している。内径が約３ｍｍであり、出口側の径が約５ｍｍである。対応する電子加速電極４８８の開口は約５．５ｍｍであり、対応する電子減速電極４９０の開口は約６ｍｍである。

図９は、改良イオナイザ４００の電極のバイアスを詳細に示したシステム６００の概略図である。熱イオンフィラメント４７６は、絶縁体６０２によってプラズマチャンバボディ４７０から隔離されている。希ガスがプラズマチャンバ４７２内に希ガス入力開口４８６を通じて導入される。ガス供給チューブ６２２は、圧縮希ガス（好ましくはアルゴン）を遠隔制御ガス弁６２４（好ましくは光ファイバーコントロール入力を有する質量流量制御弁）を通して供給する。ガス弁はガス供給チューブ６２８を通して希ガス入力開口４８６からプラズマチャンバ４７２内に低圧ガスの入力を制御する。前記遠隔制御ガス弁６２４は、ガス供給チューブ６２８内の低圧ガスを通して高電圧絶縁破壊を回避するため、イオナイザの電圧（約Ｖ_ＡＣＣ）を有する。絶縁されたガス供給チューブ６２２は、ガス管を通じて高電圧放電を防止し、１気圧以上の雰囲気下でガスのみを含む。フィラメント電源６０８は、熱電子の放出を促進するために熱イオンフィラメント４７６にフィラメント電圧Ｖ_Fを供給する。フィラメント電源６０８は、３〜５Ｖの約１４０〜２００Ａで制御される。アーク電源６１０は、熱イオンフィラメント４７６に対応する陽性のプラズマチャンバボディ４７０にバイアスするようにアーク電圧を供給する。アーク電源６１０は、典型的には固定電圧Ｖ_A約３５Ｖであり、プラズマチャンバ内でプラズマを形成して電子を加速する手段を与える。フィラメント電流は、アーク電源６１０により供給されたアーク電流を調整するために制御される。アーク電源６１０は、プラズマアークに５Ａのアーク電流を与えることができる。プラズマチャンバ４７２内のアークによりチャンバ内にアルゴンプラズマが生成する。アルゴンプラズマ中の電子は、プラズマチャンバ４７２から引き出され、加速-減速抽出システムによってイオナイザに誘導される。電子減速電極４９０は電子バイアス電源６１２によってプラズマチャンバボディ４７０に対応して正にバイアスされている。電子バイアス電源６１２は、バイアス電圧Ｖ_Bを与える。Ｖ_Bは３０〜４００Ｖの範囲で制御可能に調整される。電子加速電極４８８は電子抽出電源６１６により電子減速電極４９０に対応して正にバイアスされている。電子抽出電源６１６は電子抽出電圧Ｖ_EEを与える。Ｖ_EEは、２０〜２５０Ｖの範囲で制御可能に調整される。加速電源６２０は、加速電圧Ｖ_Accを供給し、細い棒型陽極４５２、電子減速電極４９０をバイアスし、延長チューブ（図５の４０２）、出口電極（図５の４０４）には、接地に対して正にバイアスする。Ｖ_Accは、イオナイザ４００内で生成したガスクラスターイオンのための加速電位であり、１〜８０ｋＶで制御調整される。電子反発電源６１４は、電子反発のバイアス電圧Ｖ_ERを与えて、Ｖ_Accに対して電子反発電極を負にバイアスする。Ｖ_ERは５０〜１００Ｖで制御調整される。イオン反発電源６１８はイオン反発のバイアス電圧Ｖ_IRを与え、イオン反発電極４６４をＶ_Accに対して正にバイアスする。Ｖ_IRは、５０〜１５０Ｖで制御調整される。光ファイバーコントローラー６３０は、ケーブル６３４を通じて電気制御信号を受け、それらを光信号に変えて、接地された制御システムからの信号を用いた高い電位でのコンポーネントの操作を制御する光ファイバーコントロールリンク６３２に送信する。光ファイバーコントロールリンク６３２は制御信号を、制御可能なガス弁６２４、フィラメント電源６０８、アーク電源６１０、電子バイアス電源６１２、電子反発電源６１４、電子抽出電源６１６、そしてイオン反発電源６１８にそれぞれ送信する。

図１０は、希ガスプラズマ電子源でプラズマを発生させ、電子を抽出するシステムの一部６４０の概略図である。アルゴンプラズマ６４２はプラズマチャンバ（図９の４７２）内で生成される。電子６４４はアルゴンプラズマ６４２から引き抜かれ、改良イオナイザ４００の活性イオン化領域に導入される。図４で述べたように、引き抜かれた電子６４４は静電的に軌道に閉じ込められ、ガスクラスターをイオン化し、または細い棒型陽極４５２に衝突し、或いは電子減速電極４９０で大量の低エネルギー第二電子を生じる。第二電子は、空間電荷を中性に維持するように、正にイオン化されたガスクラスタージェットが中性になろうとする要求に応じて低エネルギー電子を与え、新しく形成されたイオン化クラスタージェットを空間電荷が中性に維持されるように保証する役割を果たす。制御可能なガス弁６２４はガス供給チューブ６２８を通じてプラズマチャンバ（図６の４７２）内に低圧アルゴンガスを継続して供給するので、複数の開口６４６を通してプラズマチャンバ（図６の４７２）から希ガス（好ましくはアルゴン）の継続的流れがあり、プラズマチャンバ（図６の４７２）内の圧力がプラズマチャンバの外側の活性領域内よりも高くなる。この流れはガスクラスタージェットから放出される反応性、腐食性ガスの侵入を低減し、プラズマチャンバ内で熱イオンフィラメント（図９の４７６）と反応することを防止する。もちろん、複数の開口６４６を通ってプラズマチャンバ内に反応性ガスが、ある程度逆流拡散するかもしれない。しかし、その量は極めて少なく実際には影響がない。少量のタングステンが熱イオンフィラメントから揮発すること、複数の開口６４６を通って処理に金属汚染が混入することも予測できるが、従来のＧＣＩＢ処理に比較すれば極めて少量である。従って、反応性ガスと熱イオンフィラメントとの相互作用は制限され、すべての電極およびそれらを支持するプレートは高純度のグラファイトから構成されているので、改良されたイオナイザ４００は、反応性ガスとイオナイザとの相互作用の結果金属汚染が生じる機会はほとんどないのである。

図１１は第二の好ましい具体例の一部６５０の概略図で、プラズマチャンバボディ６６２内からの抽出開口６５６（６のうち１つを指示）、６５８（６のうち１つを指示）、６６８（６のうち１つを指示）、電子加速電極６５４、電子減速電極６５２をそれぞれ構成要素とする。この構造においては、図８の構造で採用された中心開口（図８の５４４）は省かれている。そして開口パターンは残された６つの抽出開口のみからなる。減速電極６５２の位置６６６には中心開口（図１０と比較して）がないことに注意。中心開口を省くことにより、対応するプラズマ電子源チャンバ６６４から引き出される電子の量の大きな減少がなく、フィラメント４７６から揮発するタングステンの侵入用視界（line-of-sight）の立体角（solid angle）が著しく削減される。従って、パフォーマンスの僅かな低下だけで、イオナイザからの金属汚染のさらなる低減が実現する。

図１２は第三の好ましい具体例の一部６７０の概略図で、プラズマチャンバボディ６８０内からの抽出開口６７６（７のうち１つを指示）、６８６（７のうち１つを指示）、６８４（７のうち１つを指示）、電子加速電極６７４、電子減速電極６７２をそれぞれ構成要素とする。希ガス入力開口６８２がプラズマ形成のためにプラズマチャンバ６７８の中に希ガスを導入する。この構造においては、抽出開口の構造に中心開口（図８の５５４）が図８に示されるのと同様に含まれている。プラズマチャンバボディ（図１０の４７０）の位置が回転したような構造６８０であり、フィラメント４７６の位置が抽出開口に対してオフセットされているので、フィラメント４７６からの揮散タングステンが直接浸入視界に入っていない。従って、パフォーマンスの低下なしで、イオナイザからの金属汚染がさらなる低減が実現する。

図１３は、本発明の改良されたイオナイザ４００を組み込んだＧＣＩＢ処理装置７００の典型的な構造の基本要素を示す図である。電気絶縁支持体４０８によってガスクラスタージェット軸１２９の周りを取り巻きつつ、改良イオナイザ４００が軸に沿って配置されている。スキマー開口１２０を通過した後、超音速ガスジェット１１８は改良イオナイザ４００の延長チューブ４０２に導入される。改良イオナイザ４００の中で、超音速ガスジェットのガスクラスターは電子衝撃イオン化法によりイオン化され、その結果得られるＧＣＩＢ１２８は実質的には空間電荷が中性に維持される。加速電源６２０は１〜８０ｋＶの範囲で制御調整可能であり、加速電圧Ｖ_Accを与えてＧＣＩＢを加速する。抑制電源７２０は抑制電圧Ｖ_Sを抑制電極１４２に与え改良イオナイザ４００からガスクラスターイオンを引き出し、ＧＣＩＢ１２８に集束させ、下流の電子が逆流することおよび加速電源６２０への負荷を防止する。Ｖ_Sは０〜５０ｋＶの範囲で制御調製可能である。ガスクラスターイオンは、出口電極４０４と抑制電極１４２の間で生成される強力な電界によってイオナイザ４００から引き出される。図９で詳述したように、フィラメント電源６０８、アーク電源６１０、電子バイアス電源６１２、電子反発電源６１４、電子抽出電源６１６、イオン反発電源６１８はケーブル７１０を通じてイオナイザ４００にバイアス電圧および電流を与える。システムコントローラ７０２は、ケーブル７１２を通じてコントローラ２２０を、ケーブル７１４を通じて抑制電源７２０を、ケーブル７１６を通じて加速電源６２０を、ケーブル６３４を通じて光ファイバーコントローラ６３０を、それぞれ制御し調整する信号を送信する。光ファイバーコントローラ６３０はケーブル６３４によって受けた電気信号を光信号に変換し、光ファイバーコントロールリンク６３２を通じて制御可能なガス弁６２４を制御し、ファラメント電源６０８、アーク電源６１０、電子バイアス電源６１２、電子反発電源６１４、電子抽出電源６１６、イオン反発電源６１８へ光信号を送信する。ガス容器７０４は圧縮希ガス７０６、好ましくはアルゴンを収容する。圧力調節器７１８は希ガスの圧力を１〜２気圧の範囲に調節する。絶縁ガス供給チューブ６２２は、接地された圧力調節器７１８からイオン化電圧（約Ｖ_Acc）の遠隔制御可能なガス弁６２４に圧力調節ガスを導入する。遠隔制御可能なガス弁６２４は、イオナイザ４００のプラズマチャンバ４７２への低圧ガス流を制御する。遠隔制御可能なガス弁６２４からの低圧希ガスは、ガス管６２８を通じて、絶縁フィードスルー７０８を抜けてプラズマチャンバ４７２内へ流入する。ＧＣＩＢ１２８は、対象物１５２への望ましくない金属、粒子汚染を与えないで対象物１５２を制御可能に処理する。

図１４は本発明のイオナイザによる半導体処理における金属汚染の減少効果を示したグラフである。グラフは、反応性エッチングガスクラスターイオンで半導体ウエハをＧＣＩＢ処理したときに、表面に生じる金属汚染を、図２（左側の棒グラフ、Ｓ.Ｎ.で示す）の従来技術のイオナイザでの性能と、図３、４（中央の棒グラフ、Reflexで示す）の本発明のイオナイザや、さらに改良された本発明（右側の棒グラフ、PEGで示す）のイオナイザ４００の性能を比較したものである。すべてのウエハは腐食性のガスが混合された１×１０¹⁵ガスクラスターのＧＣＩＢ処理を受けたものである。図２（左側棒グラフ）の自己中和型イオナイザのデータはＴＸＲＦ法により測定されたもの、本発明の図３、４（中央の棒グラフ）のイオナイザと、本発明（右側棒グラフ）のイオナイザ４００を用いて図８に示す構造である７つの電子抽出開口を有する方法を使用した場合のデータは、気相分解−誘導結合プラズマ質量分析法（Vapor Phase Decomposition - Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (VPD ICPMS) ）により測定されたものである。本発明のイオナイザ４００による金属汚染の減少は著しいものがある。イオナイザ４００によれば、金属の性能も、Ｏ₂−ＮＦ₃の場合も腐食性のガスを含まない場合と同等以上である。図１４からは必ずしも明らかではないが、本発明のイオナイザ４００によればタングステン汚染もかなり減少し腐食性ガスがプラズマチャンバ内で殆どフィラメントに攻撃していないことを示唆している。イオナイザ４００を用いて、酸素中５％ＮＦ₃を含む４００時間の、アルゴン中５％ＧｅＨ₄を含む３５０時間の、各耐久性試験を行った。両方ともに、試験後も前記ガス源で普通に操作を継続できた。両方とも、テスト後に評価のために終了したところ、フィラメント上あるいはプラズマチャンバには浸食された形跡もなかった。

図５、６、７、９、１０、１１、１２、１３は、イオン化電子源供給として一つのプラズマ電子源（複数の開口は有するが）を有するが、本発明の範囲・趣旨におけるイオナイザは、イオナイザのイオン化領域に大量のイオン化電子の供給促進のために、イオン化領域に電子を供給する２以上のプラズマ電子源を有する構成にできるということは、当業者において容易に理解されるだろう。また、前記種々の具体例以外にも、本発明の趣旨の範囲内で様々な変更や他の実施例も可能であることが理解されるべきである。

図１は従来のＧＣＩＢ処理装置の概略図である。 図２はガスクラスタージェットをイオン化するための従来のガスクラスターイオナイザの一部を示す概略図である。 図３は本発明によるガスクラスタージェットをイオン化するための改良されたガスクラスターイオナイザの一部を示す概略図である。。 図４は図３に示すような改良されたガスクラスターイオナイザ内の典型的な電子の動きを示す概略図である。 図５は本発明の一実施例による改良されたイオナイザ４００を側面からみた概略図である。 図６は図５に示す改良されたイオナイザ４００の断面概略図である。 図７は図５に示す改良されたイオナイザ４００の断面図である。 図８は本発明の好ましい具体例として希ガスプラズマ電子源内の放出開口部の構成の一部を示す図である。 図９は改良されたイオナイザ４００の電極のバイアスを詳細に示す図である。 図１０は希ガスプラズマ電子源からプラズマと電子の放出を示す図である。 図１１は放出開口部の構成の第二の好ましい具体例を示す図である。 図１２はプラズマチャンバ６７８および放出開口部６７６の構造の第三の具体例を示す図である。 図１３は改良されたイオナイザ４００を組み込んだＧＣＩＢ処理装置７００の典型的な構造の概略図である。 図１４は本発明の改良されたイオナイザによる半導体処理において金属汚染の減少を示すグラフである。

Claims (17)

1. ガスクラスターイオンビーム形成のためのイオナイザであって：
   入力端から出力端まで軸に沿って方向付けされたガスクラスターを含むガスクラスタージェットが通過するイオン化領域を部分的に画定する入力端および出力端と；
   ガスクラスターイオンビームを形成するためにガスクラスターの少なくとも一部をイオン化する電子を、イオン化領域に対して与える少なくとも一つのプラズマ電子源
   とを含むイオナイザ。
2. ガスクラスタージェット軸の周りに、実質的に平行にかつ、略円筒状に部分的に配列された、実質的に直線状の棒型電極の第一セットを有し、さらに該第一セットがイオン化領域を画定する請求項１記載のイオナイザ。
3. 棒型電極の第一セットが、ガスクラスタージェット軸に実質的に同心の半径Ｒ₁を有する略円筒状に部分的に配列された陽極である前記請求項２記載のイオナイザ。
4. ガスクラスタージェット軸に実質的に同心の半径Ｒ₂を有する略円筒状に部分的に配列された、実質的に直線状の棒型電極の第二セットをさらに有し、Ｒ₂がＲ₁より大きい請求項３記載のイオナイザ。
5. ガスクラスタージェット軸に実質的に同心の半径Ｒ₃を有する略円筒状に部分的に配列された、実質的に直線状の棒型電極の第三セットをさらに有し、Ｒ₃がＲ₂より大きい請求項４記載のイオナイザ。
6. 実質的に直線状の棒型電極の第二セットが電子反発電極として作動するように電気的にバイアスされ；
   実質的に直線状の棒型電極の第三セットがイオン反発電極として作動するように電気的にバイアスされた、請求項５記載のイオナイザ。
7. 棒型電極の第一セット、第二セットの少なくとも一方がグラファイトを含む請求項３記載のイオナイザ。
8. イオン化領域が径Ｒ₀のクリア開口（clear aperture）を有する略円筒形状に画定され、Ｒ₀がＲ₁より小さく；
   該イオン化領域が長さＬを有し、Ｌが１．８Ｒ₀と同等以上である、請求項３記載のイオナイザ。
9. イオン化領域が径Ｒ₀のクリア開口を有する略円筒形状に画定され；
   陽イオンが入力端を抜けて抽出されることを減少させる延長チューブを含む、入力端である請求項１記載のイオナイザ。
10. 延長チューブの長さが約２Ｒ₀と同等以上である、請求項９記載のイオナイザ。
11. 少なくとも一つのプラズマ電子源が、プラズマチャンバを画定し、電子衝撃イオン化によりガスクラスタージェットの少なくとも一部をイオン化する為のイオン化領域に電子を与える１以上の開口を有するプラズマチャンバボディを含む請求項１記載のイオナイザ。
12. プラズマチャンバが希ガスのプラズマを含む請求項１１記載のイオナイザ。
13. 少なくとも一つのプラズマ電子源がさらに以下の構成：
    プラズマチャンバ内に電子を放出する加熱された熱イオンフィラメント；
    プラズマチャンバ内に希ガスを導入する開口；
    プラズマチャンバ内に前記希ガスプラズマを発生させるための電子を加速する手段；
    加速−減速電極；
    プラズマチャンバ内のプラズマからイオン化領域へ電子を抽出するバイアス手段、
    を含む請求項１１記載のイオナイザ。
14. 熱イオンフィラメントが望ましくない金属蒸気を揮散する金属フィラメントであり；
    プラズマチャンバボディの１以上の開口がイオン化領域に揮散された金属の伝送を減少させるように配列された、請求項１３記載のイオナイザ。
15. 熱イオンフィラメントが、望ましくない金属蒸気を揮散する金属フィラメントであり、かつ、
    該熱イオンフィラメントからイオン化領域内へと続く侵入用視界（line-of-sight）がないようにプラズマチャンバ内に配置されている、請求項１３記載のイオナイザ。
16. ガスクラスクラスターイオンビーム照射により対象物を処理するガスクラスターイオンビーム処理装置であって：
    減圧空気エンクロージャ（enclosure）と；
    複数のガスクラスターを含むガスクラスタージェット形成のためのエンクロージャ内のノズルと；
    入力端から出力端まで軸に沿って方向付けされたガスクラスターを含むガスクラスタージェットが通過するイオン化領域を部分的に画定する入力端および出力端と、ガスクラスターイオンビームを形成するためにガスクラスターの少なくとも一部をイオン化する電子を、イオン化領域に対して与える少なくとも一つのプラズマ電子源を含み、ガスクラスターイオンビームを形成するために、ガスクラスタージェット内の少なくとも一部のガスクラスターをイオン化するエンクロージャ内のイオナイザと；
    前記ガスクラスターイオンビームを加速するエンクロージャ内の加速手段と；
    前記ガスクラスターイオンビームによって照射されるエンクロージャ内の対象物を固定する手段と、
    を含む処理装置。
17. 以下の工程；
    減圧空気エンクロージャを提供する工程；
    減圧空気エンクロージャ内に複数のガスクラスターを含むガスクラスタージェットを発生させる工程；
    減圧空気内にイオン化領域を提供する工程；
    イオン化領域を通してガスクラスタージェットを方向付けする工程；
    イオン化領域の近くに少なくとも一つのプラズマ電子源を提供する工程；
    ガスクラスタージェット内の少なくとも一部のガスクラスターをイオン化してガスクラスターイオンビームを形成するために、前記少なくとも一つのプラズマ電子源から前記イオン化領域に電子を導入する工程、
    を含むガスクラスターイオンビームの形成方法。

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