JP2011086471A

JP2011086471A - クラスターイオンビーム装置及びクラスターイオンビーム装置の調整方法

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Publication number: JP2011086471A
Application number: JP2009237848A
Authority: JP
Inventors: Koji Kitani; 耕治木谷; Tetsuo Saito; 哲郎齊藤; Satoshi Nakamura; 中村　　聡; Yoichi Fukumiya; 洋一福宮; Yasuyuki Suzuki; 康之鈴木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2011-04-28

Abstract

【課題】クラスターイオンの発散を抑制し、クラスターの輸送効率を向上させるクラスターイオンビーム装置及びクラスターイオンビーム装置の調整方法を提供する。
【解決手段】クラスターイオンビーム装置１００は、イオン化室１６の開口部１６ａの開口径を調整可能な開口径調整機構３０及びクラスターイオン電流を測定する測定装置４０を備えている。測定装置４０により測定されるクラスターイオン電流の電流値が最大となるように、開口径調整機構３０により開口部１６ａの開口径を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体を断熱膨張させてクラスターを生成し、イオン化して加速したクラスターイオンビームにより被加工物に表面形成等の加工を行うクラスターイオンビーム装置及びクラスターイオンビーム装置の調整方法に関するものである。

従来、イオン源としてプラズマなどから荷電粒子を引き出して電界により加減速し、レンズ作用による集束を行ない、所望のイオンビームを被加工物に照射するイオンビーム装置が知られている。このイオンビーム装置により、被加工物に対してエッチング、成膜、ドーピングなど様々な加工が可能である。

ところで近年、イオンビームでは達成できない１原子当たり１００ｅＶ以下のレベルの照射エネルギーを実現させるクラスターイオンビームによる加工が注目されている。例えば、極浅ドーピング作用やアシスト成膜作用、クラスターが基板に衝突する際、クラスターが崩壊し基板に沿って飛んでいくクラスターイオンビーム特有の現象のいわゆるラテラルスパッタによる超平滑化作用、高エッチングレート作用等がある。クラスターイオンビームは、高圧の気体をノズルから噴出して真空下で断熱膨張させてクラスターを形成し、イオン化部でクラスターに電子を照射してイオン化させ、引き出し電極により引き出したイオンを、電界により加速を行うことにより得られる。

上記のようなクラスターイオンビーム装置において、イオン化部の開口部から引き出されたイオンにより、電極部材を発生源とする金属コンタミネーションが被加工物上に生じるという問題があった。その対策として、ビームライン周辺の部材をステンレスからコンタミネーションになりにくい材料であるカーボンに変更してコンタミネーションを低減する技術が提案されている。（非特許文献１参照）

平成１５年度〜平成１６年度成果報告書ナノテクノロジープログラム（ナノ加工・計測技術）「次世代量子ビーム利用ナノ加工プロセス技術」独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構

しかし、上述した従来の方法では、ビームライン周辺の部材をステンレスからカーボンに変えて被加工物のコンタミネーションを抑制しようとしても、クラスターイオンビームが発散してビームライン周辺の部材に衝突することに変わりはない。このようにクラスターイオンビームが発散してしまうと、被加工物に照射されるクラスターの輸送効率が低下してしまう。

そこで、本発明の目的は、イオン化部の開口部から引き出されたクラスターイオンの発散を抑制し、効率よくクラスターを被加工物に照射できるクラスターイオンビーム装置及びクラスターイオンビーム装置の調整方法を提供することにある。

本発明は、ノズルからガスを噴出して形成されたクラスターをイオン化部によりイオン化し、前記イオン化部と前記イオン化部の開口部に相対して設置された引き出し電極との電位差により、前記開口部からイオンを引き出して被加工物に照射するクラスターイオンビーム装置において、前記開口部から引き出されたイオンのうち、前記被加工物が配置される位置に向かって進行するクラスターイオン電流を測定する測定手段と、前記測定手段により測定された前記クラスターイオン電流の電流値が最大となるように前記開口部の開口径を調整可能な開口径調整手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、ノズルからガスを噴出して形成されたクラスターをイオン化部によりイオン化し、前記イオン化部と前記イオン化部の開口部に相対して設置された引き出し電極との電位差により、前記開口部からイオンを引き出して被加工物に照射するクラスターイオンビーム装置の調整方法において、前記開口部から引き出されたイオンのうち、前記被加工物が配置される位置に向かって進行するクラスターイオン電流を測定する測定過程と、前記測定過程で測定された前記クラスターイオン電流の電流値が最大となるように前記開口部の開口径を調整する開口径調整過程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、クラスターイオン電流の測定し、クラスターイオン電流の電流値が最大となるようにイオン化部の開口部の開口径を調整することで、イオン化部の開口部から引き出されるクラスターイオンの発散を抑制することができる。また、被加工物に対するクラスターの輸送効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るクラスターイオンビーム装置の概略構成を示す説明図である。イオン化室の開口部に形成されるプラズマ境界面を説明するための図である。イオン化室を開口部側から見た図であり、（ａ）は、開口部の開口径が最小となった状態を示す図、（ｂ）は、開口部の開口径が最大となった状態を示す図である。開口部の開口径を調整する際に、開口径及び電位差の各条件で測定されるクラスターイオン電流を説明するための図である。本発明の第２実施形態に係るクラスターイオンビーム装置の開口径調整機構を示す説明図である。本発明の第３実施形態に係るクラスターイオンビーム装置の位置調整機構を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るクラスターイオンビーム装置の概略構成を示す説明図である。クラスターイオンビーム装置１００は、真空チャンバー１０を備えている。真空チャンバー１０は、３つの連通チャンバーであるクラスター生成室１、ビーム制御室２及び照射室３に分割して形成されている。各部屋１，２，３には、真空ポンプ４，５，６が接続され、適切な真空度に減圧される。

クラスター生成室１内には、コニカル型、ラヴァル型などの適切な形状のノズル１４が固設されている。不図示の供給源から供給されるガス（例えば６気圧のＡｒガス）は、不図示のレギュレータで圧力が制御され、ガス供給管１２を介してよどみ室１３へ供給され、ノズル１４から真空チャンバー内であるクラスター生成室１内に噴出される。噴出したガスは、断熱膨張により同一方向に超音速で移動するガス原子又は分子からなる噴流となる。このガスの噴流からファンデルワールス力により数個〜数万個の原子又は分子からなるクラスターが生成される。原料ガスとしては、Ａｒ以外にも、ＣＯ_２，Ｏ_２，Ｎ_２，ＮＯ，ＮＯ_２，ＮＨ_３，ＳＦ_６，ＣＦ_４等のガス、又はそれらのクラスター生成を容易にするためにＨｅを混合したガスが利用できる。

この噴流の三次元の速度分布は、ノズル１４の噴出口１４ａから噴出されたガス流の中心部分が最も小さく、中心から径方向に離れるほど大きくなる。ガスの速度分布が低いほどガスの温度は低くなるので、中心に向かうほどクラスターの量（つまり、単位面積を単位時間当たりに通過するクラスターの数、換言すると密度）及びクラスターサイズ（個々のクラスターを構成する原子数又は分子数）が大きくなる。

また、クラスター生成室１内には、衝撃波を防止するために小径のアパーチャーが形成されたスキマー１５がノズル１４に対向して配置され、クラスタービームの一部をビーム制御室２にあるイオン化部としてのイオン化室１６に通過させる。イオン化室１６はビーム制御室２の壁面に絶縁固定されている。イオン化室１６には電圧Ｖａｃｃが印加されており、また、熱電子を発生するフィラメントなどの電子源１７及び電子を引きつけるアノード電極１８が配置されている。そして、電子源１７で発生した電子がクラスターを含むガスに効率よく衝突し、クラスターを構成する一部の原子又は分子を電子衝撃により正イオン化し、モノマーイオンとクラスターイオンの混在するイオンビームを生成させる。

引き出し電極１９は、イオン化室１６の出口側の開口部１６ａに相対して配置され、イオン化室１６の電位よりも低いアース電位に印加され、電位差Ｖａｃｃで生じた電界によりモノマーイオンとクラスターイオンの混在するイオンビームを引き出す。引き出し電極１９で引き出されたイオンビームは、電圧の異なる複数の環状の電極からなる環状電極群２０を通過するが、この環状電極群２０によりビームの加速やビームの収束又は発散の制御が行われる。

環状電極群２０のイオンビーム進行方向下流には、質量分離器２１及びアパーチャー２２が配設されている。引き出されたイオンビームには、モノマーイオンや質量の小さいイオンも含んでいる。それらのものは１原子当たりのエネルギーが大きいために、基板に照射するとダメージを与えることがある。質量分離器２１では、モノマーイオン及びサイズの小さいクラスターイオン等の質量の小さいモノマー及びクラスターの除去を行うために、磁界の発生により、これら質量の小さいモノマー及びクラスターのイオンの軌道が大きく曲げられる。アパーチャー２２は、開口の大きさが調整されており、アパーチャー２２で適切なサイズのクラスターが選別される。これら質量分離器２１及びアパーチャー２２により、適切なサイズ分布を持つクラスターイオンビームが照射室３に導かれる。

照射室３には、照射径を縮小するビームプロファイル形成用レンズ２３、ＸＹＺステージ２４及びＸＹＺステージ２４に搭載された被加工物である基板Ｗが配置され、基板Ｗにアパーチャー２２を通過したクラスターイオンビームが照射される。

基板Ｗが絶縁物であって電荷が溜まる場合は、適宜ニュートラライザー２５を動作させることにより、クラスターを中性化し、反発力によるビーム軌道や照射エネルギーの変化を防ぐことができ、ビームを安定して基板Ｗに照射することができる。なお、排気開始時、ベント時（大気開放時）等に生じる両室の圧力差によるスキマー破壊防止のため、両室の間には不図示のバイパス用の配管とバルブが設置されている。

ところで、従来はイオン化室１６のガス出口側の開口部１６ａから引き出されたクラスターイオンの発散動作について詳細には分かっていなかったため、引き出し電極１９の下流でのビーム形状の測定、及びビーム軌道のシミュレーションにより検討した。以下、イオン化室１６の開口部１６ａから、イオンが引き出し電極１９により引き出されるメカニズムについて図２を参照しながら説明する。

イオン化室１６内には、クラスターイオン、モノマーイオンと電子からなるプラズマ状態（電子とイオンの数が平衡している状態）が発生する。そのプラズマに、イオン化室１６と引き出し電極１９の電位差Ｖａｃｃによる電界で、電子とイオンの数の平衡が崩れ、イオンが電子より多くなる臨界面（プラズマ境界面）Ｐが形成され、プラズマ境界面Ｐから、電界に沿ってイオンが引き出されるものである。シミュレーションと測定により、イオン化室１６内において、モノマーイオンはほぼ均等に存在し、クラスターイオンはノズル１４により形成されたビームの中心に集中する径方向分布（径が数ｍｍ程度）があることが判明した。この径を以降、中性クラスタービーム径と称する。

更に、イオン化室１６の開口部１６ａの径が中性クラスタービーム径よりも明らかに大きい（およそ２倍以上）場合について検討を行った。その結果、イオン化室１６の開口部１６ａに形成されるプラズマ境界面Ｐは、中性クラスタービーム径の部分（以下、内周部という）がクラスターイオンで形成されることが判明した。また、プラズマ境界面Ｐにおける内周部よりも外側の部分（以下、外周部という）がモノマーイオンで形成されることが判明した。そして、クラスターイオンで形成される内周部は、モノマーイオンで形成される外周部を基準として突出する凸状部Ｐａとなる、つまり、プラズマ境界面Ｐの一部が凸状部Ｐａとなることが判明した。その凸状部Ｐａには、クラスターイオンが多く存在することも判明した。

ところで、一般に、クラスターを含まないプラズマにおいて、プラズマ境界面から法線方向にイオンを出射する際に、プラズマ境界面が凸面になると、ビームが発散することが知られている。そして、プラズマ境界面が凸面の場合、均一なプラズマからの引き出しでは、イオン化室と引き出し電極との電位差を大きくすることで、平面又は凹面にすることができ、ビームの発散を抑制できることが知られている。（ナノ電子光学裏克己著共立出版ｐ１９７）

したがって、イオン化室１６の開口部１６ａの開口径を中性クラスタービーム径の２倍以上とした場合において、イオン化室１６と引き出し電極１９との電位差Ｖａｃｃを徐々に大きくしながら検討を行った。その結果、電位差Ｖａｃｃが大きくなるに連れ、主にクラスターイオンで形成されるプラズマ境界面Ｐの凸状部Ｐａは、凸形状を保ったまま、開口部１６ａからイオン化室１６の内側に引っ込む方向に移動するだけであった。そして、クラスターイオンは、引き出し電極１９に発散しながら引き出される結果となった。つまり、イオン化室１６のプラズマにはクラスターイオンとモノマーイオンとが混在しており、単に電位差Ｖａｃｃを大きくしても、クラスターイオンの発散を抑制できないことが検証により判明した。

以上の検討結果を踏まえ、ビームの発散を抑制するためには、イオン化室１６のガス出口となる開口部１６ａの開口径を調整する必要があることを見出したものである。したがって、本第１実施形態では、クラスターイオンビーム装置１００は、イオン化室１６のガス出口となる開口部１６ａの開口径を調整可能な開口径調整手段として開口径調整機構３０を備えている。また、クラスターイオンビーム装置１００は、開口部１６ａから引き出されたイオンのうち、基板Ｗが配置される位置に向かって進行するクラスターイオン電流を測定する測定手段として測定装置４０を備えている。この測定装置４０は、引き出し電極１９のビーム進行方向下流に配置されている。

まず、開口径調整機構３０の構成について詳細に説明する。図３は、イオン化室１６を開口部１６ａ側から見た図である。図３（ａ）は、ピンを最も右に動かし開口部１６ａが最小になる状態、図３（ｂ）は、ピンを最も左に動かし開口部１６ａが最大になる状態である。開口径調整機構３０は、カメラの絞り機構と類似する機構に形成されている。具体的に説明すると、開口径調整機構３０は、開口部を絞る複数枚（図３では、６枚）の金属製の羽部材３１を備えている。イオン化室１６には、円形の開口が形成されており、この開口を囲むように、各羽部材３１が等間隔で配置されている。各羽部材３１は、基端部がイオン化室１６に固定ピン３２で揺動可能に取り付けられている。各羽部材３１は、開口部１６ａが最大の開口径のときに円形となるように、湾曲して形成されている。そして、各羽部材３１の先端部が隣接する他の羽部材３１に重なり合うように配置されている。各羽部材３１には、基端部から先端部に向かって延びる長孔３３が形成されており、イオン化室１６に形成した開口の中心を中心とする不図示のリング状の部材に、各長孔３３に嵌るピン３４が固定されている。そして、リング状の部材を移動させることで、６枚の羽部材３１がピン３４に操作されて固定ピン３２を支点に揺動する。このように、６枚の羽部材３１が連動することで、開口部１６ａの開口径が調整される。リング状の部材は、装置外側から操作できる碍子で絶縁した操作ロッド３５の先端部と結合している。この操作ロッド３５は、作業者が操作できるように、基端部が真空チャンバー１０のビーム制御室２の外部に露出している。これにより、作業者は、操作ロッド３５を動かして、開口部１６ａを所望の開口径に調整することができる。以上の構成により、開口部１６ａの開口径を連続的に調整することができる。そして、開口部１６ａの開口径は、操作ロッド３５の操作量に対応しており、真空チャンバー１０を開放しなくても、開口部１６ａの開口径を判別することができる。ここで、図３（ｂ）に示すように、開口部１６ａが最大の開口径のときは円形であるが、開口部１６ａの開口径を絞る方向に６枚の羽部材を移動させると、図３（ａ）に示すように、開口部１６ａの形状は、真円からずれてくる。開口部１６ａの形状は、真円が最適であるが、真円である必要はなく、開口部１６ａの中心を中心とする正多角形（正六角形）に近い対称形状であるので、この開口部１６ａの形状が通過するイオンビームに及ぼす影響はほとんどない。

次に、図１に示す測定装置４０について説明すると、測定装置４０は、引き出し電極１９のイオンビーム進行方向下流に配置された電磁石４１と、電磁石４１のイオンビーム進行方向下流に配置されたファラデーカップ４２と、を有する。電磁石４１は、質量の大きいクラスターイオンは直進させ、質量の小さいモノマーイオン及びクラスターイオンは偏向するよう、磁力を設定することができる。この電磁石４１を動作させることにより、開口部１６ａから引き出されたイオンのうち、少なくともモノマーイオンを偏向可能である。ファラデーカップ４２は、打ち込まれたイオンを電流として検出する検出器である。

電磁石４１及びファラデーカップ４２は、イオンビームの電流を測定する測定位置と、イオンビームが通過する領域から退避する退避位置とに移動可能に設けられている。したがって、測定装置４０は、測定位置に移動している場合には、イオンビームの電流を測定することができ、退避位置に退避している場合には、イオンビームの進行に影響を及ぼすのを回避することができる。

イオンビームの電流測定は、電磁石４１及びファラデーカップ４２を測定位置に配置した状態で行われる。まず、電磁石４１が作動停止状態でイオンの全電流が測定される。詳述すると、電磁石４１が磁界ＯＦＦの状態（作動停止状態）では、イオンは直進するため、クラスターイオンとモノマーイオンの両方がファラデーカップ４２に入射し、イオンビームの合計した全電流がファラデーカップ４２で検出される。これにより、イオンビームの全電流が測定される。なお、この測定された全電流には、発散したイオンの電流は含まれない。

次に、クラスターイオン電流を測定について説明する。クラスターイオン電流は、電磁石１５を作動させ、モノマーイオンがファラデーカップ４２に入らないようにモノマーイオンを偏向した状態で、ファラデーカップ４２に検出されたイオンの電流値である。詳述すると、電磁石４１が磁界ＯＮの状態（作動状態）では、イオンの偏向量は質量に反比例するため、モノマーイオンは、軌道が大きく偏向し、ファラデーカップ４２から外れる。そして、クラスターイオンは直進するため、クラスターイオンがファラデーカップ４２に入射し、クラスターイオン電流がファラデーカップ４２で検出される。ここで、イオン化室１６の開口部１６ａから引き出されたイオンのうち、開口部１６ａから発散したクラスターイオンは、ファラデーカップ４２には到達しない。つまり、基板Ｗが配置される位置に向かって進行するクラスターイオンが、ファラデーカップ４２に到達する。したがって、主に基板Ｗに照射されるクラスターイオンがファラデーカップ４２により検出されることとなる。これにより、基板Ｗが配置される位置に向かって進行するクラスターイオン電流が測定される。

この２つのデータから、クラスターイオン電流と、モノマーイオン電流が分別可能である。なお、イオンビーム測定の際は、ファラデーカップ４２からの二次電子放出防止用のサプレッサー（不図示）を適宜作動させると電流値の誤差が抑制できる。以上の構成により、測定装置４０によってクラスターイオン電流が測定され、開口径調整機構３０によって、イオン化室１６の開口部１６ａの開口径が調整可能である。

ところで、開口部１６ａの開口径を中性クラスタービーム径よりも大きく設定した場合、モノマーイオンがイオン化室１６から引き出されてしまうばかりでなく、上述したように、クラスターイオンが発散してしまう。

逆に、開口部１６ａの開口径を中性クラスタービーム径よりも小さく設定した場合、イオン化室１６の開口部１６ａでモノマーイオンのみが存在する部分をなくすことができる。この場合、プラズマ境界面は、クラスターイオンにより形成されるため、電位差Ｖａｃｃを調整することでプラズマ境界面の形状を平面又は凹面にすることができ、クラスターイオンの発散を抑制することが可能である。

しかし、開口部１６ａの開口径より大きな径の位置にあるクラスターは、イオン化室１６の壁面に衝突して崩壊し、モノマーイオン増加の要因となる。モノマーイオンは、高電界の中で放電の原因となったり、電極等に衝突してコンタミネーションの原因となったりするなど、存在が好ましくない。また、プラズマ境界面が崩れ、クラスターイオン電流が稼げない。したがって、生成したクラスターを有効に使うためには、イオン化室１６の開口部１６ａの開口径と中性クラスタービームの径の差を僅少とする必要がある。ここで、中性クラスタービーム径は、ノズル１４、スキマー１５の形状により変化し、ガス種、ガス圧によっても変化することが判明した。

そこで、本第１実施形態では、ガス種、ガス圧を決め、一定の中性クラスタービームを生成後、イオン化室１６でイオン化し、開口部１６ａから引き出されたイオンに含まれるクラスターイオン電流を測定する（測定過程）。そして、測定されたクラスターイオン電流の電流値が最大となるように開口部１６ａの開口径を調整する（開口径調整過程）。

つまり、開口部１６ａの開口径が中性クラスタービーム径よりも小さい場合には、生成されたクラスターの一部がイオン化室１６の壁面に衝突してクラスター崩壊するので、クラスターイオン電流の電流値は最大値よりも小さい。逆に、開口部１６ａ開口径が中性クラスタービーム径よりも大きい場合には、クラスターイオンが発散した分、測定装置４０のファラデーカップ４２に到達するクラスター量が少なくなり、クラスターイオン電流の電流値は最大値よりも小さくなる。すなわち、クラスターイオン電流の電流値が最大となる場合が、開口部１６ａの開口径が中性クラスタービーム径に近い最適な状態となる。

このように、クラスターイオン電流の電流値が最大となるように、開口径調整機構３０によって開口径を調整可能としたので、開口径が中性クラスタービーム径に近い最適な状態とすることができる。したがって、イオン化室１６の開口部１６ａから引き出されるクラスターイオンビームの発散を抑制することができ、基板Ｗに対するクラスターの輸送効率を向上させることができる。

ここで、開口部１６ａの開口径を調整する際には、図４を参照して説明すると、開口部１６ａの開口径をパラメータとし、電位差Ｖａｃｃを調整して各開口径でクラスターイオン電流の電流値がピークとなるピーク値Ｐ１〜Ｐ４を求める。次いで、クラスターイオン電流の電流値が各ピーク値Ｐ１〜Ｐ４の中で最大のものを判別する。図４では、ピーク値Ｐ３が最大である。これにより、最大となるピーク値Ｐ３に対応する開口径、本第１実施形態では、操作ロッド３５の操作量がわかる。また、そのときの電位差Ｖａｃｃもわかる。この作業により、最大のクラスターイオン電流が得られる開口部１６ａの開口径が見出される。つまり、クラスターイオン電流の電流値が最大となるピーク値Ｐ３となるように、電位差Ｖａｃｃを調整すると共に操作ロッド３５を操作して開口部１６ａの開口径を調整すればよい。この開口部１６の開口径の調整により、プラズマ境界面をクラスターイオンのみとすることができ、更に電位差Ｖａｃｃの調整により、そのプラズマ境界面を平面又は凹面とすることができる。

したがって、ノズル１４、スキマー１５などの装置的要件、また、原料ガス種類、圧力などのプロセス的要件により変化する中性クラスタービーム径に対して、イオン化室１６の開口部１６ａの開口径を適切にすることができる。したがって、クラスターイオンの発散を抑制し、得られるクラスターイオンを増大することができる。

［第２実施形態］
次に第２実施形態のガスクラスターイオンビーム装置について説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態と開口径調整機構の構成が異なるものであり、以下、図５を参照しながら開口径調整機構について説明する。なお、本第２実施形態において、上記第１実施形態と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。上記第１実施形態では、開口径調整機構が開口部の開口径を連続的に調整可能に構成されていたが、これに限定するものではなく、開口径の異なる複数の開口部のうち、１つの開口部を選択的にイオン化室の出口側に配置するようにしてもよい。

図５に示すように、本第２実施形態の開口径調整機構１３０は、開口径の異なる複数（３つ）の円形状の開口部１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃが形成されたイオン化室出口部材１３１を有している。このイオン化室出口部材１３１は、イオン化室１６の出口側に設けられ、スライド可能に一対の直動ガイド３２に支持されている。つまり、開口部の開口径は、段階的に調整可能である。イオン化室出口部材１３１は、金属板であり、一側面に雌ネジ部１３１ｄが形成されている。また、イオン化室出口部材１３１とイオン化室１６とは、導線１３３により配線することで電気的に導通されている。

開口径調整機構１３０は、ビーム制御室２に固定され、イオン化室出口部材１３１を移動させる直線導入機構１３５を有している。直線導入機構１３５は、基端部がビーム制御室２の外部に露出し、直動および回動の操作可能で、先端部に雌ネジ部１３１ｄに螺合する雄ネジ部１３６ａが形成されている操作ロッド１３６を有している。この操作ロッド１３６は、イオン化室出口部材１３１の一側面の法線方向に延びるように設置されている。また、直線導入機構１３５は、Ｏリング１３７及びベアリング１３８を有し、ビーム制御室２の真空度を保ちながら操作ロッド１３６を操作可能に構成されている。

直動ガイド３２には、内側に不図示のリニアベアリングとクリックストップが装着されている。本第２実施形態では、イオン化室出口部材１３１に３つの開口部１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃが形成されているので、ビームの位置と３つの開口部１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃの中心が合うようにクリックストップが３箇所に装着されている。直動ガイド３２に沿ってイオン化室出口部材１３１をスライドさせると、３箇所のクリックストップの位置でクリックが発生し、他の場所では滑らかに動作する。そのため、外側から作業者が操作しても、クリック感で容易にビームの位置とイオン化室出口部材１３１の開口部の中心位置とを合わせることができる。

イオン化室出口部材１３１の位置を決めた後は、操作ロッド１３６を回動し、操作ロッド１３６の雄ネジ部１３６ａとイオン化室出口部材１３１の雌ネジ部１３１ｄを分離する。そして、操作ロッド１３６をビーム制御室２の外側方向に引き出した際に、大気圧とビーム制御室２内の気圧との差により操作ロッド１３６がビーム制御室２内に動作するのを防止するため、操作ロッド１３６を引き出し位置で固定する。この固定方法は、操作ロッド１３６の外周に設けた雄ネジ部１３９と、直線導入機構１３５に設けられた雌ネジ部１４０とにより行う。操作ロッド１３６が碍子等で絶縁されている場合は、操作ロッド１３６とイオン化室出口部材１３１との結合及び分離作業は省略できる。

開口部の開口径を決める手法は、上記第１実施形態と同様である。すなわち、測定されるクラスターイオン電流の電流値が最大となる開口径の開口部の中心が、中性クラスターイオンビームの中心に位置するように、イオン化室出口部材１３１をスライドさせる。具体的には、開口径をパラメータとし、電位差Ｖａｃｃを調整して各開口径でクラスターイオン電流の電流値がピークとなるピーク値を求める。次いで、クラスターイオン電流の電流値が各ピーク値の中で最大のものを判別する。これにより、最大となるピーク値に対応する開口径の開口部がわかる。したがって、この開口部の中心が中性クラスターイオンビームの中心に位置するように、イオン化室出口部材１３１をスライドさせればよい。これにより、イオン化室１６の開口部の開口径が調整されたこととなる。

したがって、ノズル１４、スキマー１５などの装置的要件、また、原料ガス種類、圧力などのプロセス的要件により変化する中性クラスタービーム径に対して、イオン化室１６の開口部の開口径を適切にすることができる。したがって、クラスターイオンの発散を抑制し、得られるクラスターイオンを増大することができる。

［第３実施形態］
次に第３実施形態のガスクラスターイオンビーム装置について説明する。本第３実施形態では、さらにノズルと開口部との相対的な位置を調整可能な位置調整手段としての位置調整機構を備えたものであり、以下、図６を参照しながら位置調整機構について説明する。なお、本第３実施形態において、上記第１実施形態と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。

ノズル１４（図１）の内側の加工精度などに起因して、ビーム軸に傾きが発生することがある。このような場合、メカ的にノズル１４（及びスキマー１５）と、イオン化室１６の開口部１６ａとを同軸に合わせても、中性クラスタービームとイオン化室１６の開口部１６ａとが同軸とならないことがある。

そこで、本第３実施形態では、クラスターイオンビーム装置は、ノズル１４と開口部１６ａとの相対的な位置として、図６（ａ）に示すように、開口部１６ａのイオンビーム進行方向と直交する方向の位置を調整する位置調整機構１５０を備えている。ここで、イオン化室１６（図１）の出口側には、イオン化室出口部材１３１が設けられており、上記第１実施形態と同じ開口径調整機構３０がイオン化室出口部材１３１に設けられている。このイオン化室出口部材１３１は、一対のＸ軸ガイド１５１と一対のＹ軸ガイド１５２に支持されている。位置調整機構１５０は、イオン化室出口部材１３１をＸ軸方向へ移動させる直動型マイクロメータ１５３ａと、イオン化室出口部材１３１をＸ軸方向と直交するＹ軸方向へ移動させる直動型マイクロメータ１５３ｂとを有している。各直動型マイクロメータ１５３ａ，１５３ｂは、操作ヘッド１５４ａ，１５４ｂ及びロッド１５６ａ，１５６ｂを有している。ロッド１５６ａは、イオン化室出口部材１３１に不図示の碍子などで電気的に絶縁した状態で固着されている。また、ロッド１５６ｂは、Ｘ軸ガイド１５１に不図示の碍子などで電気的に絶縁した状態で固着されている。そして、イオン化室出口部材１３１がＸ軸方向に移動する際には、イオン化室出口部材１３１がＸ軸ガイド１５１に案内される。イオン化室出口部材１３１がＹ軸方向に移動する際には、イオン化室出口部材１３１がＸ軸ガイド１５１と共にＹ軸ガイド１５２に案内される。各操作ヘッド１５４ａ，１５４ｂは、真空チャンバー１０のビーム制御室２の外部に露出して配置されており、作業者が各操作ヘッド１５４ａ，１５４ｂを操作して各ロッド１５６ａ，１５６ｂをＸ軸方向，Ｙ軸方向に移動させることができる。ここで、一方のＹ軸ガイド１５２には、ロッド１５６ａが貫通する孔１５２ａが形成されている。この孔１５２ａは、イオン化室出口部材１３１がＹ軸方向に移動する際に、ロッド１５６ａがイオン化室出口部材１３１の移動を妨げない形状（図６（ａ）ではＹ軸方向に延びる長孔）に形成されている。以上の構成により、開口部１６ａのＸ軸方向及びＹ軸方向（イオンビーム進行方向と直交する方向）の位置決めを行うことができる。

次に、各機構による調整動作について説明する。本第３実施形態では、ガス種、ガス圧を決め、一定の中性クラスタービームを生成後、イオン化室１６でイオン化し、開口部１６ａから引き出されたイオンに含まれるクラスターイオン電流を測定する（測定過程）。そして、測定されたクラスターイオン電流の電流値が最大となるように開口部１６ａの開口径を調整する（開口径調整過程）。ここで、開口部１６ａの開口径を調整する際には、開口部１６ａの開口径をパラメータとし、電位差Ｖａｃｃを調整して各開口径でクラスターイオン電流の電流値がピークとなるピーク値を求める。次いで、クラスターイオン電流の電流値が各ピーク値の中で最大のものを判別する。これにより、最大となるピーク値に対応する開口径がわかる。

最大のクラスターイオン電流が得られる開口径に開口部１６ａを調整した後、中性クラスタービームの中心と開口部１６ａの中心とが同軸上となるように、ノズル１４と開口部１６ａとの相対的な位置、つまり開口部１６ａの位置を調整する（位置調整過程）。ここでは、ノズル１４と上述した開口径調整過程で開口径が調整された開口部１６ａとの相対的な位置を、クラスターイオン電流の電流値が最大となるように調整する。つまり、測定されるクラスターイオン電流の電流値は、開口部１６ａの位置が中性クラスタービームに対してずれていると、そのずれに応じて低下し、ずれが生じていない状態が最大値である。したがって、開口部１６ａの開口径の調整でクラスターイオン電流の電流値を最大としても、開口部１６ａが位置ずれしている可能性があるので、本第３実施形態では、更に開口部１６ａの位置を調整するものである。

本第３実施形態では、直動型マイクロメータ１５３ａ，１５３ｂを動かて開口部１６ａをビーム進行方向と直交する方向に移動させ、その移動の中で最大のクラスターイオン電流が得られるよう開口部１６ａの位置を決める。これにより、イオン化室１６の開口部１６ａの開口径と位置を適正化することができるので、ビームの発散の少ないクラスターイオン電流を得ることができる。また、開口部１６ａの位置を調整する位置調整機構１５９により、メカ的中心からずれた中性クラスタービームの位置に、開口部１６ａを精緻に配置することができ、これにより、ビームの発散を抑制でき、得られるクラスターイオンを増大させることができる。

なお、中性クラスタービームの中心とイオン化室１６の開口部１６ａの中心とが同軸であるので、再度、開口部１６ａの開口径を調整し、最大のクラスターイオン電流が得られる状態にすることも、クラスターイオン電流を多く得るために有効である。

以上で本発明を適用できる好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲で様々な変形や変更が可能である。上記第３実施形態では、開口部１６ａを移動させて中性クラスタービームの中心と開口部の中心とを同軸上に合わせる場合について説明したが、ノズルの位置調整機構を備え、クラスターイオン電流を測定しながら、ノズルの位置調整をすることも有効である。つまり、ノズルと開口部との位置関係は相対的なものであり、少なくとも一方を移動させることができれば、中性クラスタービームの中心と開口部の中心とを同軸上に合わせることが可能である。

また、本第３実施形態では、開口径調整機構を上記第１実施形態と同様の構成にしたが、開口径調整機構を上記第２実施形態と同様の構成にしてもよい。この場合、予め複数の円形の開口部を設けた部材をイオン化室の出口側に取り付け、開口部を変更することで可能である。

また、上記第１〜第３実施形態では、開口径調整機構、位置調整機構を作業者が操作して調整する場合について説明したが、制御装置が行うようにしてもよい。すなわち、制御装置は、測定装置により測定された電流値を取り込んで、ステッピングモータ等の駆動装置を制御し、駆動装置の駆動により、開口径、位置を調整するようにしてもよい。この場合の調整動作は、上記第１〜第３実施形態で説明した作業者が行う手順と同様である。

また、上記第１〜第３実施形態では、電位差Ｖａｃｃを調整して各開口径でクラスターイオン電流の電流値がピークとなるピーク値を求め、クラスターイオン電流の電流値が各ピーク値の中で最大のものを判別するようにした。そして、最大のピーク値となる開口径に開口部を調整すると共に電位差Ｖａｃｃを調整するようにした。しかし、調整方法はこれに限定するものではなく、測定装置で測定されるクラスターイオン電流の電流値が最大となるように開口部の開口径を調整し、次いで、プラズマ境界面が平面又は凹面となるように電位差を調整するようにしてもよい。

また、開口部は、真円形状、多角形形状、多角形の辺が湾曲した形状、その他クラスターイオンの引き出しに支障のない形状に形成することが可能である。

１４ノズル
１６イオン化室（イオン化部）
１６ａ開口部
３０開口径調整機構（開口径調整手段）
４０測定装置（測定手段）

Claims

ノズルからガスを噴出して形成されたクラスターをイオン化部によりイオン化し、前記イオン化部と前記イオン化部の開口部に相対して設置された引き出し電極との電位差により、前記開口部からイオンを引き出して被加工物に照射するクラスターイオンビーム装置において、
前記開口部から引き出されたイオンのうち、前記被加工物が配置される位置に向かって進行するクラスターイオン電流を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された前記クラスターイオン電流の電流値が最大となるように前記開口部の開口径を調整可能な開口径調整手段と、を備えたことを特徴とするクラスターイオンビーム装置。
前記ノズルよりガスを噴出して形成されたクラスターのビームの中心と前記開口部の中心とが同軸上となるように、前記ノズルと前記開口部との相対的な位置を調整可能な位置調整手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のクラスターイオンビーム装置。
前記測定手段は、前記引き出し電極のイオンビーム進行方向下流に配置され、前記開口部から引き出されたイオンのうち、モノマーイオンを偏向可能な電磁石と、前記電磁石のイオンビーム進行方向下流に配置されるファラデーカップと、を有し、前記クラスターイオン電流は、前記電磁石の動作によりモノマーイオンを偏向した状態で前記ファラデーカップにより検出された電流値であることを特徴とする請求項１又は２に記載のクラスターイオンビーム装置。
ノズルからガスを噴出して形成されたクラスターをイオン化部によりイオン化し、前記イオン化部と前記イオン化部の開口部に相対して設置された引き出し電極との電位差により、前記開口部からイオンを引き出して被加工物に照射するクラスターイオンビーム装置の調整方法において、
前記開口部から引き出されたイオンのうち、前記被加工物が配置される位置に向かって進行するクラスターイオン電流を測定する測定過程と、
前記測定過程で測定された前記クラスターイオン電流の電流値が最大となるように前記開口部の開口径を調整する開口径調整過程と、を備えたことを特徴とするクラスターイオンビーム装置の調整方法。
前記開口径調整過程では、
前記開口部の開口径をパラメータとし、前記電位差を調整して前記各開口径で前記クラスターイオン電流の電流値がピークとなるピーク値を求め、
前記クラスターイオン電流の電流値が前記各ピーク値の中で最大のピーク値となるように前記開口部の開口径を調整することを特徴とする請求項４に記載のクラスターイオンビーム装置の調整方法。
前記ノズルよりガスを噴出して形成されたクラスターのビームの中心と前記開口部の中心とが同軸上となるように、前記ノズルと前記開口部との相対的な位置を調整する位置調整過程を備えたことを特徴とする請求項４又は５に記載のクラスターイオンビーム装置の調整方法。
前記位置調整過程では、
前記ノズルと前記開口径調整過程で開口径が調整された前記開口部との相対的な位置を、前記クラスターイオン電流の電流値が最大となるように調整することを特徴とする請求項６に記載のクラスターイオンビーム装置の調整方法。