JP2016509263A - 基板処理方法における欠陥削減 - Google Patents

Abstract

基板表面の処理方法であって、ガスクラスタイオンビームから得られる中性ビーム照射を用いるもの、および、リソグラフィ用フォトマスク基板を含む、本方法から製造される物品。一実施形態で提供されるのは、１つまたは複数の粒子が埋設された、または表面下損傷を含む、基板の表面処理方法であって、低圧チャンバを設ける工程と、低圧チャンバ内に、ガスクラスタイオンからなるガスクラスタイオンビームを形成する工程と、低圧チャンバ内でビーム経路に沿う加速ガスクラスタイオンビームを形成するためにガスクラスタイオンを加速する工程と、ビーム経路に沿う加速ガスクラスタイオンの少なくとも一部の開裂および／または解離を促進する工程と、ビーム経路から荷電粒子を除去して、低圧チャンバ内でビーム経路に沿う加速中性ビームを形成する工程と、表面をビーム経路内に保持する工程と、基板の表面の少なくとも一部に加速中性ビームを照射することによりこれを処理する工程と、を備える方法である。【選択図】図１

Description

本発明は概して欠陥発生を削減する基板表面処理方法に関する。より詳しくは、加速ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）から得られる加速中性ビームを用いた、フォトマスク基板などの基板の表面処理に関する。中性ビームは、好ましくは、加速ＧＣＩＢから得られる中性モノマーの加速ビームであり、欠陥がさらに進行する前にこれを除去する。

スラリーを用いた化学機械研磨（ＣＭＰ）技術は、（たとえばリソグラフィ用フォトマスク基板など）光学材料やその他の物体／材料の表面を平坦化・平滑化するために一般に用いられている。溶融石英およびドープ溶融石英（たとえばチタニアドープ溶融石英）材料はリソグラフィ用フォトマスク基板として一般に用いられている。重要な用途では、リソグラフィ用フォトマスクは高い表面平滑度（典型的には平均粗度（Ｒａ）＜１．０オングストローム）を有していなければならず、これに伴って高い表面平坦性を備えている。ＣＭＰとその他の二次研磨技術（たとえばレーザ研磨、ドレストフォトンナノ研磨、磁気粘弾性流体研磨、ＧＣＩＢ研磨など）を組み合わせることにより、半導体材料やシリカ材料などの材料に平滑、平坦な表面を形成することができる。ＣＭＰ加工中に発生する機械的ストレスにより、基板材料には浅い表面下欠陥が形成され得ることが知られている。さらに、ＣＭＰ加工中に基板表面内に小粒子が埋め込まれ、そのまま平らにならされて基板表面に対して平坦となっている場合がある。ＣＭＰおよび後続の二次研磨により表面は平滑かつ平坦になっても、このような表面下（又は準表面、ｓｕｂ−ｓｕｒｆａｃｅ）の損傷および／または埋め込まれた粒子が悪影響を及ぼし、完成基板の利用可能性を制限する場合がある。表面平滑化／平坦化工程（ＣＭＰまたはＣＭＰプラス二次研磨）が完了した後、たとえば基板への蒸着を含む後続の加工工程に進む前に、表面は（たとえば超音波溶媒キャビテーションなどの）強力な撹拌ウェットクリーニング加工により洗浄され、表面に残留する研磨スラリーまたはその他の汚染粒子を除去する。これらは良好なフォトマスク形成を阻害する可能性があるからである。このような強力な洗浄加工中に、表面下損傷領域の欠陥が「飛び出す」形で表面に拡散し、これらが表面から放出されることで、孔や凹み、またはその他の平滑性を損なう欠陥をもたらし、フォトマスクとしての基板の利用可能性を損なうと考えられている。また、強力洗浄中に、表面に埋め込まれた粒子（研磨スラリー材またはその他の汚染粒子）が表面から放出されて、元の位置に小さな孔を残す場合がある。これらの欠陥は、相当の加工費用が費やされた後で加工の後まで見えるようにならないことが多い。表面下損傷を低減しつつ必要な平滑度を維持する研磨洗浄方法の発見に向けて、数多くの手法が用いられてきたが、フォトマスク製造加工において、結果的に後の方の工程で現れる表面欠陥を完全に無くする方法はいまだに見つかっていない。

したがって、本発明は、強力洗浄前に表面下損傷を除去することにより欠陥を削減する研磨フォトマスク基板（またはその他の物体）などの研磨フォトマスク基板の表面処理方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、たとえばフォトマスク基板（またはその他の物体）などの、研磨洗浄されて平滑度が高まり表面欠陥が減少した基板を提供することを目的とする。

本発明は、フォトマスク基板などの基板における欠陥を低減するために、基板の表面処理にＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いるものである。

スラリーを用いた従来の化学機械研磨（ＣＭＰ）技術は、（これに限られないがたとえばリソグラフィ用フォトマスク基板など）光学材料の表面を平滑化・平坦化するために用いられている。フォトマスク基板材料用としての溶融石英またはドープ溶融石英（これに限られないがたとえばチタニアドープ溶融シリカ）は、ＣＭＰおよび任意で従来の二次研磨技術により平坦化、研磨される。二次研磨技術にはたとえば、レーザ研磨、ドレストフォトンナノ研磨、磁気粘弾性流体研磨、またはＧＣＩＢ研磨が含まれる。これにより得られる平滑、平坦な基板には、浅い表面下損傷および／または表面に埋め込まれた小粒子が含まれることが多く、強力なウェットクリーニング中に、表面下損傷が表面に拡散したり、および／または、埋め込まれた粒子が表面から放出される可能性がある。発明の一実施形態では、ＣＭＰおよび任意の二次的な平坦化、平滑化、研磨の完了に続き、中性ビームを用いて表面を処理し、表面下損傷および／または埋め込まれた粒子を含む浅い表面層をエッチング除去する。エッチング表面を次いで、キャビテーション洗浄などの従来の強力なウェットクリーニング技術を用いて洗浄し、基板上のフォトマスクを完成させる従来の後続工程（たとえば蒸着、パターニングなど）の前に、散在して残留する汚染物質を除去する。

本発明の一実施形態で提供されるのは、１つまたは複数の粒子が埋設された、または表面下損傷を含む、基板の表面処理方法であって、低圧チャンバを設ける工程と、前記低圧チャンバ内で、ガスクラスタイオンからなるガスクラスタイオンビームを形成する工程と、前記低圧チャンバ内でビーム経路に沿う加速ガスクラスタイオンビームを形成するために前記ガスクラスタイオンを加速する工程と、前記ビーム経路に沿う前記加速ガスクラスタイオンの少なくとも一部の開裂（又は、断片化、ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）および／または解離（ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）を促進する工程と、前記ビーム経路から荷電粒子を除去して、前記低圧チャンバ内でビーム経路に沿う加速中性ビームを形成する工程と、前記表面を前記ビーム経路内に保持する工程と、前記基板の前記表面の少なくとも一部に前記加速中性ビームを照射することによりこれを処理する工程と、を備える方法である。

前記１つまたは複数の埋設された粒子または前記表面下損傷は、先に行なわれた加工作業の結果生じたものとすることができる。前記１つまたは複数の埋設された粒子または前記表面下損傷は、先に行なわれた平滑化または研磨または平坦化作業の結果生じたものとすることができる。前記平滑化または研磨または平坦化作業はＣＭＰ加工とすることができる。前記１つまたは複数の埋設された粒子または前記表面下損傷は、先に行なわれたダイヤモンド切削または研磨剤研磨作業の結果生じたものとすることができる。損傷は潜在的損傷とすることができる。

前記処理工程では、前記表面の前記一部を、１つまたは複数の埋設された粒子または表面下損傷を取り除くのに充分な所定厚さをエッチング除去するのに充分な線量で照射することができる。前記方法は、処理された部分を洗浄し、１つまたは複数の残留粒子を除去することをさらに備えることができる。

前記１つまたは複数の残留粒子は、前記処理工程を起因とする汚染物質とすることができる。前記促進工程は、加速工程中に加速電圧を上昇させること、または、前記ガスクラスタイオンビームの形成中にイオン化効率を高めることを含むことができる。前記促進工程は、前記加速ガスクラスタイオンビーム内のイオン速度範囲を増大することを含むことができる。前記促進工程は、前記ガスクラスタイオンビームの形成に用いられる１つまたは複数のガス状要素を前記低圧チャンバに導入し、前記ビーム経路に沿って圧力を高めることを含むことができる。前記促進工程は、前記ガスクラスタイオンビームの形成工程中に用いられるスキマー開口のサイズを増大することを含むことができる。前記促進工程は、前記加速ガスクラスタイオンビームまたは前記中性ビームに、放射エネルギーを照射することを含むことができる。ワークの表面の少なくとも一部を処理する前記中性ビームは、実質的に、１ｅＶ〜数千ｅＶのエネルギーを有するモノマーから成ることができる。前記方法は、前記表面の広い部分を処理するために、ワークホルダにてワークを走査する工程をさらに備えることができる。前記保持工程では、光学材料、セラミック材料、ガラス材料、金属材料、またはシリカのいずれかを含む基板を導入することができる。前記基板は、リソグラフィ用フォトマスク基板とすることができる。

別の実施形態では、上述した方法により作製される物品が提供される。

さらに別の実施形態では、上述した方法により処理される表面を備える、リソグラフィ用フォトマスクが提供される。

ＧＣＩＢを用いてワークを加工するＧＣＩＢ加工装置１１００の要素を示す概略図である。 イオンビームの走査およびワークの操作を行なう場合の、ＧＣＩＢを用いてワークを加工する別のＧＣＩＢ加工装置１２００の要素を示す概略図である。 荷電ビームと非荷電ビームを分離するために静電偏向板を用いる中性ビーム加工装置１３００の概略図である。 中性ビーム計測に熱センサを用いる中性ビーム加工装置１４００の概略図である。 ビームの中性成分による加工が、全量ＧＣＩＢまたはビームの荷電成分による加工に比べて、膜を大幅に平滑化することが分かる加工結果を示す。 本発明の一実施形態で採用することができる、中性ビームを用いたシリカ（ＳｉＯ_２）およびシリコンのエッチングを示すグラフ。 従来の加工を本発明の一実施形態に係る加工に対して比較した、フォトマスク基板の加工工程を示す概略図。

本願では、まず加速荷電ＧＣＩＢを形成し、次いで、ビームの少なくとも一部を中性化または中性化するために準備し、荷電および非荷電部分を分離する、中性ビーム形成方法および装置を開示する。中性ビームは、中性ガスクラスタ、中性モノマー、またはこれらの組み合わせから成ることができるが、好ましくは完全に中性モノマーに解離したものである。

ＧＣＩＢ加工と比べて、加速中性ビームを用いることで、表面における電荷効果の波及が最小限に抑えられる物理的表面改質法が得られ（材料が導電材料でない場合、または、表面荷電が材料を損なう恐れがあるときは特に重要）、このため、シリカなどの絶縁材料やその他の類似の材料における、電荷効果による表面下損傷形成が避けられる。場合によっては、高い平坦度を保ちながらも、従来の二次研磨で得られるものよりさらに平均表面粗度が低減される。

従来のエネルギーイオン、加速荷電原子または分子のビームは、半導体装置のジャンクション形成、スパッタリングおよびエッチングによる表面の改質、また、薄膜特性の改変に広く利用されている。従来のイオンと異なり、ガスクラスタイオンは、標準的な温度および圧力条件下ではガス状の材料（一般的には、たとえば酸素、窒素、またはアルゴンなどの不活性ガスだが、凝縮性ガスであればガスクラスタイオン生成に使用可能）の多数（標準的な分布は数百〜数千、平均値は数千）の弱く結合した原子または分子のクラスタから形成され、各クラスタは１つまたは複数の電荷を共有し、大きな電位差（約３ｋＶ〜約７０ｋＶ以上）により共に加速されることで高い総エネルギーを有する。ガスクラスタイオンの形成および加速後、その荷電状態は、その他のクラスタイオン、その他の中性クラスタ、または背景に残留するガス粒子との衝突によって変更される、または変更されるようになる（さらには中性化される）ことがあり、このため、より小さなクラスタイオンまたはモノマーイオン、および／またはより小さな中性クラスタおよび中性モノマーに開裂される、または、開裂を誘発されることがあるが、結果として生じるクラスタイオン、中性クラスタ、モノマーイオン、中性モノマーは、大きな電位差を通じて加速されたために比較的高い速度およびエネルギーを維持する傾向があり、加速ガスクラスタイオンのエネルギーがフラグメント全体に分配されている。

本願で使用する場合の「ＧＣＩＢ」、「ガスクラスタイオンビーム」、「ガスクラスタイオン」という用語は、イオン化ビームおよびイオンだけでなく、加速後に荷電状態の一部が（中性化も含めて）改変された加速ビームおよびイオンを包含することを意図している。「ＧＣＩＢ」および「ガスクラスタイオンビーム」という用語は、非クラスタ化粒子を含む場合があるとしても、加速ガスクラスタイオンを含むすべてのビームを包含することを意図している。本願で使用する場合の「中性ビーム」という用語は、加速ガスクラスタイオンビームから得られる中性ガスクラスタおよび／または中性モノマーのビームを意味することを意図し、ここでの加速は、ガスクラスタイオンビームの加速を由来とする。本願で使用する場合の「モノマー」という用語は、同等に、単一の原子または単一の分子のいずれも指す。「原子」「分子」「モノマー」という用語は互換可能に使用することができ、言及中のガスの特徴となる適切なモノマー（クラスタの一成分、クラスタイオンの一成分、または原子あるいは分子）すべてを指す。たとえば、アルゴンなどの一原子ガスは原子、分子、またはモノマーとして言及することができ、これらの用語はそれぞれ単一の原子を意味する。同様に、窒素のような二原子ガスの場合、原子、分子、またはモノマーとして言及することができ、これらの用語はそれぞれ二原子分子を意味する。さらに、ＣＨ_４のような分子ガスは原子、分子、またはモノマーとして言及することができ、これらの用語はそれぞれ五原子分子を意味する、といった次第である。これらの決まりは、ガス状態のとき一原子、二原子、または分子のいずれであるかに関係なくガスおよびガスクラスタまたはガスクラスタイオンについて包括的に考察する際の簡略化のために用いられる。

大きなガスクラスタイオン内の個々の原子のエネルギーは非常に小さく、通常は数ｅＶ〜数十ｅＶであるため、原子は衝撃時に標的表面のせいぜい原子数個分の層を貫通するのみである。このように衝突する原子が浅く（通常、ビーム加速に応じて数ナノメートル〜約１０ナノメートル）貫通するため、結果的に、クラスタイオン全体の担持する全エネルギーが、１マイクロ秒未満の期間内に、非常に浅い表面層内でごくわずかな量に分散されることになる。これは、材料への侵入が時には数百ナノメートルに及び、材料の表面下深くに変化や材料改質を生じさせる従来のイオンビームとは異なる。ガスクラスタイオンの総エネルギーが高く、かつ相互作用量が非常に小さいため、衝撃部位に付与されるエネルギーの密度は従来のイオンによる衝突の場合よりもかなり大きい。したがって、ＧＣＩＢによる表面の改変では、より浅い領域で原子混合が生じるため、分析機器における深さ方向分析用のエッチングビームとして好適に用いられている。中性ビームによる表面加工では、表面の荷電が少なく、さらに浅い部分で改変を生じさせることができる。

加速ガスクラスタイオンが完全に解離、中性化されると、この結果生じる中性モノマーは、元の加速ガスクラスタイオンの総エネルギーを、加速時に元のガスクラスタイオンを形成していたモノマーの数Ｎ_１で割ったものにほぼ等しいエネルギーを有する。このように解離された中性モノマーは、ガスクラスタイオンの元の加速エネルギーと加速時のガスクラスタのサイズとに応じて、約１ｅＶ〜数十、さらには数千ｅＶものエネルギーを有する。

ガスクラスタイオンビームは、既知の技術によりワークを照射する目的で生成および移送される。ＧＣＩＢの照射経路に物体を保持し、物体の複数の部分を照射できるように物体を操作する様々な種類のホルダが当該技術において知られている。中性ビームは、本願に教示する技術によりワークを照射する目的で生成および移送することができる。

本発明は、様々な種類の表面および浅表面下材料加工に採用することができ、多数の用途で従来のＧＣＩＢ加工よりも優れた性能を発揮できる、加速ガスクラスタイオンビームから加速中性ガスクラスタおよび／または好ましくはモノマービームを得る、高ビーム純度方法およびシステムを採用することができる。中性ビーム装置は、約１ｅＶ〜数千ｅＶもの範囲のエネルギーを有する粒子を持つ、良好に収束され加速される強力な中性モノマービームを提供することができる。このエネルギー範囲では、簡易で比較的安価な装置で強力な中性ビームを形成することはこれまで実現困難であった。

これらの加速中性ビームは、まず、従来の加速ＧＣＩＢを形成し、次に、ビームに不純物を導入しない方法および稼働条件によって部分的またはほぼ全部を解離してから、ビームの残りの荷電部分を中性部分と分離することによって生成され、結果として生じる加速中性ビームをワークの加工に使用する。生成される中性ビームは、ガスクラスタイオンの解離度合いに応じて、中性ガスモノマーとガスクラスタの混合物、または、すべてまたはほぼすべてが中性ガスモノマーから成ることができる。加速中性ビームは完全に解離された中性モノマービームであることが好ましい。

本発明の方法および装置によって生成可能な中性ビームを利用すると、ＧＣＩＢを含むあらゆるイオン化ビームで一般的に生じるような、ビームが運ぶ電荷による材料表面の荷電を起因とする材料への損傷を与えずに絶縁性材料を加工できるという利点がある。たとえば、用途によっては、イオンが酸化物、窒化物などの誘電薄膜の損傷または破壊的荷電に寄与することが多い。イオンビームでは表面その他の電荷効果による望ましくない副作用が生じる可能性がある用途において、中性ビームを使用することで、ポリマー、誘電性および／またはその他の電気絶縁性または高電気抵抗材料、コーティング、膜のビーム加工を良好に行なうことができる。例として、（これに限られないが）防食コーティング加工や有機膜の照射架橋および／または重合化が挙げられる。別の例としては、ガラス、ポリマー、およびセラミック材料、ならびに、酸化物、窒化物、ガラスなどの誘電薄膜コーティングの中性ビーム加工が挙げられる。

加速ＧＣＩＢから得られる中性モノマーの加速ビームを表面改質用途に用いる場合のさらなる利点は、加工表面の、同様にＧＣＩＢを用いる場合と比べてもさらに浅い部分に破壊層を形成することである。

本発明の方法および装置によって加速中性ビームを形成するその元となるＧＣＩＢはイオンから成るため、従来のイオンビーム技術を用いて所望のエネルギーまで容易に加速され、容易に収束される。その後の解離と、中性粒子からの荷電イオンの分離が起きると、中性ビーム粒子は収束軌道を維持する傾向があり、長距離を移送され良好な結果をもたらすことができる。

ジェット内の中性ガスクラスタは、電子衝突によってイオン化されると、加熱および／または励起される。この結果、加速後にビームラインに沿って進む際にイオン化ガスクラスタからモノマーが蒸発する場合がある。さらに、イオン化装置、加速器領域、ビームライン領域におけるガスクラスタイオンと背景ガス分子との衝突によってもガスクラスタイオンを加熱および励起する結果、加速後にガスクラスタイオンからモノマーがさらに発生する場合がある。これらのモノマー発生メカニズムが、ＧＣＩＢを形成したのと同じガスの背景ガス分子（および／またはその他のガスクラスタ）と電子との衝撃および／または衝突で誘発される場合は、モノマー発生につながる解離プロセスがビーム汚染の一因となることはない。

ビームを汚染せずにＧＣＩＢ内のガスクラスタイオンを解離する（またはモノマー発生を誘発する）ために採用可能なメカニズムは他にもある。これらのメカニズムのうちいくつかは、中性ガスクラスタビーム内の中性ガスクラスタを解離するのに採用することもできる。メカニズムの１つとしては、赤外線またはその他のレーザエネルギーを使用してガスクラスタイオンビームをレーザ照射する。レーザ照射されたＧＣＩＢ内のガスクラスタイオンがレーザ誘起加熱される結果、ガスクラスタイオンが励起および／または加熱され、次いでビームからモノマーが発生する。別のメカニズムでは、加熱管にビームを通し、輻射熱エネルギーフォトンがビーム内のガスクラスタイオンに衝突するようにする。管内の輻射熱エネルギーによりガスクラスタイオンが誘起加熱される結果、ガスクラスタイオンが励起および／または加熱されて、次いでビームからモノマーが発生する。また別のメカニズムでは、ＧＣＩＢの形成に使用される原料ガス（またはその他の非汚染ガス）と同一のガスまたは混合ガスのガスジェットをガスクラスタイオンビームに交差させる結果、ガスジェット内のガスのモノマーとイオンビーム内のガスクラスタとが衝突し、ビーム内のガスクラスタイオンが励起および／または加熱され、次いで、励起されたガスクラスタイオンからモノマーが発生する。ＧＣＩＢ解離および／または開裂を起こすのに、最初のイオン化中の電子衝突、および／またはビーム内の（他のクラスタイオンまたはＧＣＩＢ形成に使用したものと同一ガスの背景ガス分子との）衝突、および／またはレーザまたは熱放射、および／または非汚染ガスの交差ジェット衝突に完全に依存することによって、他材料との衝突によるビーム汚染は回避される。

上述のような非汚染解離方法を用いることで、解離生成物または元の原料ガス原子の一部ではない残留クラスタに原子が導入されることなく、ＧＣＩＢは解離または少なくとも部分的に解離される。最初のクラスタ形成に、残留クラスタまたは解離生成物を用いてワークを加工すると汚染物質となってしまう原子を含まない原料ガスを用いることで、ワーク汚染は回避される。アルゴンまたはその他の希ガスを用いる場合、原料ガス材料は揮発性で化学的に反応しないので、後で中性ビームを用いてワークを照射しても、これらの揮発性、非反応性原子はワークから完全に放出される。したがって、ガラス、石英、サファイア、ダイヤモンド、その他の硬い透明材料を含む光学材料であるワークに対しては、アルゴンまたはその他の希ガスは、中性ビーム照射による汚染をもたらすことなく、原料ガス材料として機能することができる。そのほか、原料ガスの原子構成要素がワーク汚染につながる原子を含まなければ、その他の原料ガスを採用することもできる。たとえば、ガラスおよびシリカのワーク、また、その他の様々な光学材料は酸素を含有するが、酸素原子は汚染物質としては働かない場合がある。このような場合、酸素を含有する原料ガスは、汚染を引き起こすことなく採用することができ、その他のガスおよびワーク材料にも同じことが当てはまる。

ノズルからの中性ガスクラスタジェットが、電子がクラスタをイオン化するように導かれるイオン化領域を移動していく間、クラスタは非イオン化状態を保つ場合と、（入射電子によるクラスタからの電子の放出により）１つまたは複数の電荷を持つ荷電状態ｑを得る場合がある。イオン化装置の稼働条件は、ガスクラスタが特定の荷電状態をとる可能性に影響する。イオン化装置の条件が強力であるほど、より高い荷電状態が達成される可能性が高くなる。より高いイオン化効率につながるイオン化装置のより強力な条件は、より高い電子束および／またはより高い（限界内）電子エネルギーによりもたらすことができる。いったんガスクラスタがイオン化されると、一般的には、イオン化装置から抽出され、ビームへと収束され、電界を下ることによって加速される。ガスクラスタイオンの加速量は加速電界の大きさを制御することによって容易に制御される。一般的な市販のＧＣＩＢ加工ツールは、通常はたとえば約１ｋＶ〜７０ｋＶの調節可能な加速電位Ｖ_Ａｃｃを有する電界によってガスクラスタイオンを加速させる（ただしこの範囲に限定されず、最大２００ｋＶまたはそれ以上のＶ_Ａｃｃが実現可能）。したがって、一価のガスクラスタイオンは、１〜７０ｋｅＶ（またはＶ_Ａｃｃがもっと大きい場合はそれ以上）の範囲のエネルギーを得、多価（これに限られないが、たとえば荷電状態ｑ＝３電子電荷）のガスクラスタイオンは３〜２１０ｋｅＶ（またはＶ_Ａｃｃがもっと大きい場合はそれ以上）のエネルギーを得る。その他のガスクラスタイオン荷電状態および加速電位の場合、クラスタ当たりの加速エネルギーはｑＶ_ＡｃｃｅＶである。所与のイオン化効率を有する所与のイオン化装置から得られるガスクラスタイオンは、ゼロ（非イオン化）〜たとえば６といったさらに高い値（またはイオン化装置効率がさらに高い場合はそれ以上）まで分布する荷電状態を有し、荷電状態分布の最も可能性の高い値および平均値もまた、イオン化装置効率の上昇（電子束および／またはエネルギーの増大）と共に増加する。イオン化装置効率が高い場合、イオン化装置で形成されるガスクラスタイオンの数もまた多くなる。多くの場合、高効率でイオン化装置を稼働する結果としてＧＣＩＢ電流が増大すると、ＧＣＩＢ加工処理量が増加する。このような稼働のマイナス面は、中サイズのガスクラスタイオンで生じ得る多価の荷電状態が、これらイオンによって孔および／または粗境界面の形成を増加させる可能性があり、これらの作用が加工目的に対して逆効果に働く場合が多いことである。したがって、多くのＧＣＩＢ表面加工法において、イオン化装置稼働パラメータ選択の際は単にビーム電流を最大化するだけでなく多くの考慮事項を含む傾向がある。プロセスによっては、「圧力セル」（米国特許第７，０６０，９８９号、Ｓｗｅｎｓｏｎほかを参照）を採用して、高圧の「圧力セル」内でのガス衝突によりビームエネルギーを抑えることによって、許容範囲のビーム加工性能を得つつ、高イオン化効率でイオン化装置を稼働できるようにしてもよい。

本発明では、イオン化装置を高効率で稼働させることに不都合はなく、実際、このような稼働が好ましい場合がある。イオン化装置を高効率で稼働させると、イオン化装置によって生成されるガスクラスタイオンは幅広い荷電状態をとりうる。この結果、イオン化装置と加速電極間の抽出領域内、および下流のビーム内でも、ガスクラスタイオンは幅広い速度を有することになる。このため、ビーム内のガスクラスタイオン間の衝突頻度が増し、これが通常は、最大のガスクラスタイオンが開裂する度合いが高まることにつながる。このような開裂によりビーム内のクラスタサイズの再分布が起こり、クラスタサイズがより小さい方に傾く。これらのクラスタフラグメントは新たなサイズ（Ｎ）に比例したエネルギーを保持するため、最初の未開裂ガスクラスタイオンの加速度をほぼ保持しつつそのエネルギーは小さくなる。衝突後の速度保持に伴うエネルギーの変化は実験で実証されている（たとえば、Ｔｏｙｏｄａ，Ｎ．ほかの「残留ガスとの衝突後における、ガスクラスタイオンのエネルギーおよび速度分布に対するクラスタサイズ依存」、Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．＆ Ｍｅｔｈ．ｉｎ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｂ２５７（２００７）、６６２〜６６５ページで報告されている）。また、開裂により、クラスタフラグメント内の電荷にも再分布が起きる。非荷電フラグメントが生じる可能性が高く、多価のガスクラスタイオンがいくつかの荷電ガスクラスタイオンと、場合によってはいくつかの非荷電フラグメントとに開裂する可能性がある。発明者の理解するところでは、イオン化装置内の収束場および抽出領域の設計により、小さなガスクラスタイオンおよびモノマーイオンの収束を推進することができ、これにより、ビーム抽出領域および下流のビーム内での大きなガスクラスタイオンとの衝突可能性が高まり、ガスクラスタイオンの解離および／または開裂に貢献することができる。

中性ビーム生成にあたり、イオン化装置、加速領域、ビームラインにおける背景ガス圧は任意で、良好なＧＣＩＢ伝送のために通常利用されるものより高い圧力となるよう構成することができる。この結果、ガスクラスタイオンから（最初のガスクラスタイオン化事象から生じる加熱および／または励起から得られるものよりも）さらに多くのモノマーを発生させることができる。圧力は、ガスクラスタイオンの平均自由行程が充分短く、背景ガス分子と複数回衝突しなければならないように、イオン化装置とワーク間で充分に長い飛行行程を有するように構成することができる。

Ｎ個のモノマーを含み、荷電状態ｑを有し、Ｖ_Ａｃｃボルトの電場電位低下を通じて加速された均一なガスクラスタイオンの場合、クラスタはモノマー当たり約ｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_１ｅＶのエネルギーを有する。ここで、Ｎ_１は、加速時のクラスタイオン中のモノマーの数である。最小のガスクラスタイオンを除き、このようなイオンと、クラスタの原料ガスと同一ガスの背景ガスモノマーとの衝突の結果、ガスクラスタイオンには約ｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_１ｅＶが追加で付与される。このエネルギーは全ガスクラスタイオンエネルギー（ｑＶ_Ａｃｃ）と比べて比較的小さく、通常はクラスタを励起または加熱し、次いで、クラスタからモノマーを発生させる。このような大きなクラスタと背景ガスとの衝突でクラスタが開裂することはほとんどなく、クラスタを加熱および／または励起して、蒸発または類似のメカニズムによってモノマーを発生させると考えられる。ガスクラスタイオンからのモノマー発生をもたらした励起源にかかわらず、発生したモノマーは、粒子当たりほぼ同一のエネルギーｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_１ｅＶを有し、発生源であるガスクラスタイオンとほぼ同じ速度と軌道とを保持する。ガスクラスタイオンからこのようなモノマー発生が起きるとき、元のイオン化事象、衝突、または輻射加熱による励起または加熱のいずれから生じたかにかかわらず、電荷は大きな残留ガスクラスタイオンに留まる可能性が高い。したがって、一連のモノマー発生後、より大きなガスクラスタイオンは、共に移動するモノマーと、場合によってはより小さな残留ガスクラスタイオン１つ（あるいは開裂が起きた場合は数個）とのイオン雲に縮小している可能性がある。元のビーム軌道に沿って共に移動するモノマーはすべて、元のガスクラスタイオンとほぼ同じ速度を有し、それぞれが約ｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_１ｅＶのエネルギーを有する。小さなガスクラスタイオンの場合、背景ガスモノマーとの衝突エネルギーは、小さなガスクラスタを完全に激しく解離させる可能性が高く、このような場合、結果として生じたモノマーがビームと共に移動し続けるのか、ビームから放出されるのかは不確実である。

ＧＣＩＢがワークに到達する前に、ビーム中に残留する荷電粒子（ガスクラスタイオン、特に小中サイズのガスクラスタイオンと、数個の荷電モノマーだが、大きなガスクラスタイオンが残っている場合はこれも含む）は、ビームの中性部分から分離されて、残りはワーク加工用の中性ビームだけとなる。

通常の稼働時、加工標的に送達される全量ビーム（荷電プラス中性）の出力に対する中性ビーム成分の出力割合は約５％〜９５％の範囲であるため、本発明の分離方法および装置によって、全加速荷電ビームの運動エネルギーの同部分を、中性ビームとして、標的に送達することができる。

ガスクラスタイオンの解離、すなわち高エネルギーの中性モノマービーム生成は、以下により容易に得ることができる。１）より高い加速電圧で稼働する。これにより、クラスタサイズがいずれであってもｑＶ_Ａｃｃ／Ｎが増大する。２）イオン化装置を高効率で稼働する。これによりｑが増大するため、クラスタサイズがいずれであってもｑＶ_Ａｃｃ／Ｎが増大し、クラスタ間の荷電状態の差により、抽出領域におけるクラスタイオン同士の衝突が増加する。３）イオン化装置、加速領域、またはビームラインを高圧で稼働する、または、ビームに交差するガスジェットを用いて稼働する、または、より長いビーム経路で稼働する。これらはすべて、ガスクラスタイオンのサイズがいずれであっても背景ガス衝突の可能性を高める。４）ガスクラスタイオンからのモノマー発生を直接促進するレーザ照射またはビームの輻射加熱を用いて稼働する。５）より高いノズルガス流で稼働させる。これによって、クラスタ化および場合によっては非クラスタ化ガスのＧＣＩＢ軌道への移送が促進されて衝突が増し、この結果モノマーがより多く発生する。

中性ビームの測定は、ガスクラスタイオンビームには都合のよいビーム電流または電荷測定によって行なうことができない。ワークに中性ビームを照射する際の線量測定を容易にするために中性ビーム出力センサを用いることができる。中性ビームセンサは、ビーム（または任意でビームの既知のサンプル）を遮断する熱センサとすることができる。センサの温度上昇率はセンサのエネルギービーム照射から生じるエネルギー束に関連している。このような熱測定は、センサに入射するエネルギーの熱再放射を起因とするエラーを避けるため、センサの限られた範囲内の温度で行わなければならない。ＧＣＩＢ加工の場合、ビーム出力（ワット）はビーム電流（アンペア）×ビーム加速電圧Ｖ_Ａｃｃに等しい。ある期間（秒）ＧＣＩＢでワークを照射するとき、ワークが受け取るエネルギー（ジュール）はビーム出力と照射時間の積である。広い領域を加工する際のこのようなビームの加工作用は、その面積（たとえばｃｍ^２）全体に分散される。イオンビームの場合、従来は都合よく、加工線量は１ｃｍ^２当たりの照射イオン数として特定してきた。ここで、イオンは加速時に平均荷電状態ｑを有し、Ｖ_Ａｃｃボルトの電位差を通じて加速されたことが知られている、または推定され、これにより、各イオンがｑＶ_ＡｃｃｅＶ（ｅＶは約１．６×１０^−１９ジュール）のエネルギーを担持している。したがって、平均荷電状態ｑで、Ｖ_Ａｃｃにて加速され、イオン数／ｃｍ^２で特定されるイオンビーム線量は、簡単に算出可能でジュール／ｃｍ^２で表されるエネルギー線量に相当する。本発明で利用されるような加速ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームの場合、加速時のｑの値とＶ_Ａｃｃの値は、（後で形成され分離される）ビームの荷電部分と非荷電部分の両方で同一である。ＧＣＩＢの２つの部分（中性および荷電）の出力は各ビーム部分の質量に比例して分割される。したがって、本発明で採用されるような加速中性ビームの場合、等しい面積が等しい時間照射されるとき、中性ビームによって付与されるエネルギー量（ジュール／ｃｍ^２）は必然的に、全量ＧＣＩＢによって付与されるエネルギー量より小さくなる。熱センサを使用して全量ＧＣＩＢの出力Ｐ_Ｇと中性ビームの出力Ｐ_Ｎ（一般的には全量ＧＣＩＢの約５％〜９５％と考えられる）を測定することによって、中性ビーム加工線量測定で使用される補償係数を算出することができる。Ｐ_ＮがａＰ_Ｇのとき、補償係数はｋ＝１／ａである。したがって、ワークをＧＣＩＢから得られる中性ビームを用いて加工する場合、線量Ｄ（イオン数／ｃｍ^２）を得るのに必要な全量ＧＣＩＢ（荷電部分と中性ビーム部分を含む）の場合の加工時間よりもｋ倍長く設定される時間の間加工すれば、中性ビームと全量ＧＣＩＢとがワークに付与するエネルギー線量はいずれも同一となる（ただし、２つのビームの粒子サイズの差異による加工作用の量的差異が原因で、結果は異なる場合がある）。本願で使用する場合、このようにして補償される中性ビーム加工線量は、線量Ｄ（イオン数／ｃｍ^２）と等価のエネルギー／ｃｍ^２を有するものとして説明されることがある。

その他の中性ビーム線量測定法を採用することもできる。これらの代替的方法の例は、共通の発明者による米国特許出願第１３／６６０，２９５号（出願日２０１２年１０月２５日）「中性ビーム特性評価とそれによるプロセス制御のための診断法および装置」に開示されている。

以下の説明では、簡潔化のため、先に説明した図の要素符号が、後述の図で説明なく使用される場合がある。同様に、先の図に関して説明した要素が、後の図で要素符号または追加の説明なく使用される場合がある。このような場合、類似の符号を付した要素は類似の要素であり、先に説明した特徴および機能を有し、本図面に要素符号無しで示される要素は、先に説明し番号を付した図中で示される類似の要素と同一の機能を有する類似の要素を指す。

以下、ＧＣＩＢ加工装置１１００の概略構造を示す図１を参照する。低圧容器１１０２は、流体接続された３つのチャンバ、すなわち、ノズルチャンバ１１０４、イオン化／加速チャンバ１１０６、処理チャンバ１１０８を有する。３つのチャンバは真空ポンプ１１４６ａ、１１４６ｂ、１１４６ｃによってそれぞれ排気される。ガス貯蔵シリンダ１１１１に貯蔵される圧縮凝縮性原料ガス１１１２（たとえばアルゴン）は、ガス計測バルブ１１１３および供給管１１１４を通って滞留チャンバ１１１６へと流れ込む。滞留チャンバ１１１６内の圧力（通常、数気圧）により、ガスはノズル１１１０を通って、圧力がこれよりかなり低い真空内に噴射され、超音速のガスジェット１１１８を形成する。ジェット内の膨張から得られる冷却効果によって、ガスジェット１１１８の一部はそれぞれが数個から数千個の弱く結合した原子または分子から成るクラスタへと凝縮する。ガススキマー開口１１２０を使用し、クラスタジェットに凝縮しなかったガス分子を部分的にクラスタジェットから分離することによって、下流のチャンバに向かうガス流を制御する。下流チャンバ内の圧力が過大であると、ガスクラスタイオンの移送を阻害し、また、ビーム形成および移送のために採用される場合がある高電圧の管理を阻害して、有害となる場合がある。適切な凝縮性原料ガス１１１２は、アルゴンおよびその他の凝縮性希ガス、窒素、二酸化炭素、酸素、およびその他多くのガスおよび／またはガス混合物を含むがこれらに限定されない。超音速ガスジェット１１１８内のガスクラスタの形成後、ガスクラスタの少なくとも一部はイオン化装置１１２２内でイオン化される。当該装置は通常、１または複数の白熱フィラメント１１２４（またはその他の適切な電子源）からの熱放射により電子を生成して、電子を加速および案内し、ガスジェット１１１８内のガスクラスタと衝突できるようにする、電子衝撃イオン化装置である。電子とガスクラスタとの衝突によりガスクラスタの一部から電子が放出され、これらのクラスタが正イオン化する。クラスタによっては２つ以上の電子が放出され、多価イオン化する場合がある。通常、加速後の電子数とそのエネルギーの制御は、起こり得るイオン化の数と、ガスクラスタの多価イオン化と単価イオン化との割合に影響を及ぼす。抑制電極１１４２および接地電極１１４４はイオン化装置出口孔１１２６からクラスタイオンを抽出し、それらを所望のエネルギー（通常は数百Ｖ〜数十ｋＶの加速電位）まで加速し、収束させてＧＣＩＢ１１２８を形成する。ＧＣＩＢ１１２８がイオン化装置出口孔１２６と抑制電極１１４２間を横断する領域を抽出領域と呼ぶ。ガスクラスタを含有する超音速ガスジェット１１１８の（ノズル１１１０位置に規定される）軸は、ＧＣＩＢ１１２８の軸１１５４と略同一である。フィラメント電源１１３６は、イオン化装置フィラメント１１２４を加熱するフィラメント電圧Ｖ_ｆを供給する。アノード電源１１３４は、フィラメント１１２４から出射される熱電子を加速するアノード電圧Ｖ_Ａを供給し、熱電子でクラスタ含有ガスジェット１１１８を照射してクラスタイオンを生成する。抑制電源１１３８は、抑制電極１１４２にバイアスをかける抑制電圧Ｖ_ｓ（数百〜数千ボルト）を供給する。加速器電源１１４０は、抑制電極１１４２および接地電極１１４４に対してイオン化装置１１２２にバイアスをかける加速電圧Ｖ_Ａｃｃを供給し、総ＧＣＩＢ加速電位がＶ_Ａｃｃに等しくなるようにする。抑制電極１１４２は、イオン化装置１１２２のイオン化装置出口孔１１２６からイオンを抽出し、所望しない電子が下流からイオン化装置１１２２に入るのを防止し、収束ＧＣＩＢ１１２８を形成する役割を果たす。

ＧＣＩＢ加工により加工されるワーク１１６０、（たとえば）医療装置、半導体材料、光学素子、またはその他のワークは、ワークをＧＣＩＢ１１２８の経路に配置するワークホルダ１１６２に保持される。ワークホルダは処理チャンバ１１０８に装着されるが、電気絶縁体１１６４によって電気的に絶縁されている。したがって、ワーク１１６０およびワークホルダ１１６２に衝突するＧＣＩＢ１１２８は、導線１１６８を通って線量プロセッサ１１７０へと流れる。ビームゲート１１７２は、軸１１５４に沿ったワーク１１６０までのＧＣＩＢ１１２８の伝送を制御する。通常、ビームゲート１１７２は開状態および閉状態を有し、（たとえば）電気的、機械的、または電気機械的なリンク機構１１７４によって制御される。線量プロセッサ１１７０は、ビームゲート１１７２の開／閉状態を制御して、ワーク１１６０およびワークホルダ１１６２が受け取るＧＣＩＢの線量を管理する。稼働時には、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を開状態とし、ワーク１１６０へのＧＣＩＢ照射を開始する。通常、線量プロセッサ１１７０はワーク１１６０とワークホルダ１１６２に到達するＧＣＩＢ電流を統合して、ＧＣＩＢ累積照射線量を算出する。所定の線量になると、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を閉状態として、所定の線量に達した時点で加工を終了する。

図２は、イオンビームの走査およびワークの操作を行なう場合の、ＧＣＩＢを用いてワークを加工する別のＧＣＩＢ加工装置１２００の要素を示す概略図である。ＧＣＩＢ加工装置１２００により加工されるワーク１１６０は、ＧＣＩＢ１１２８の経路に配置されるワークホルダ１２０２に保持される。ワーク１１６０の均一加工を達成するため、ワークホルダ１２０２は均一加工に必要とされる通りにワーク１１６０を操作するべく設計される。

非平面状、たとえば、球状またはカップ状、丸み、不規則、またはその他の非平坦な構造を有するワーク表面は、ビーム入射に対してある範囲内の角度で配向させて、ワーク表面に最適なＧＣＩＢ加工を行なうことができる。加工の最適化と均一性のため、ワークホルダ１２０２は、加工対象のすべての非平面状表面をＧＣＩＢ１１２８に適切に合わせて配向するために、全関節型とすることができる。より具体的には、加工中のワーク１１６０が非平面状である場合、ワークホルダ１２０２は関節／回転機構１２０４によって回転運動１２１０で回転させ、関節運動１２１２で関節稼働を行なうことができる。関節／回転機構１２０４は、縦軸１２０６（ＧＣＩＢ１１２８の軸１１５４と同軸）を中心とした３６０度の回転と、軸１２０６に垂直な軸１２０８を中心とした充分な関節運動とを可能にし、ワーク表面をビーム入射の所望の範囲内に維持することができる。

特定の条件下では、ワーク１１６０のサイズに応じて、大きなワークに均一な照射を行うために走査システムが望ましい場合がある。ＧＣＩＢ加工には必要ない場合が多いが、直交する２対の静電走査板１１３０、１１３２を用いて、広い加工領域に渡ってラスタまたはその他の走査パターンを生成することができる。このようなビーム走査を実行する場合、走査装置１１５６が導線対１１５９を通じて一対の走査板１１３２にＸ軸走査信号電圧を供給し、導線対１１５８を通じて一対の走査板１１３０にＹ軸走査信号電圧を供給する。一般的に、走査信号電圧は、ＧＣＩＢ１１２８を、ワーク１１６０の全表面を走査する走査ＧＣＩＢ１１４８に変換させる、様々な周波数の三角波である。走査ビーム画定開口１２１４が、走査領域を画定する。走査ビーム画定開口１２１４は導電性であり、低圧容器１１０２の壁に電気的に接続され、支持部材１２２０によって支持される。ワークホルダ１２０２は、可撓導線１２２２を介してファラデーカップ１２１６に電気的に接続され、該ファラデーカップは、ワーク１１６０およびワークホルダ１２０２を囲み、画定開口１２１４を流れる全電流を回収する。ワークホルダ１２０２は関節／回転機構１２０４から電気的に隔離され、ファラデーカップ１２１６は、絶縁体１２１８によって低圧容器１１０２から電気的に隔離され低圧容器１１０２に装着されている。したがって、走査ビーム画定開口１２１４を通過する走査ＧＣＩＢ１１４８からの全電流は、ファラデーカップ１２１６に回収されて、導線１２２４を通って線量プロセッサ１１７０まで流れる。稼働時には、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を開状態とし、ワーク１１６０へのＧＣＩＢ照射を開始する。通常、線量プロセッサ１１７０はワーク１１６０、ワークホルダ１２０２、およびファラデーカップ１２１６に到達するＧＣＩＢ電流を統合して、単位面積当たりのＧＣＩＢ累積照射線量を算出する。所定の線量になると、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を閉状態とし、所定の線量に達した時点で加工を終了する。所定線量の累積中、ワーク１１６０は、所望の表面すべてを確実に加工するために、関節／回転機構１２０４によって操作することができる。

図３は、本発明の実施形態に係る中性ビーム加工に採用可能な例示的タイプの中性ビーム加工装置１３００の概略図である。この装置は、ＧＣＩＢの荷電部分と非荷電部分とを分離するために静電偏向板を使用する。ビームラインチャンバ１１０７は、イオン化装置、加速器領域、ワーク加工領域を囲っている。ビームラインチャンバ１１０７は高導電性を有するため、圧力は全体にほぼ一定である。真空ポンプ１１４６ｂはビームラインチャンバ１１０７を排気する。ガスは、ガスジェット１１１８によって運ばれるクラスタ化ガスおよび非クラスタ化ガスの形で、また、ガススキマー開口１１２０を通じて漏れる追加の非クラスタ化ガスの形でビームラインチャンバ１１０７に流れ込む。圧力センサ１３３０は、ビームラインチャンバ１１０７から電気ケーブル１３３２を介して圧力センサ制御部１３３４に圧力データを送信し、そこでビームラインチャンバ１１０７内の圧力が測定および表示される。ビームラインチャンバ１１０７内の圧力は、ビームラインチャンバ１１０７へのガス流と真空ポンプ１１４６ｂのポンピング速度とのバランスに依存する。ガススキマー開口１１２０の径、ノズル１１１０を通る原料ガス１１１２流、真空ポンプ１１４６ｂのポンピング速度を選択することによって、ビームラインチャンバ１１０７内の圧力は、設計とノズル流とにより決定される圧力ＰＢに釣り合う。接地電極１１４４からワークホルダ１６２へのビーム飛行経路はたとえば１００ｃｍである。設計および調節によって、ＰＢは約６×１０^−５Ｔｏｒｒ（８×１０^−３パスカル）とすることができる。よって、圧力とビーム路長の積は約６×１０^−３Ｔｏｒｒ−ｃｍ（０．８パスカル−ｃｍ）であり、ビーム用のガスは１ｃｍ^２当たり約１．９４×１０^１４個のガス分子を有する濃度を目標とし、これは、ＧＣＩＢ１１２８でガスクラスタイオンを解離するのに有効であると考えられる。Ｖ_Ａｃｃはたとえば３０ｋＶとすることができ、ＧＣＩＢ１１２８はこの電位で加速される。一対の偏向板（１３０２および１３０４）がＧＣＩＢ１１２８の軸１１５４を中心にして配置される。偏向板電源１３０６は導線１３０８を介して偏向板１３０２に正の偏向電圧Ｖ_Ｄを供給する。偏向板１３０４は、導線１３１２によって、電流センサ／ディスプレイ１３１０を通じて電気接地点に接続される。偏向板電源１３０６は手動で制御可能である。Ｖ_Ｄは、ゼロ電圧から、ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６を偏向板１３０４上に完全に偏向させるのに充分な電圧（たとえば数千ボルト）まで調節することができる。ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６が偏向板１３０４上に偏向されると、結果として生じる電流Ｉ_Ｄは、表示用に導線１３１２と電流センサ／ディスプレイ１３１０とを流れる。Ｖ_Ｄがゼロのとき、ＧＣＩＢ１１２８は偏向されずにワーク１１６０およびワークホルダ１１６２へ移動する。ＧＣＩＢビーム電流Ｉ_Ｂはワーク１１６０およびワークホルダ１１６２上で回収され、導線１１６８および電流センサ／ディスプレイ１３２０を通って電気接地点まで流れる。Ｉ_Ｂは電流センサ／ディスプレイ１３２０に示される。ビームゲート１１７２は、ビームゲート制御部１３３６によって、リンク機構１３３８を介して制御される。ビームゲート制御部１３３６は手動で、あるいは電気的または機械的に、所定値によって時間を調整され、所定の間隔でビームゲート１１７２を開くことができる。使用時、Ｖ_Ｄはゼロに設定され、ワークホルダに衝突するビーム電流Ｉ_Ｂが測定される。所与のＧＣＩＢ加工法での過去の経験に基づき、所与の加工での最初の照射時間は、測定された電流Ｉ_Ｂに基づいて決定される。Ｖ_Ｄは、すべての測定ビーム電流がＩ_ＢからＩ_Ｄに移り、Ｉ_ＤがＶ_Ｄの増加と共に増加しなくなるまで増大される。この時点で、最初のＧＣＩＢ１１２８の解離エネルギー成分を含有する中性ビーム１３１４がワークホルダ１１６２を照射する。次いで、ビームゲート１１７２が閉じられ、ワーク１１６０が従来のワーク装填手段（図示せず）によってワークホルダ１１６２に配置される。ビームゲート１１７２は所定の、最初の照射時間の間、開状態とされる。照射期間の後、ワークを検査し、加工時間を必要に応じて調節し、測定されたＧＣＩＢビーム電流Ｉ_Ｂに基づき中性ビーム加工時間を較正することができる。このような較正プロセスの後、さらなるワークを較正された照射期間を用いて加工することができる。

中性ビーム１３１４は、加速ＧＣＩＢ１１２８の最初のエネルギーの反復可能部分を含む。元のＧＣＩＢ１１２８の残りのイオン化部分１３１６は、中性ビーム１３１４から除去され、接地された偏向板１３０４によって回収される。中性ビーム１３１４から除去されるイオン化部分１３１６は、モノマーイオンと、中サイズのガスクラスタイオンを含むガスクラスタイオンとを含む場合がある。イオン化プロセス中のクラスタ加熱、ビーム間衝突、背景ガス衝突、その他の原因（すべてがクラスタの侵食を招く）によるモノマーの蒸発メカニズムにより、中性ビームはほぼ中性モノマーから成る一方、分離された荷電粒子は大半がクラスタイオンである。発明者は、中性ビームの再イオン化や、結果として生じたイオンの電荷質量比の測定を含む、適切な測定によって、このことを確認した。以下で示すように、特定の優れた加工結果は、この中性ビームを用いてワークを加工することによって得られる。

図４は、本発明の実施形態で採用することができる、たとえば中性ビーム生成の際に使用される、中性ビーム加工装置１４００の概略図である。この装置は、中性ビームの測定用に熱センサを使用する。熱センサ１４０２は、低伝熱性装着部１４０４を介して、旋回軸１４１２に装着された回転支持アーム１４１０に装着される。アクチュエータ１４０８は、可逆性回転運動１４１６を介して、熱センサ１４０２が中性ビーム１３１４またはＧＣＩＢ１１２８を遮断する位置と熱センサ１４０２がビームを遮断しない１４１４で示す停止位置との間で、熱センサ１４０２を移動させる。熱センサ１４０２が（１４１４で示す）停止位置にあるとき、ＧＣＩＢ１１２８または中性ビーム１３１４は、経路１４０６に沿って進行し続け、ワーク１１６０および／またはワークホルダ１１６２を照射する。熱センサ制御部１４２０は熱センサ１４０２の配置を制御し、熱センサ１４０２によって生成される信号の処理を実行する。熱センサ１４０２は電気ケーブル１４１８を通じて熱センサ制御部１４２０と通信する。熱センサ制御部１４２０は電気ケーブル１４２８を通じて線量測定制御部１４３２と通信する。ビーム電流測定装置１４２４は、ＧＣＩＢ１１２８がワーク１１６０および／またはワークホルダ１１６２に衝突したときに導線１１６８に流れるビーム電流Ｉ_Ｂを測定する。ビーム電流測定装置１４２４は、電気ケーブル１４２６を介して線量測定制御部１４３２にビーム電流測定信号を伝達する。線量測定制御部１４３２は、リンク機構１４３４を介して送信される制御信号に従い、ビームゲート１１７２の開閉状態の設定を制御する。線量測定制御部１４３２は、電気ケーブル１４４２を介して偏向板電源１４４０を制御し、ゼロ電圧と、ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６を偏向板１３０４に完全に偏向させるのに充分な正電圧との間で偏向電圧Ｖ_Ｄを制御することができる。ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６が偏向板１３０４に衝突すると、結果として生じる電流Ｉ_Ｄが電流センサ１４２２によって測定され、電気ケーブル１４３０を介して線量測定制御部１４３２に伝達される。稼働時には、線量測定制御部１４３２は熱センサ１４０２を停止位置１４１４に設定し、ビームゲート１１７２を開状態とし、全量ＧＣＩＢ１１２８がワークホルダ１１６２および／またはワーク１１６０に衝突するように、Ｖ_Ｄをゼロに設定する。線量測定制御部１４３２は、ビーム電流測定装置１４２４から送信されるビーム電流Ｉ_Ｂを記録する。次に、線量測定制御部１４３２は、熱センサ制御部１４２０から中継されるコマンドに従い、熱センサ１４０２を停止位置１４１４からＧＣＩＢ１１２８を遮断するように移動させる。熱センサ制御部１４２０は、センサの熱容量と、熱センサ温度が上昇し所定の測定温度（たとえば７０℃）を越えるときの熱センサ１４０２の温度上昇測定速度とに基づき算出されるＧＣＩＢ１１２８のビームエネルギー束を測定し、算出したビームエネルギー束を線量測定制御部１４３２に伝達し、線量測定制御部１４３２は、熱センサ１４０２によって測定されたビームエネルギー束の較正値と、これに対応する、ビーム電流測定装置１４２４によって測定されるビーム電流を算出する。線量測定制御部１４３２は次いで、熱センサ１４０２を停止位置１４１４に停止させることによってこれを冷却させ、ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分による電流Ｉ_Ｄがすべて偏向板１３０４に移送されるまで、正電圧Ｖ_Ｄを偏向板１３０２に印加するよう命じる。電流センサ１４２２は対応するＩ_Ｄを測定し、これを線量測定制御部１４３２に伝える。また、線量測定制御部は、熱センサ制御部４２０を介して中継されるコマンドに従い、熱センサ１４０２を停止位置１４１４から移動させて、中性ビーム１３１４を遮断する。熱センサ制御部４２０は予め決定された較正係数と、熱センサ温度が上昇し所定の測定温度を越えたときの熱センサ１４０２の温度上昇速度とを用いて、中性ビーム１３１４のビームエネルギー束を測定し、中性ビームエネルギー束を線量測定制御部１４３２に伝達する。線量測定制御部１４３２は中性ビーム割合を算出する。これは、センサ１４０２における全量ＧＣＩＢ１１２８のエネルギー束の熱測定値に対する、中性ビーム１３１４のエネルギー束の熱測定値の割合である。通常稼働時には、約５％〜約９５％の中性ビーム割合が得られる。加工開始前に、線量測定制御部１４３２は電流Ｉ_Ｄも測定し、Ｉ_ＢとＩ_Ｄの最初の値間の電流比を算出する。加工中、Ｉ_Ｂを連続測定する代わりに、Ｉ_Ｄの瞬時値に最初のＩ_Ｂ／Ｉ_Ｄの割合を掛けて使用することができ、これを、線量測定制御部１４３２による加工制御中の線量測定に使用することができる。よって、線量測定制御部１４３２は、あたかも全量ＧＣＩＢ１１２８の実際のビーム電流測定が利用可能であるかのように、ワーク加工中のいかなるビーム変動を補償することができる。線量測定制御部は中性ビーム割合を使用して、特定のビーム加工に要する所望の加工時間を計算する。加工中に、較正測定値Ｉ_Ｄに基づき加工時間を調節し、加工中に起こりえるビーム変動を補正することができる。

図５Ａ〜５Ｄは、ここでは金の薄膜であるワーク上の、全量ビームと電荷分離ビームとの比較作用を示す。実験環境では、シリコン基板に蒸着された金膜を、全量ＧＣＩＢ（荷電成分および中性成分）、中性ビーム（ビームから荷電成分が外へ偏向された）、および荷電成分のみを含む偏向ビームで加工した。３つの条件はすべて同一の、最初に３０ｋＶで加速されたアルゴンＧＣＩＢから得たものである。加速後のビーム経路には１ｃｍ^２当たり約２×１０^１４個のアルゴンガス原子が存在することを目標ガス濃度とした。３つのビームそれぞれについて、１ｃｍ^２当たり２×１０^１５のガスクラスタイオン量で全量ビーム（荷電プラス中性）によって担持される総エネルギーに一致するよう照射した。各ビームのエネルギー束速度を熱センサを用いて測定し、加工時間は、各サンプルが全量（荷電プラス中性）ＧＣＩＢ線量と等価の総熱エネルギー量を確実に受け取るように調節した。

図５Ａは、約２．２２ｎｍの平均粗度Ｒａを有する蒸着金膜サンプルの、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による５ミクロン角の走査像と統計分析を示す。

図５Ｂは、平均粗度Ｒａが約１．７６ｎｍに低減されている、全量ＧＣＩＢで加工した金表面のＡＦＭ走査像を示す。

図５Ｃは、平均粗度Ｒａが約３．５１ｎｍに増大している、ビームの荷電成分のみ（中性ビーム成分からの偏向後）を使用して加工した表面のＡＦＭ走査像を示す。

図５Ｄは、平均粗度Ｒａが約１．５６ｎｍまで平滑化されている、ビームの中性成分（荷電成分が中性ビームから外に偏向された後）のみを用いて加工された表面のＡＦＭ走査像を示す。全量ＧＣＩＢ加工サンプル（Ｂ）は蒸着膜（Ａ）よりも滑らかである。中性ビーム加工サンプル（Ｄ）は全量ＧＣＩＢ加工サンプル（Ｂ）よりも滑らかである。ビームの荷電成分で加工されたサンプル（Ｃ）は蒸着膜よりもかなり粗い。この結果が示すように、ビームの中性成分は、全量ＧＣＩＢに比べて非常に高い平滑化の一因となり、ビームの荷電成分は粗化の一因となる。

図６は、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、シリコン基板上のシリカ（二酸化ケイ素、ＳｉＯ_２）膜をエッチング、および、シリコン基板をエッチングした後に得られた、深さ方向分析の計測グラフ１２００を示す。図４に示すものと同様の装置を使用し、アルゴンを用いて３０ｋＶで加速ＧＣＩＢを形成した。滞留チャンバ内の圧力は２８ｐｓｉ（１．９３×１０^５パスカル）、ノズル流は２００標準ｃｍ^３／分（３．３標準ｃｍ^３／秒）とした。全量ビーム電流（偏向による分離前の荷電および中性成分）は約０．５０マイクロアンペア（μＡ）であった。加速器とワーク間領域のアルゴンガス目標濃度は１ｃｍ^２当たりのアルゴンガスモノマー数が約１．４９×１０^１４であり、加速中性ビームは、標的において、実質的に完全に解離した中性モノマーからなることが観測された。静電偏向を用いて、荷電粒子をすべてビーム軸から外れるようビーム外へ偏向し、中性ビームを形成した。したがって、中性ビームは、実質的に、アルゴン中性モノマーの加速ビームであった。熱センサを用いて線量測定を行ない、シリコン基板に供給される総中性ビーム線量を較正し、荷電および非荷電粒子の双方を含む（電荷分離により中性化していない）加速ＧＣＩＢ（３０ｋＶ）であれば１ｃｍ^２当たり２．１６×１０^１６個のガスクラスタイオン照射線量によって付与されるようなエネルギーと等価のエネルギーを中性ビームが付与するようにした。シリコン基板上のシリカ膜（厚さ約０．５ミクロン［μｍ］）は、ポリイミドフィルムテープの細長い片（幅約０．７ｍｍ）で部分的に覆い、加速中性ビームを照射した。照射に続き、ポリイミドテープは取り除かれた。図６を再び参照すると、深さ方向分析の計測グラフ１２００は、側面計ＴＥＮＣＯＲ Ａｌｐｈａ−Ｓｔｅｐ２５０を用い、（シリコン基板上の）ＳＩＯ_２膜表面に沿い、ポリイミドフィルムテープにより覆われた領域をまたぐ方向に、加速中性ビームによるエッチングで生じた段差形状を測定して作成されたものである。平坦部１２０２はポリイミドフィルム下の（フィルム除去および洗浄後の）ＳｉＯ_２膜の非エッチング面を表し、領域１２０４はエッチングされた部分を表す。加速中性ビームによるエッチングは約２．４ミクロン（μｍ）の深さまで達し、０．５ミクロンのＳｉＯ_２膜を貫通した上に、その下の結晶シリコン基板内にさらに１．９ミクロン侵入し、深さ方向分析の計測グラフ１２００に示す段差を形成している。この結果は、中性ビームによるシリカエッチングの有効性を示している。アルゴンおよびその他の不活性ガスを、物理的手段による中性ビームエッチングの原料ガスとして用いることができる。

図７Ａ〜図７Ｅは、従来の加工を本発明の一実施形態に係る加工に対して比較した、フォトマスク基板の加工工程を示す概略図である。

図７Ａは、ＣＭＰ平滑化、平坦化、および／または追加の二次研磨などの先の加工の結果として存在し得る、最上層の浅い表面損傷領域１４０４に欠陥を有するシリカフォトマスク基板１４０２を示す概略図１４００である。このような欠陥は（たとえば１４０８で示す）埋め込まれた粒子、または、（たとえば１４１０で示す）表面下損傷を含む場合がある。浅い表面損傷領域１４０４の下側境界１４０６は、フォトマスク基板１４０２の最上面下の深さｄにある。同図は、表面平滑化／平坦化工程（ＣＭＰまたはＣＭＰプラス二次研磨）完了後のフォトマスク基板加工における典型的な中間過程を示している。

従来のフォトマスク基板研磨では、図７Ａに示す加工過程の後、基板上への蒸着などの従来の後続工程へと進む前に、基板を（たとえば超音波溶媒キャビテーションなどの）強力な撹拌ウェットクリーニング加工により洗浄し、良好なフォトマスク形成を阻害しかねない、残留研磨スラリーまたはその他の汚染粒子を除去するのが通例である。

図７Ｂは、従来の強力洗浄（たとえば強力撹拌ウェットクリーニング加工など）後の段階にあるフォトマスク基板を示す概略図１４２０である。洗浄加工の結果、埋め込まれていた粒子が放出され、埋設粒子跡の孔が現れ（例えば１４２２で示す）、表面下損傷の領域が最上層まで移動して、孔および／または凹み（たとえば１４２４で示す）として露わになっている。表面下損傷１４１０のさらなる領域は、移動して表面に孔や凹みを形成しない場合がある。１４２２や１４２４などの表面欠陥は小さく、加工のこの段階では検知されず、続く蒸着工程などの従来の後続加工過程や、後に、相当の加工費用がさらに費やされた後になって初めて、現れる場合がある。

本発明の一実施形態によれば、フォトマスク基板には、加工フローの変形例を採用することができる。すなわち、図７Ａに示す従来の工程の後、表面欠陥が現れる原因となるような強力洗浄工程を行なう前に、中性ビームを用いて表面を加工し、フォトマスク基板の最上面を、表面損傷１４０６の下側境界および浅い表面損傷領域１４０４を含む深さｄと同等またはこれより大きい深さの所定深さまでエッチング除去する。このためには浅い表面損傷領域１４０４の深さｄを求める必要があるが、この深さは、先のＣＭＰおよび／または二次研磨加工プロセスおよび基板材料に依存する。また、中性ビームの照射ビームパラメータ（ビーム加速度、エッチング用原料ガス選択、および中性ビーム線量）や、基板材料のエッチングし易さ特性を求める必要もある。深さｄは、典型的には、約１０ナノメータから数百ナノメータまでであることが分かっている。中性ビーム加工パラメータの選択は、典型的には、アルゴンを原料ガスとし、加速電位Ｖ_Ａｃｃを３０ｋＶとし、線量は、基板材料に深さｄと等しいかまたはこれを越える深さまでエッチングするための、予め求めたものとすることができる。従来のプロセス開発技術を用いて、深さｄとこれに対応する必要なエッチング深さを、特定のビーム条件一式に対する基板材料と中性ビーム線量の関数として求めることができる。

図７Ｃは、図７Ａに示す従来の加工状態に続く、本発明の一実施形態に係る中性ビームによるエッチング工程を示す概略図１４４０であり、中性ビームエッチング工程を用いて、（たとえば超音波溶媒キャビテーションなどの）強力な撹拌ウェットクリーニングまたはその他の強力な洗浄工程を行なう前に損傷領域を取り除いている。中性ビーム１４４２を、（たとえば原料ガスはアルゴン、加速電位Ｖ_Ａｃｃは３０ｋＶの）ビーム条件を用い、少なくとも浅い表面損傷領域１４０４のすべてをエッチングにより除去するに充分な所定線量にて、フォトマスク基板１４０２表面に照射する。エッチング工程によって、埋設粒子１４０８、表面下損傷領域１４１０、その他の基板材料を、少なくともｄの深さまで取り除く。中性ビームエッチングではＣＭＰのように機械的ストレスが生じないので、新たな表面下損傷が形成されることはなく、ビームは非荷電のため、イオンビームやプラズマエッチングでは起こりえる電荷効果による表面下欠陥が生じ易いということもない。

図７Ｄは、本発明の一実施形態に係る図７Ｃに示すエッチング工程の後の、フォトマスク基板１４０２の状態を示す概略図１４６０である。元の浅い表面下損傷領域は中性ビーム照射によるエッチングにより完全に取り除かれている。フォトマスク基板１４０２の上面１４６４は、元の浅い表面下損傷領域の元の下側境界１４０６と同じ位置（または場合によってはこれより下）にある。エッチング工程またはその他の処理から残った汚染物質の（たとえば１４６２で示す）残留粒子が上面１４６４上に存在する場合がある。

図７Ｄに示す状態に続き、本発明の一実施形態によれば、（強力撹拌ウェットクリーニング工程などの）従来の強力洗浄工程を採用し、表面上から残留粒子１４６２を取り除く。埋設粒子や表面下損傷領域はもう存在しないため、強力洗浄を採用しても、フォトマスク基板１４０２の上面１４６４に孔や凹みが発生することはない。

図７Ｅは、中性ビームを用いて、元の浅い表面下損傷領域を、後続の洗浄前にエッチングにより除去する工程を含む、本発明のワークフロー変形例による加工後のフォトマスク基板を示す概略図１４８０である。フォトマスク基板１４０２は、孔や凹みがなく清浄で、粒子汚染もない上面１４６４を有している。たとえば蒸着やパターニングを含むさらなる従来のフォトマスク加工を行なう準備ができている。

本発明は、溶融シリカフォトマスク基板表面の加工に、ＧＣＩＢから得られる中性ビームを用いるものとして、例示の目的で説明したが、発明者らが理解するところでは、このような表面加工の利用により得られる利点はこの特定の材料に限られるものではなく、本発明は、その他のフォトマスク基板材料およびセラミック、ポリマー、ガラス、金属などの、その他材料の加工にも良好に用いることができ、このような用途もすべて本発明の範囲に含まれることを意図している。さらに、発明者らの理解するところでは、本発明は、その他の光学機器など、フォトマスク基板以外の用途において高品質表面を製造するのに適し、また、熱衝撃、機械的撹拌、水性処理または化学処理、表面に塗布される追加コーティングからのストレスの始まりなどの期間に欠陥をさらに広めかねない、表面下欠陥領域を起因として表面欠陥が形成し始める場合の、その他材料や装置における問題を改善するのに適し、このような材料や用途もすべて本発明の範囲に含まれることを意図している。本発明は、ＣＭＰ加工から生じる潜在的損傷の除去について説明してきたが、発明者らの理解するところでは、本発明は、ダイヤモンド切削加工、研磨剤研磨、またはその他の、潜在的表面下損傷を生じさせる、または放出されやすい粒子を重要表面に埋設するような加工を起因とする潜在的損傷を除去することもでき、このような用途もすべて本発明の範囲に含まれることを意図している。本発明を様々な実施形態に関して説明したが、本発明および添付の請求項の精神および範囲内で、幅広い多様なその他の実施形態も可能であると理解すべきである。

Claims (21)

1. １つまたは複数の粒子が埋設された、または表面下損傷を含む、基板の表面処理方法であって、
   低圧チャンバを提供する工程と、
   前記低圧チャンバ内で、ガスクラスタイオンからなるガスクラスタイオンビームを形成する工程と、
   前記低圧チャンバ内でビーム経路に沿う加速ガスクラスタイオンビームを形成するために前記ガスクラスタイオンを加速する工程と、
   前記ビーム経路に沿う前記加速ガスクラスタイオンの少なくとも一部の開裂および／または解離を促進する工程と、
   前記ビーム経路から荷電粒子を除去して、前記低圧チャンバ内で前記ビーム経路に沿う加速中性ビームを形成する工程と、
   前記表面を前記ビーム経路内に保持する工程と、
   前記基板の前記表面の少なくとも一部に前記加速中性ビームを照射することにより、前記基板の前記表面の少なくとも一部を処理する工程と、を備える方法。
2. 前記１つまたは複数の埋設された粒子または前記表面下損傷が、先に行なわれた加工作業を起因とするものである、請求項１に記載の方法。
3. 前記１または複数の埋設された粒子または前記表面下損傷が、先に行なわれた平滑化または研磨または平坦化作業を起因とするものである、請求項２に記載の方法。
4. 前記平滑化または研磨または平坦化作業がＣＭＰ加工である、請求項３に記載の方法。
5. 前記損傷が潜在的損傷である、請求項３に記載の方法。
6. 前記１つまたは複数の埋設された粒子または前記表面下損傷が、先に行なわれたダイヤモンド切削または研磨剤研磨作業を起因とするものである、請求項２に記載の方法。
7. 前記損傷が潜在的損傷である、請求項６に記載の方法。
8. 前記処理工程が、前記表面の前記一部を、１つまたは複数の埋設された粒子または表面下損傷を取り除くのに充分な所定厚さをエッチング除去するのに充分な線量で照射する、請求項１に記載の方法。
9. 前記処理された部分を洗浄し、１つまたは複数の残留粒子を除去する工程をさらに備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記１つまたは複数の残留粒子が、前記処理工程を起因とする汚染物質である、請求項１に記載の方法。
11. 前記促進工程が、前記加速工程中に加速電圧を上昇させること、または、前記ガスクラスタイオンビームの前記形成中にイオン化効率を改善することを含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記促進工程が、前記加速ガスクラスタイオンビーム内のイオン速度範囲を増大することを含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記促進工程が、前記ガスクラスタイオンビームの形成に用いられる１つまたは複数のガス状要素を前記低圧チャンバに導入し、前記ビーム経路に沿って圧力を高めることを含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記促進工程が、前記加速ガスクラスタイオンビームの形成工程中に用いられるスキマー開口のサイズを増大することを含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記促進工程が、前記加速ガスクラスタイオンビームまたは前記中性ビームに、放射エネルギーを照射することを含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記ワークの表面の少なくとも一部を処理する前記中性ビームが、実質的に、１ｅＶ〜数千ｅＶのエネルギーを有するモノマーから成る、請求項１に記載の方法。
17. 前記表面の広い部分を処理するために、ワークホルダにてワークを走査する工程をさらに備える請求項１に記載の方法。
18. 前記保持工程により、
    光学材料、
    セラミック材料、
    ガラス材料、
    金属材料、または
    シリカ
    のいずれかを含む前記基板を導入する、請求項１に記載の方法。
19. 前記基板が、リソグラフィ用フォトマスク基板である、請求項１に記載の方法。
20. 請求項１に記載のプロセスにより作成される物品。
21. 請求項１に記載の前記方法により処理される表面を備える、リソグラフィ用フォトマスク。