JP2018514939A - ガスクラスタイオンビーム技術に基づく中性ビーム処理方法およびそれにより製造される製品 - Google Patents

Abstract

基板表面にパターンハードマスクを形成する方法は、炭素原子を有する加速された中性ビームを使用する。本発明の上述の目的ならびに追加のおよびその他の目的と利点は、本明細書中に後述する本発明の各種実施形態によって達成される。【選択図】図２８Ｂ

Description

本発明は、概して低エネルギー中性ビーム処理のための方法および装置に関し、特に、集積回路の製造の際に使用される基板を処理するために、加速ガスクラスタイオンビーム（ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｇａｓ ｃｌｕｓｔｅｒ ｉｏｎ ｂｅａｍ、加速されたガスクラスタイオンビーム）から加速中性モノマーおよび／または中性ガスクラスタビームを得るための高ビーム純度方法（ｈｉｇｈ ｂｅａｍ ｐｕｒｉｔｙ ｍｅｔｈｏｄ）およびシステムに関する。

この数十年間、ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）は様々な表面および表面下処理用途に関してよく知られ、広く使用されてきた。ガスクラスタイオンは通常、大質量を有するため、相当のエネルギーまで加速されるときでも（従来のイオンに比べて）比較的低速で移動しがちである。こうした低速は、クラスタの本質的に弱い結合と組み合わされて、従来のイオンビームおよび散乱プラズマよりも表面貫通が小さく、表面損傷が少ないという独自の表面処理能力をもたらす。

ガスクラスタイオンビームは、たとえば、金属、半導体、誘電体材料などの幅広い表面を平滑化する、エッチングする、クリーニングする、該表面上に膜を形成する、膜を蒸着する、膜を成長させる、あるいはその他の形で該表面を改質するために使用されてきた。半導体および半導体関連材料を含む用途では、ＧＣＩＢは、酸化物やその他を含む膜をクリーニングする、平滑化する、エッチングする、蒸着する、および／または成長させるために採用されてきた。また、ＧＣＩＢは、ドーピングと格子歪み原子種、表面層を非晶質化する材料を導入し、半導体材料でのドーパントの可溶性を向上させるためにも使用されている。多くの場合、このようなＧＣＩＢ用途は、従来のイオン、イオンビーム、プラズマを採用するその他の技術よりも優れた結果をもたらすことができる。半導体材料は、ドーパント材料の導入によって電気的特性を操作させることができる広範な材料を含み、（限定ではなく）シリコン、ゲルマニウム、ダイヤモンド、炭化ケイ素、およびＩＩＩ−ＩＶ属元素、ＩＩ−ＶＩ属元素を含有する化合物材料などを含む。アルゴン（Ａｒ）を原料ガスとして容易にＧＣＩＢを形成できることと、アルゴンの不活性特性のため、冠動脈ステントや整形外科補装具などの埋込型医療機器、およびアルゴンガスＧＣＩＢを使用するその他の埋込型医療機器の表面を処理する数多くの用途が開発されてきた。半導体用途では、様々な原料ガスと原料ガス混合物を採用して、反応性エッチング、物理的エッチング、膜蒸着、膜成長、その他の有用なプロセス用に、電気ドーパントと格子歪み種を含むＧＣＩＢが形成されている。幅広い表面種類にＧＣＩＢ処理を導入する広範な実際的システムが既知である。たとえば、Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋらによって登録された米国特許第６，６７６，９８９Ｃ１号（特許文献１）は、血管ステントなどの環状または円筒状ワークピースの処理に適したワークピースホルダとマニピュレータを有するＧＣＩＢ処理システムを教示している。別の例では、Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋらによって登録された米国特許第６，４９１，８００Ｂ２号（特許文献２）は、たとえば、股関節補装具などのその他の種類の非平面状医療機器を処理するワークピースホルダとマニピュレータを有するＧＣＩＢ処理システムを教示している。別の例として、Ｌｉｂｂｙらによって登録された米国特許第６，４８６，４７８Ｂ１号（特許文献３）は、半導体ウェハの処理に適した自動基板搭載／取外しシステムを教示している。Ｈａｕｔａｌａによって登録された米国特許第７，１１５，５１１号（特許文献４）は、非走査ＧＣＩＢに対してワークピースを走査する機械的スキャナの使用を教示している。さらに別の例として、Ｂｌｉｎｎらによって登録された米国特許第７，１０５，１９９Ｂ２号（特許文献５）は、医療機器の薬剤コーティングの接着性を向上させ、医療機器からの薬剤の溶出または放出速度を改良するＧＣＩＢ処理の使用を教示している。

ＧＣＩＢは、ダイヤモンドや宝石用原石などの材料の結晶および非結晶形状をエッチングおよび平滑化する際に採用されてきた。宝石用原石はＧＣＩＢ処理の結果として不所望の色変化を起こすことがあるため、ＧＣＩＢの採用は必ずしもうまくいかなかった。これが、宝石用原石材料への何らかの表面または表面下損傷によるものか、ＧＣＩＢ処理から生じるエッチングされたおよび／または平滑化された表面層とその下の未変更のバルク材料との間の粗界面（ｒｏｕｇｈ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、粗い界面）によるものか、あるいは、クラスタイオンによって生じる表面電荷が原因の損傷によるものかは明確になっていない。ＧＣＩＢ処理の悪影響の原因が何であれ、宝石の外観や美的魅力を不所望に低下させる天然および合成宝石用原石材料のエッチングおよび／または平滑化処理技術は望ましくない。ＧＣＩＢ処理は、レンズなどの光学材料の表面を平滑化および／または平坦化し、光学表面、光学ウィンドウ、ディスプレイおよびタッチスクリーンパネル用の光学パネル、プリズム装置、フォトマスクなどのための透明基板、光学導波管、光電装置およびその他の光学装置を反射させることのできる技術として示されてきた。光学装置用の材料は広範にガラス、水晶、サファイア、ダイヤモンド、その他の硬質の透明材料を含む。機械的、化学機械的、その他の技術を含む従来の研磨および平坦化は、最も需要の多い分野に適した表面を提供してこなかった。ＧＣＩＢ処理は多くの場合、従来の研磨技術では達成不能であった程度まで光学表面を平滑化および／または平坦化できることが立証されているが、光学材料に散乱層が埋め込まれるのを回避するためには、平滑化表面とその下のバルク材料との間に粗界面を生じることのない代替技術が必要とされる。

ＧＣＩＢ処理は多くの用途で首尾よく採用されてきたが、ＧＣＩＢまたはその他の最新技術の方法および装置によってまだ完全には満たされていない新たなおよび既存の用途が存在する。多くの状況下で、ＧＣＩＢは最初の幾分粗い表面を劇的に原子規模で平滑化することができるが、達成可能な最終的平滑化は必須の平滑性に届いていない場合が多く、他の状況下では、ＧＣＩＢ処理は、さらに平滑化するのではなく、中程度の平滑表面を粗面化する可能性がある。

他にも本発明の実施形態を通じて認識および解決される需要／機会が存在する。薬剤溶出性医療インプラント分野では、ＧＣＩＢ処理は、医療用インプラントに薬剤コーティングを表面処理して、コーティングを基板に結合する、あるいは、患者への移植後にコーティングから溶出される薬剤の速度を変更することに成功してきた。しかしながら、ＧＣＩＢが薬剤コーティング（極めて薄いことが多く、非常に高額の薬剤を備える場合がある）の処理に使用される場合、ＧＣＩＢ処理の結果として薬剤コーティングの重量損失（薬剤の損失または除去を示す）が発生する場合があることに注目される。上記損失が発生する特定の場合（特定の薬剤と特定の処理パラメータの使用）、その発生は概して不所望であり、薬剤溶出速度を上手く制御しつつ、重量損失を回避できる機能を備えたプロセスを有することが好ましい。

半導体用途では、ＧＣＩＢは、多くの表面処理を様々な度合いで改善させることに成功してきたが、改善余地はまだ存在する。従来のＧＣＩＢ処理では、先の従来の技術の大幅な改善を通じて得られた結果が、最も需要の高い用途で望まれる質にまだ達していないことが多い。たとえば、平滑化プロセスでは、多くの材料の場合、ＧＣＩＢ処理を用いて実際に達成可能な最終的平滑度が、常に要件を満たしているとは限らない。他の材料がドーピング、格子歪み、および膜蒸着、膜成長、非晶質化などのその他の用途のために半導体材料に導入される場合（ＧＣＩＢ注入と呼ばれることがある）、注入、成長、非晶質化、または蒸着された材料間の界面は、照射層とその下の基板との界面で粗く、または非均一になり、ＧＣＩＢ改質層の最適性能を損なう。

イオンは、電荷を帯びるせいで静電界および磁界による取扱が簡易化されるため多くのプロセスで長年使用されてきた。これにより処理の柔軟性が大幅に増す。しかしながら、用途によっては、イオン（ＧＣＩＢ内のガスクラスタイオンを含む）に伴う電荷が、処理表面に不所望の影響を及ぼす場合がある。ＧＣＩＢは、単独または小数の電荷を有するガスクラスタイオンが、従来のイオン（単独の原子、分子、または分子断片）と比較して、ずっと大きな質量流（１クラスタが数百または数千分子から成る場合がある）の輸送および制御を可能にするという点で、従来のイオンビームを超える明確な利点を有する。特に絶縁材料の場合、イオンを用いて処理される表面は、堆積電荷の急な放電から生じる電荷由来の損傷、あるいは、材料内の電界由来ストレスの生成による損傷（これも堆積電荷から生じる）を受ける。多くの場合、ＧＣＩＢは、比較的低い質量当たりの電荷による利点を有するが、場合によっては、ターゲットチャージの問題を排除できない場合がある。さらに、中・高電流強度イオンビームは、大きな空間電荷由来のビーム焦点外れを起こして、長い距離にわたって、良好に集束されたビームを輸送できない事態が起こりがちである。ここでも、従来のイオンビームよりも質量当たりの電荷が低いため、ＧＣＩＢは有益であるが、空間電荷輸送の問題を完全には排除できない。

さらに別の需要または機会は以下の事実から生じる。中性分子または原子のビームの使用は、一部の表面処理用途と空間電荷のないビーム輸送に恩恵をもたらすが、中性分子または原子の強烈なビームの生成はノズルジェットの場合を除けば通常は容易でも経済的でもなく、エネルギーは普通、原子または分子当たり約数ミリ電子ボルトであるため、処理能力が限られる。

Ｈｕｇｈｅｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの米国特許第４，９３５，６２３号（特許文献６）で、Ｋｎａｕｅｒは、エネルギー（１〜１０ｅＶ）を充電されたおよび／または中性化された原子のビームの形成方法を教示している。Ｋｎａｕｅｒは従来のＧＣＩＢを形成し、見通し角でシリコン板などの固体表面に方向づけ、クラスタイオンを解離させて、原子と従来のイオンの前方散乱ビームを生じさせる。この結果、強烈であるが、焦点の定まらない中性原子およびイオンのビームが生じ、このビームは処理に使用することができる、あるいは、イオンの静電分離後、中性原子ビームとして処理に使用することができる。解離を生成する固体表面のＧＣＩＢの散乱を必要とすることによって、大きな問題がＫｎａｕｅｒの技術に導入される。広範囲のビームエネルギーにわたって、ＧＣＩＢは、ＧＣＩＢが衝突する表面で強力なスパッタリングを生成する。明確に立証されているとおり、（たとえば、非特許文献１を参照）、Ｋｎａｕｅｒが採用するような見通し角ですら、ＧＣＩＢは相当な固体のスパッタリングを生じるため、前方散乱中性ビームはスパッタリングされたイオンおよび中性原子と散乱／解離に使用される固体表面に由来するその他の粒子によって汚染される。医療機器処理用途や半導体処理用途を含む多数の用途において、このような前方散乱ビームを汚染するスパッタリングされた材料が存在することで使用に適さなくなる。

米国特許第７，０６０，９８９号（特許文献７）で、Ｓｗｅｎｓｏｎらは、ビーム生成圧よりも高いガス圧を有するガス圧力セルを使用して、ＧＣＩＢ中におけるガスクラスタイオンエネルギー分布を変更することを教示している。この技術はＧＣＩＢ中のガスクラスタイオンのエネルギーを低下させ、変質されたＧＣＩＢの表面処理特徴の一部を変更する。上記のＧＣＩＢガスクラスタイオンエネルギー分布のガス変質は有益であるが、ＧＣＩＢ内のイオンによってワークピースに堆積する電荷によって生じる課題を軽減しておらず、ＧＣＩＢ処理中の薬剤コーティングの重量損失などの特定の処理上の問題も解決していない。Ｓｗｅｎｓｏｎらの技術はＧＣＩＢの最終表面平滑特徴を向上させることができるが、その結果はいまだ理想的ではない。

ガスクラスタおよびガスクラスタイオンのサイズは、通常、個々のクラスタを備える原子または分子（イオン、モノマー、二量体、三量体、リガンドなどの変形を含め、原子または分子であるかに応じて）の数であるＮによって特徴付けられる。従来のＧＣＩＢ処理に起因する利点の多くは、ＧＣＩＢ中のイオンの低速と、大型の緩やかに結合されたクラスタが固体表面との衝突時に分解して、余分な貫通、注入、または表面下の基板損傷なしに一時的な加熱と圧力を生成するという事実に起因すると考えられる。このような大型クラスタ（Ｎ個のモノマー、後述のように約数千以上を有する）の効果は通常、数十オングストロームに限定される。しかしながら、小型のクラスタ（Ｎは約数百〜数千）は衝突する表面に対してより大きな損傷を及ぼし、表面に個々の衝突クレータを生成する可能性があることが立証されている（たとえば、非特許文献２を参照）。このクレータ形成作用は、表面を粗面化し、表面から材料を除去（エッチング）して、大型クラスタの表面平滑化作用と不所望に競合する。ＧＣＩＢが有用であると判明している多くのその他の表面処理用途では、大型ガスクラスタイオンと小型ガスクラスタイオンの作用が逆効果に競合して、処理性能を低下させると考えられる。残念ながら、ＧＣＩＢの形成に容易に適用される技術はいずれも、Ｎが約１００〜数万の広範な分布のクラスタサイズを有するビームを生成する。サイズ分布の平均および／またはピークは数百〜数千となることが多く、分布の末端は分布サイズの極値のゼロに次第に近づく。クラスタイオンサイズの分布と、分布に対応付けられる平均クラスタサイズＮ_Ｍｅａｎは採用される原料ガスに依存し、従来のＧＣＩＢ形成技術によれば、すべて、クラスタジェットの形成に使用されるノズルのパラメータの選択、ノズルを通じた圧力低下、ノズル温度などに大きな影響を受ける可能性がある。大部分の市販ＧＣＩＢ処理ツールは通常、磁気または場合によっては静電サイズセパレータを採用して、最も損傷を及ぼす最小のイオンおよびクラスタ（モノマー、二量体、三量体など。最大約Ｎ＝１０以上）を取り除く。このようなフィルタは「モノマーフィルタ」と称されることが多いが、典型的には、やや大型のイオンおよびモノマーも除去する。ある静電クラスタイオンサイズセレクタ（たとえば、Ｋｎａｕｅｒによる特許文献６）は、電気導体のグリッドをビームに投入することを必要とするために、ビームによるグリッドの侵食の可能性という大きな欠点をもたらすことで、装置の信頼性を低下させつつビームを汚染して、装置の追加のメンテナンスを要する。このため、現在では、モノマーと低質量フィルタは通常、磁気型である（たとえば、Ｔｏｒｔｉらの米国特許第６，６３５，８８３号（特許文献８）とＬｉｂｂｙらの特許文献３を参照）。磁気フィルタによって有効に除去される最小イオン（モノマー、二量体など）は別として、大部分のＧＣＩＢは約Ｎ＝１００未満のサイズのガスクラスタイオンをほとんどか全く含んでいないと思われる。このようなサイズは容易に形成されず、形成後も安定しない場合がある。しかしながら、約Ｎ＝１００〜数百の範囲のクラスタは、大部分の市販のＧＣＩＢ処理ツールのビームに存在すると思われる。数百〜数千のＮ_Ｍｅａｎの値は、従来技術を使用するときに一般的に遭遇する値である。所与の加速度ポテンシャルの場合、中間サイズクラスタは大型クラスタよりもずっと高速で移動するため、クレータ、粗界面、その他の不所望の作用を生成する可能性が高く、ＧＣＩＢに存在すると理想的な処理とはならないであろう。

米国特許第６，６７６，９８９Ｃ１号 米国特許第６，４９１，８００Ｂ２号 米国特許第６，４８６，４７８Ｂ１号 米国特許第７，１１５，５１１号 米国特許第７，１０５，１９９Ｂ２号 米国特許第４，９３５，６２３号 米国特許第７，０６０，９８９号 米国特許第６，６３５，８８３号

Ａｏｋｉ，ＴおよびＭａｔｓｕｏ，Ｊ「見通し角ガスクラスタイオンビームを使用する表面平滑化およびスパッタリングプロセスの分子力学的シミュレーション」、Ｎｕｃｌ、Ｉｎｓｔｒ． ＆ Ｍｅｔｈ．ｉｎ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂ２５７（２００７）、６４５〜６４８ページ Ｈｏｕｚｕｍｉ Ｈ．ら「サイズ選択されたＡｒクラスタイオンビームで照射されるグラファイト表面の走査トンネリング顕微鏡観察」、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖ４４（８）、（２００５）、ｐ６２５２ｆｆ Ｔｏｙｏｄａ，Ｎらの「残余ガスとの衝突後のエネルギーおよびガスクラスタイオンの速度分布へのクラスタサイズの依存」、Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．＆Ｍｅｔｈ． ｉｎ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂ２５７（２００７）、６６２〜６６５ページ

ミクロ電子光学半導体処理技術では従来、所要の装置構造を形成する際に、フォトレジストリソグラフィを使用して、多数の様々なパターニングステップを実行する。そこから生じる１つの課題は、リソグラフィステップ後にフォトレジスト材料を除去しても、（粒子またはそれ以外の形状の）汚染物質が残ってしまい、それ以後の処理ステップを損ない、あるいは支障を来して、プロセス歩留まりを低減させることである。装置の幾何的形状が小型になるほど、粒子汚染がより大きな問題となる。さらに、小型装置の特徴を達成する漸進的要件では、フォトレジストリソグラフィを使用する他の問題が生じる。フォトレジストパターンの崩壊の問題に対処するには、より薄いフォトレジスト層（５０ｎｍ厚未満）が必要であり、フォトレジスト材料は、Ｘ線波長を含む短波長に応答するように調整しなければならない。このような課題に応答して、高度な半導体処理のためにフォトレジストベースのリソグラフィを使用する必要がないパターニング技術を検討することがますます重要になってくる。集束イオンビーム技術が１つの代替策として採用されている。また、開放パターンテンプレート（ステンシルまたは孔マスクとも称される）も、接触パターニングテンプレートまたはプロジェクションパターニングテンプレートとして採用することができる。このようなマスク、ステンシル、またはテンプレートはすべて本明細書では「テンプレート」と称する。中性ビーム技術は、極浅表面層を形成する機能により高度な半導体処理技術に特に適用可能であるため、テンプレートを使用して極小極浅半導体構造用のパターニングを制御することによって、高度な構造を形成する処理に特に適する。したがって、本発明の目的は、ワークピース処理用の高純度中性ガスクラスタビームを形成する装置および方法を提供することである。

本発明の別の目的は、中間サイズクラスタがほぼ存在しない高純度ガスクラスタビームを提供する装置および方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、約１ｅＶ〜数千ｅＶの範囲のエネルギーを有する中性原子または分子の高純度の集束された強いビームを形成する装置および方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、従来のＧＣＩＢよりも優れた表面平滑化を可能にするビームを形成する装置および方法を提供することである。

本発明の目的は、ドープおよび／または歪み膜を形成する、および／または半導体またはその他の材料の表面に異種原子を導入する装置および方法を提供することであり、処理済み表面は、従来のＧＣＩＢ処理を用いて形成された表面よりも優れた、その下の基板材料との界面を有する。

本発明の別の目的は、中性ビームを使用して半導体またはその他の材料の表面にアモルファス領域を形成する装置および方法を提供することであり、下にある基板材料との界面が従来のＧＣＩＢ処理を用いて形成される界面よりも優れている。

本発明の別の目的は、従来のＧＣＩＢ処理よりも優れた最終平滑性を備えた表面をエッチングする装置および方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、従来のＧＣＩＢ処理よりも優れた最終平滑性を備えた光学表面をエッチングする装置および方法を提供することである。

本発明の別の目的は、従来の方法で得られるよりも優れた接着力でオプティカルコーティングを光学表面に接着する装置および方法を提供することである。

本発明の別の目的は、光学装置の表面を改質して、大気曝露による劣化しやすさを低減する方法を提供し、その方法によって改良された光学装置を提供することである。

本発明の別の目的は、吸湿性材料の表面にバリアを形成して、材料の水分吸収しやすさを低減する方法を提供し、その方法によって改良された材料を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、半導体および／またはその他の材料の表面に膜を形成する、および／または成長させる装置および方法を提供することであり、下にある基板材料との界面が従来のＧＣＩＢ処理を用いて形成される界面よりも優れている。

本発明の別の目的は、ビームで輸送される電荷による損傷なく、ガスクラスタおよび／またはモノマーの中性ビームで電気的絶縁材料を処理する装置および方法を提供することである。

本発明の別の目的は、光学素子の表面の中性ビーム照射によって光学素子または宝石の特性を向上させる方法を提供することである。

本発明の別の目的は、中性ビーム技術によって特性が向上した光学素子または宝石を提供することである。

本発明の別の目的は、シリコン基板にＳｉＣまたはＳｉＣ_ｘ層を形成する方法を提供することである。

本発明の別の目的は、中性ビーム技術処理によってハードマスクを形成することでレジストレスリソグラフィ処理を実行する方法を提供し、その方法によって作製される装置を提供することである。

本発明の上述の目的ならびに追加のおよびその他の目的と利点は、後述する本発明の各種実施形態によって達成される。

基板表面にパターンハードマスク（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｈａｒｄ ｍａｓｋ、回路図形が形成された硬質の遮蔽物）を形成するフォトレジストレス方法はいくつかのステップを備える。加速中性ビームは、減圧チャンバを設けることと、炭素原子を備えるガスクラスタイオンを備えるガスクラスタイオンビームを減圧チャンバ内に形成することと、
ガスクラスタイオンを加速して、減圧チャンバ内にビーム路（ｂｅａｍ ｐａｔｈ、ビーム軌道）に沿って加速ガスクラスタイオンビームを形成することと、ビーム路に沿って加速ガスクラスタイオンの少なくとも一部の破砕および／または解離を促進することと、ビーム路から荷電粒子を除去して、減圧チャンバ内にビーム路に沿って加速中性ビームを形成することによって形成される。基板は、パターンテンプレートと基板を減圧チャンバに導入することと、ビーム路に基板を保持することと、パターンテンプレートの開口を通じて加速中性ビームを照射することによって基板表面の少なくとも一部を処理し、炭素原子を表面の照射部分に注入することによって表面の照射部分に硬化および／または高密度化炭素含有パターン層を形成することと、テンプレートを基板から分離することと、炭素含有パターン層を有する表面に第１のエッチングを行って、表面の非炭素含有部分（ｎｏｎ−ｃａｒｂｏｎ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）の材料を優先的に除去することと、１以上の溝部と１以上の台部を形成することと、台部および溝部全体にハードマスク層を形成することと、ハードマスク層を平坦化して溝部ではなく台部からハードマスク層を除去することと、任意で、ハードマスク層をマスクとして用いる第２のエッチングを表面に行って基板材料を除去することとによって処理される。

除去ステップは、ビーム路から略すべての荷電粒子を除去することができる。該方法は、除去ステップ後に基板を熱処理するステップをさらに含む。中性ビームは、ガスクラスタイオンビームからのガスからほぼ成ることができる。促進ステップは、ガスクラスタイオンビームの形成の際に加速ステップで加速電圧を上昇させること、あるいはイオン化効率を向上させることを含むことができる。促進ステップは、加速ガスクラスタイオンビーム中のイオンの速度範囲を速めることを含むことができる。促進ステップは、ガスクラスタイオンビームの形成に使用される１以上のガス要素を減圧チャンバに導入して、ビーム路に沿って圧力を増大させることを含むことができる。促進ステップは、放射エネルギーを有する加速ガスクラスタイオンビームまたは中性ビームを照射することを含むことができる。ワークピース表面の少なくとも一部を処理する中性ビームは、１ｅＶ〜数千ｅＶのエネルギーを有するモノマーからほぼ成ることができる。処理ステップは、基板を走査して、加速中性ビームで表面の拡張領域を処理することをさらに備えることができる。基板は結晶またはアモルファスシリコンを備えることができる。処理ステップはＳｉＣ_Ｘ（０．０５＜Ｘ＜３）層を形成することができる。ハードマスク層は二酸化ケイ素を備えることができる。第１のエッチングステップは、アルゴンを備える第２の加速中性ビームを採用することができる。第２のエッチングステップはＣｌ_２またはＣＣｌ_２Ｆ_５プラズマエッチング技術を採用することができる。加速ステップは、５〜５０ｋＶの電位を通じてガスクラスタイオンを加速させることができる。該方法の処理ステップは、１×１０^１４〜５×１０^１６イオン／ｃｍ^２の所定線量まで炭素原子を注入することができる。炭素含有パターン層は、約１〜約３ｎｍの厚さを有することができる。第２のエッチングステップは、基板表面をハードマスク領域の底部と共面にさせることができる。

本発明の別の実施形態は、基板表面に、上述のステップによって形成されるパターンハードマスク（回路図形が形成された硬質の遮蔽物）を提供する。

本発明は、様々な種類の表面および浅表面下材料処理に採用することができ、多くの用途にとって、従来のＧＣＩＢ処理よりも優れた性能を実現することができる、加速ガスクラスタイオンビーム、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から得られる高ビーム純度方法およびシステムを提供することである。本発明は、約１ｅＶ〜数千ｅＶの範囲のエネルギーを備えた粒子で良好に集束および加速された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、中性粒子は、多くの用途、たとえば、表面または浅表面下の結合を破壊して、クリーニング、エッチング、平滑化、蒸着、非晶質化などを簡易化する、あるいは表面化学効果を生成することが望まれる場合に有益である、あるいは必要である。このような場合、１粒子当たり約１ｅＶ〜数千ｅＶのエネルギーが有益であることが多い。このエネルギー範囲では、簡易で比較的安価な装置を用いて強力な中性ビームを形成することが実際的ではなかった。各種実施形態では、加速中性ビームが様々な表面および浅表面下材料処理に採用されて、この処理方法によって材料と装置を向上させる。

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動作条件によって加速ＧＣＩＢを部分的または略完全に解離し、ビームの残りの荷電部分を中性部分から分離することによって生成され、その後、結果として生じる加速中性ビームをワークピース処理に使用する。ガスクラスタイオンの解離度に応じて、生成される中性ビームは中性ガスモノマーとガスクラスタの混合物であってもよい、あるいはすべてまたはほほすべてが中性ガスモノマーから成ってもよい。好ましくは、加速中性ビームは略完全に解離された中性モノマービームである。

本発明の実施形態の方法および装置によって生成される中性ビームの利点は、ＧＣＩＢを含むすべてのイオン化ビームで一般的に発生するようにビーム輸送電荷による材料表面の荷電によって材料に損傷を与えることなく、電気絶縁材料を処理するために使用できることである。たとえば、半導体およびその他の電子用途では、イオンは、酸化物、窒化物などの薄誘電体膜に損傷を与える、あるいは破壊的な荷重になる原因となることが多い。中性ビームの使用により、イオンビームが表面荷電やその他の荷電作用による許容不能な副次的作用を生成する場合があるその他の用途において、ポリマー、誘電体、および／またはその他の電気絶縁または高抵抗材料、コーティング、および膜のビーム処理を首尾よく実行することができる。その例は、腐食抑制コーティング、照射架橋、および／または有機膜の重合の処理を（限定することなく）含む。他の例では、ポリマーまたはその他の誘電体材料の中性ビームによる改質（たとえば、殺菌、平滑化、表面生体適合性の向上、薬剤の付着の向上、および／または薬剤の溶出速度の制御）が、インプラントおよび／またはその他の医学／手術用の医療機器での上記材料の使用を可能にする。他の例は、ガラス、ポリマー、セラミックバイオカルチャー実験器具、および／または上記ビームを使用して粗度、平滑性、親水性、生体適合性などの表面特徴を向上することができる環境サンプリング表面の中性ビーム処理である。

本発明の実施形態の方法および装置によって加速中性ビームを形成することができる親ＧＣＩＢはイオンを備えるため、従来のイオンビーム技術を利用して所望のエネルギーまで容易に加速され、容易に集束される。その後の中性粒子からの荷電イオンの解離および分離時、中性ビーム粒子は集束軌道を保持する傾向があり、良好な作用を保ちつつ長距離を輸送することができる。

ジェット中の中性ガスクラスタは、電子衝撃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、ビームラインを下方に移動しながら、イオン化されたガスクラスタからモノマーが蒸発する。さらに、イオン化装置、加速器、ビームライン領域でのガスクラスタイオンと背景ガス分子との衝突も、ガスクラスタイオンを加熱および励起し、加速後にガスクラスタイオンからさらにモノマーが発生する。こうしたモノマーの発生機構が電子衝撃および／またはＧＣＩＢを形成する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）との衝突によって誘発されるとき、モノマーを発生させる解離プロセスによるビームの汚染は起こらない。

他の機構も、ビームを汚染させずにＧＣＩＢ中のガスクラスタイオンを解離させる（あるいはそこからモノマーを発生させる）ために採用することができる。これらの機構のいくつかは、中性ガスクラスタビーム中の中性ガスクラスタを解離させるためにも採用することができる。１つの機構は、赤外またはその他のレーザエネルギーを使用するクラスタイオンビームのレーザ照射である。レーザ照射ＧＣＩＢ中のガスクラスタイオンをレーザで加熱すると、ガスクラスタイオンが励起および／または加熱されて、ビームからモノマーを発生させる。別の機構は、放射熱エネルギー光子がビーム中のガスクラスタイオンと衝突するように、ビームを加熱管に通過させることである。管内の放射熱エネルギーによって生じるガスクラスタイオンの加熱は、ガスクラスタイオンを励起および／または加熱させた後、ビームからモノマーを発生させる。別の機構では、ＧＣＩＢ（またはその他の非汚染ガス（ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｎｇ ｇａｓ、汚染していないガス））の形成に使用される原料ガスと同じガスまたは混合物のガスジェットをガスクラスタイオンビームに横断させると、ガスジェット中のガスのモノマーとイオンビーム中のガスクラスタが衝突して、ビーム内のガスクラスタイオンを励起および／または加熱した後、励起されたガスクラスタイオンからモノマーを発生させる。最初のイオン化中の電子衝撃、および／またはビーム内の（その他のクラスタイオン、またはＧＣＩＢの形成に使用されるガスと同じ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／またはジェットと非汚染ガスとの交差衝突に完全に依存してＧＣＩＢ解離および／または破砕を引き起こすことによって、他の材料との衝突によるビームの汚染が回避される。

上述した汚染しない解離方法（ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）の使用によって、ＧＣＩＢは、最初の原料ガス原子の一部ではない解離生成物または残余クラスタに原子を導入することなく解離される、あるいは少なくとも部分的に解離される。残余クラスタまたは解離生成物を用いて処理されるワークピースにとって汚染物質となる原子を含まない原料ガスを最初のクラスタ形成に使用することによって、ワークピースの汚染が回避される。アルゴンまたはその他の貴ガスが採用されるとき、原料ガス材料は揮発性を有し、化学反応性を有しておらず、中性ビームを用いてワークピースを照射すると、これらの揮発性反応性原子はワークピースから完全に解放される。よって、ガラス、水晶、サファイア、ダイヤモンドおよび三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）などのその他の硬質透明材料などの光学および宝石材料であるワークピースの場合、アルゴン、その他の貴ガスが、中性ビーム照射による汚染の原因となることなく原料ガス材料として機能することができる。他の場合では、原料ガスの構成原子がワークピースの汚染を招く原子を含まないという条件で、他の原料ガスを使用することができる。たとえば、一部のガラスワークピースの場合、ＬＢＯおよびその他の各種光学材料は酸素を含有しており、酸素原子は汚染物質として機能しない。このような場合、酸素含有原料ガスを汚染なしに採用することができる。

ノズルからの中性ガスクラスタジェットが、クラスタをイオン化するように電子を方向付けるイオン化領域を移動する間、クラスタはイオン化させないままにすることができる、あるいは、１以上の電荷（入射電子によるクラスタからの電子の発射による）の荷電状態ｑを獲得することができる。イオン化装置動作条件はガスクラスタが特定の荷電状態を取る尤度に影響を及ぼし、イオン化装置の条件が強烈であるほど、より高い荷電状態が達成される確率が高まる。より高いイオン化効率が得られるより強烈なイオン化装置の条件は、より高い電子束および／またはより高い（制限内で）電子エネルギーからもたらされる。ガスクラスタはいったんイオン化されると、通常はイオン化装置から抽出されて、ビームに集束され、電界を降下す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。標準的な市販のＧＣＩＢ処理ツールは一般的には、通常はたとえば約１ｋＶ〜７０ｋＶ（しかし、この範囲には限定されない。最大２００ｋＶまたはそれ以上のＶ_Ａｃｃも実現可能である）の調節可能な加速電圧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。よって、単荷電ガスクラスタイオンは１〜７０ｋｅＶ（または、より高いＶ_Ａｃｃが使用される場合はそれ以上）の範囲のエネルギーを達成し、複荷電（たとえば、制限なく、荷電状態ｑ＝３電子電荷）ガスクラスタイオンは３〜２１０ｋｅＶ（または、より高いＶ_Ａｃｃの場合はそれ以上）の範囲のエネルギーを達成する。他のガスクラスタイオン荷電状態と加速度ポテンシャルの場合、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のガスクラスタイオンは、ゼロ（非イオン化）からたとえば６などの上位数（または高イオン化装置効率では、それ以上）まで荷電状態が分布し、荷電状態分布の最も確度の高い平均値は、イオン化装置効率の向上（電子束および／またはエネルギーの増加）と共に上昇する。また、イオン化装置効率が高いほど、イオン化装置で形成されるガスクラスタイオンの数が増加する。多くの場合、ＧＣＩＢ処理の処理量は、高効率でイオン化装置を動作させるときに増加し、ＧＣＩＢ電流を増加させる。このような動作のマイナス面は、中間サイズガスクラスタイオンで発生する可能性のある複荷電状態が、これらのイオンによって形成されるクレータおよび／または粗界面を増加させることであり、このような作用は処理の目的に逆効果となることが多い。したがって、多くのＧＣＩＢ表面処理方法では、イオン化装置動作パラメータの選択は、ビーム電流を最大化するよりも多くの考慮事項を含みがちである。いくつかのプロセスでは、「圧力セル」（Ｓｗｅｎｓｏｎらの特許文献７を参照）を採用して、高圧「圧力セル」内のガス衝突によりビームエネルギーを緩和することで許容可能なビーム処理性能を取得しつつ、高イオン化効率でイオン化装置を動作させることができる。

中性ビームが本発明の実施形態で形成されるとき、高効率でイオン化装置を動作させるマイナス面は存在しない。実際に、このような動作が好ましいことがある。イオン化装置が高効率で動作すると、イオン化装置によって幅広い荷電状態がガスクラスタイオンに生成される場合がある。この結果、イオン化装置と加速電極間の抽出領域のガスクラスタイオンおよび下流ビームでもガスクラスタイオンに幅広い速度が生じる。このため、ビーム中のガスクラスタイオン間の衝突頻度が高まり、通常は最大のガスクラスタイオンの破砕度が上昇する。このような破砕はビーム中のクラスタサイズを再分布し、分布を小型クラスタサイズの方へ傾斜させる場合がある。これらのクラスタ断片は、新たなサイズ（Ｎ）に比例するエネルギーを保持し、最初の未断片化ガスクラスタイオンの加速された速度をほぼ保持しつつエネルギーが低下する。衝突後の速度保持に伴うエネルギーの変化は既に実験で実証されている（たとえば、非特許文献３に報告される）。また、破砕はクラスタ断片の電荷の再分布も招くことがある。一部の未荷電断片が同様に生じ、複数荷電ガスクラスタイオンは、いくつかの荷電ガスクラスタイオンとおそらくはいくつかの未荷電断片に分裂する。発明者らは、イオン化装置の集束領域と抽出領域の設計によって、小型ガスクラスタイオンおよびモノマーイオンの集束を向上させて、ビーム抽出領域および下流ビームにおける大型ガスクラスタイオンとの衝突の可能性を高めることで、ガスクラスタイオンの解離および／または断片化に寄与できることを理解している。

本発明の一実施形態では、イオン化装置、加速領域、ビームライン内の背景ガス圧は任意で、良好なＧＣＩＢ送出のために通常使用されるよりも高い圧力となるように構成することができる。この結果、（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／または励起で得られるモノマー以外に）ガスクラスタイオンから追加のモノマーを発生させることができる。ガスクラスタイオンがイオン化装置とワークピースとの間に十分に短い平均自由行路と十分に長い飛行路を有して、背景ガス分子と複数回衝突しなければならないように圧力を設定することができる。

Ｎ個のモノマーを含み、荷電状態ｑを有し、Ｖ_Ａｃｃボルトの電界電位の低下を通じて加速されている均質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_ＩｅＶのエネルギーを有し、Ｎ_Ｉ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けば、クラスタ原料ガスと同じガスである背景ガスモノマーと上記イオンとの衝突の結果、ガスクラスタイオンに約ｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_ＩｅＶが追加される。このエネルギーはガスクラスタイオンエネルギー（ｑＶ_Ａｃｃ）全体と比べると小さく、通常はクラスタを励起または加熱して、その後クラスタからモノマーを発生させる。大型クラスタと背景ガスとのこのような衝突は、めったにクラスタを断片化させず、加熱および／または励起して、蒸発または類似の機構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の発生につながる励起源に関係なく、発生したモノマーは略同一の粒子当たりのエネルギーｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_ＩｅＶを有し、モノマーを発生させたガスクラスタイオンと略同一の速度および軌道を保持する。ガスクラスタイオンからこのようにモノマーが発生するとき、それが最初のイオン化事象による励起または加熱、衝突、あるいは放射加熱のいずれから生じたかにかかわらず、電荷が残りの大型ガスクラスタイオンとともに残る確率が高い。よって、一連のモノマー発生後、大型ガスクラスタイオンは、おそらく残りの小型ガスクラスタイオン（あるいは破砕も発生した場合にはおそらくいくつかの小型ガスクラスタイオン）を伴う共に移動する大量のモノマーに還元される。最初のビーム軌跡をたどる共に移動するモノマーはすべて、最初のガスクラスタイオンと略同一の速度を有し、それぞれが約ｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_ＩｅＶ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、小型ガスクラスタを完全かつ激しく解離させる可能性が高く、このような場合、結果として生じるモノマーがビームと共に移動し続けるか、あるいはビームから放出されるかは不確定である。

背景ガスとの衝突によるビームの汚染を回避するため、好ましくは、背景ガスはガスクラスタイオンを構成するガスと同じガスである。ガスクラスタジェットを形成するノズルは通常、約１００〜６００ｓｃｃｍの高ガス流量で運転される。ガスクラスタに凝縮されないこの流の部分はソースチャンバ内の圧力を上昇させる。ガスクラスタの形状のスキマー孔を通じて送られるガスに加えて、ソースチャンバからの未クラスタ原料ガスが、スキマー孔を通って下流ビームラインまたはビーム路チャンバに流れ込むことができる。ソースチャンバからビームラインへの未クラスタ原料ガスの流量を増加させるようにスキマー孔径を選択することは、背景ガスとＧＣＩＢとの衝突を引き起こすビームライン圧力を増大させる簡便な方法である。高原料ガス流（スキマー孔を通る未クラスタガスとビームによってターゲットに輸送されるガス）のため、大気ガスは迅速にビームラインから一掃される。もしくは、ガスがビームラインチャンバに漏れて入り込む、あるいは上述したように、ＧＣＩＢ路を横断するジェットとして導入される場合もある。このような場合、ガスは好ましくは原料ガス（または不活性ガスまたはその他の非汚染ガス）と同じである。重要な用途では、残余ガス分析器をビームラインで採用して、背景ガスの衝突がモノマーの発生に重要な役割を果たすときは背景ガスの質を確認することができる。

ＧＣＩＢがワークピースに到着する前に、ビーム中の残りの荷電粒子（ガスクラスタイオン、特に小型および中間サイズガスクラスタイオンと一部の荷電モノマーだけでなく、残りの大型ガスクラスタイオンも含む）はビームの中性部分から分離されて、ワークピースの処理のために中性ビームだけが残る。

標準的な動作では、処理ターゲットに送達されるフルビーム（荷電成分と中性成分）のパワーに対する中性ビームのパワーの比は約５％〜９５％の範囲であるため、本明細書に開示される分離方法および装置によって、フル加速荷電ビームの運動エネルギーの一部を中性ビームとしてターゲットに送達することができる。

ガスクラスタイオンの解離、ひいては高中性モノマービームエネルギーの生成は以下によって促進される。

１）高加速電圧で動作させること。これにより、どのクラスタサイズでもｑＶ_Ａｃｃ／Ｎが増加する。２）高イオン化装置効率で動作させること。これにより、ｑが増加することでどのクラスタサイズでもｑＶ_Ａｃｃ／Ｎが増加し、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対クラスタイオンの衝突が増加する。３）イオン化装置、加速領域、またはビームライン内を高圧で動作させる、またはビームを横断するガスジェットまたは長いビーム路を用いて動作させること。これらはすべて、どのサイズのガスクラスタイオンでも背景ガスとの衝突確率を上昇させる。４）ビームのレーザ照射または熱放射加熱で動作させること。これは、ガスクラスタイオンからのモノマーの発生を直接促進する。
５）高ノズルガス流で動作させること。これにより、ガス、クラスタイオン、およびおそらくは未クラスタイオンのＧＣＩＢ軌道への輸送を増大させ、衝突を増やしてより多くのモノマーを発生させる。

背景ガスとの衝突を生成するため、抽出領域からワークピースまでのガスクラスタイオンビーム路長と抽出領域内の圧力との積が、発生するガスクラスタイオンの解離度に寄与する。３０ｋＶの加速の場合、１以上の平均ガスクラスタイオン荷電状態と、６×１０^−３Ｔｏｒｒ−ｃｍ（トール−センチメートル）（０．８Ｐａｓｃａｌ−ｃｍ（パスカル−センチメートル、Ｐａ−ｃｍ））（２５℃の時）の圧力×ビーム路長とを提供するイオン化装置パラメータは、（残りの荷電イオンからの分離後）中性エネルギーモノマーにほぼ完全に解離される中性ビームを提供する。圧力×ビーム路長をガスターゲット厚と特徴付けることが便利かつ慣例である。６×１０^−３Ｔｏｒｒ−ｃｍ（０．８Ｐａｓｃａｌ−ｃｍ）は、約１．９４×１０^１４ガス分子／ｃｍ^２のガスターゲット厚に相当する。例示的な一（限定ではない）実施形態では、背景ガス圧は６×１０^−５Ｔｏｒｒ（８×１０^−３Ｐａ）、ビーム路長は１００ｃｍ、加速度ポテンシャルは３０ｋＶである。この場合、中性ビームはビーム路の最後で、ほぼ完全にモノマーに解離されることが観察される。これには、レーザまたは放射ビームの加熱も、ビームを横断するガスジェットの採用も含まれない。完全解離加速中性ビームは、クラスタイオン化事象によるクラスタ加熱からのモノマーの発生、残りのガスモノマーとの衝突、ビーム中のクラスタ間の衝突から生じる。

解離中性ビームを使用することで、平滑化が向上し、フルビームに比べて平滑な金膜が得られる。別の用途では、医療機器の薬剤表面コーティング、医療機器の薬剤−ポリマー混合層、または医療機器の薬剤−ポリマー混合体に解離中性ビームを使用することによって、フルＧＣＩＢを使用するときに発生する薬剤の重量損失なしに、薬剤の付着が向上し、薬剤溶出速度が変更される。

中性ビームの測定は、ガスクラスタイオンビームにとって簡便であるようには電流測定によって実行することができない。中性ビーム出力センサは、中性ビームでワークピースを照射するときに線量測定を簡易化するために使用される。中性ビームセンサは、ビーム（またはビームの任意の既知のサンプル）を捕捉する熱センサである。センサの温度上昇速度は、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（ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｕｘ）に関連する。制限された範囲のセンサ温度にわたって熱測定を実行し、センサに入射するエネルギーの熱再放射によるエラーを防止しなければならない。ＧＣＩＢプロセスの場合、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。ＧＣＩＢがある期間（秒）ワークピースを照射すると、ワークピース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。拡張面積を処理する際の上記ビームの処理作用は、その面積（たとえば、ｃｍ^２）全体に分布される。イオンビームの場合、照射イオン／ｃｍ^２の単位で処理線量を明示するのが従来簡便であり、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ていることが既知である、あるいは推定されるため、各イオンはＶ_ＡｃｃｅＶのエネルギーを有する（１ｅＶは約１．６×１０^−１９ジュールである）。よって、平均荷電状態ｑで、Ｖ_Ａｃｃによって加速され、イオン／ｃｍ^２で規定されるイオンビーム線量は、ジュール／ｃｍ^２で表すことができる容易に算出可能なエネルギー量に相当する。本発明の実施形態で利用されるように加速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、（後で形成および分離される）ビームの荷電部分と未荷電部分の両方で同一である。ＧＣＩＢの２つの（中性および荷電）部分の出力は、各ビーム部分の質量に比例して分割される。よって、本発明の実施形態で採用されるような加速中性ビームの場合、同じ回数、等しい範囲に照射されるとき、中性ビームによって与えられるエネルギー量（ジュール／ｃｍ^２）はフルＧＣＩＢによって与えられるエネルギー量よりも必然的に少ない。熱センサを使用してフルＧＣＩＢ中のパワーＰ_Ｇおよび中性ビーム中のパワーＰ_Ｎ（通常は、フルＧＣＩＢの約５％〜約９５％であることがわかっている）を測定することによって、中性ビーム処理線量測定に使用される補償係数を算出することができる。Ｐ_ＮがＰ_Ｇに等しい場合、補償係数はｋ＝１／ａである。よって、ワークピースがＧＣＩＢから得られる中性ビームを用いて処理される場合、処理時間はＤイオン／ｃｍ^２の線量を達成するのに必要なフルＧＣＩＢ（荷電部分と中性ビーム部分を含む）の処理時間のｋ倍となるようにされ、中性ビームとフルＧＣＩＢの両方によってワークピースに与えられるエネルギーは同じである（ただし、２つのビーム中の粒子サイズの差により処理効果に質的差が生まれるために結果は異なる）。本明細書で使用されるとき、このように補償される中性ビームプロセス線量は、Ｄイオン／ｃｍ^２の量と等価なエネルギー／ｃｍ^２を有すると説明することがある。

多くの場合、線量測定に熱出力センサと組み合わせて、ガスクラスタイオンビームから得られる中性ビームを使用することは、フルガスクラスタイオンビームまたはその捕捉または分流部分を使用するよりも有益であり、後者の場合、必然的にガスクラスタイオンと中性ガスクラスタの混合物、および／または中性モノマーを備え、ビーム電流測定を使用することで従来のように線量測定される。いくつかの利点を以下に述べる。

１）線量測定は、ビームの総パワーが測定されるため、熱センサを使用して中性ビームを使用する方が精密である。線量測定に従来のビーム電流測定を採用するＧＣＩＢでは、ビームのイオン化部分の寄与分のみが測定され、線量測定に採用される。ＧＣＩＢ装置の動作条件が分毎および設定毎に変化すると、ＧＣＩＢ中の中性モノマーと中性クラスタ比が変化する場合がある。こうした変動により生じるプロセスの変動が、線量測定がビーム電流測定によって実行されるときに制御されにくくなる可能性がある。

２）中性ビームを使用することで、ターゲット中性化電子源を提供して、イオン化ビームによってワークピースに輸送される電荷によるワークピースの荷電を防止する必要なく、荷電作用によって損傷を受ける可能性のある高絶縁材料やその他の材料を含め、幅広い材料を処理することができる。従来のＧＣＩＢを採用するとき、電荷を低減するターゲット中性化が完全であることは滅多になく、中性化電子源自体、ワークピースの加熱、電子源中の蒸発またはスパッタリングによる汚染などの問題を引き起こすことが多い。中性ビームはワークピースに電荷を輸送しないので、上記のような問題は低減される。

３）エネルギーを有するモノマーイオンを中性ビームから分離するために大孔高強度磁石などの追加の装置を設ける必要がない。従来のＧＣＩＢの場合、エネルギーを有するモノマーイオン（およびその他の小型クラスタイオン）がワークピースに輸送されて、貫通し、深い損傷を及ぼすリスクが高いため、そうした粒子をビームから分離させる高額な磁気フィルタが通常は必要である。本明細書に開示される中性ビーム装置の場合、ビームからすべてのイオンを分離して中性ビームを生成することで、本質的にすべてのモノマーイオンが取り除かれる。

本明細書で使用されるとき、ガスクラスタサイズまたはガスクラスタイオンサイズに言及するとき、「中間サイズ」という文言は、Ｎ＝１０〜Ｎ＝１５００のサイズを意味することを目的とする。

本明細書で使用されるとき、「ＧＣＩＢ」、「ガスクラスタイオンビーム」、「ガスクラスタイオン」という文言は、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全部または一部が変化した（中性化を含む）加速ビームおよびイオンも含むことを目的とする。「ＧＣＩＢ」および「ガスクラスタイオンビーム」という文言は、たとえ非クラスタ化粒子を備えているときでも、加速ガスクラスタを備えるすべてのビームを包含することを目的とする。本明細書で使用されるとき、「中性ビーム」という文言は、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目的とし、加速はガスクラスタイオンビームの加速から生じる。

ガス中の粒子またはビーム内の粒子を指す際に本明細書で使用されるとき、「モノマー」という文言は、単一の原子または単一の分子を同等に指す。「原子」、「分子」、「モノマー」という文言は互換可能に使用することができ、どれも当該説明のガスの特徴である適切なモノマー（クラスタの１成分、クラスタイオンの１成分、あるいは原子または分子）を指す。たとえば、アルゴンのような単原子ガスは、原子、分子、またはモノマーの単位で言及することができ、それらの文言はそれぞれ単一原子を意味する。同様に、窒素のような二原子ガスの場合、原子、分子、またはモノマーの単位で言及することができ、各文言が二原子分子を意味する。さらに、ＣＯ_２またはＢ_２Ｈ_６のような分子ガスも、原子、分子、またはモノマーの単位で言及することができ、各文言が多原子分子を意味する。これらの取り決めは、ガス形状の単原子、二原子、または分子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の包括的な説明を簡略化するために使用される。分子または固体材料の構成要素に言及する際、「原子」は従来の意味を有する。

本発明と他のおよび追加の目的に関する理解を深めるため、添付図面を参照する。
ＧＣＩＢを用いるワークピース処理用の従来技術の装置の構成要素を示す概略図である。 ＧＣＩＢを用いるワークピース処理用の従来技術の別の装置の構成要素を示す概略図であり、イオンビームの走査とワークピースの操作が採用されている。 荷電ビーム成分と未荷電ビーム成分とを分離する静電偏向板を使用する本発明の一実施形態に係る装置の概略図である。 中性ビーム測定用の熱センサを用いる本発明の一実施形態に係る装置の概略図である。 線量測定スキームのコンポーネントである抑制偏向板上に回収される偏向イオンビーム電流を使用する本発明の一実施形態に係る装置の概略図である。 線量測定スキームのコンポーネントであるファラデーカップに回収される偏向イオンビームのサンプルを使用する本発明の一実施形態に係る装置の概略図である。 中性ビームで均一に拡張ワークピースを照射するために機械的走査を採用する本発明の一実施形態に係る装置の概略図である。 ガスをビームラインチャンバに注入することによってガスターゲット厚を制御する手段を備えた本発明の一実施形態に係る装置の概略図である。 荷電成分と中性ビーム成分とを分離する静電ミラーを使用する本発明の一実施形態に係る装置の概略図である。 本発明の一実施形態に係る装置の概略図であり、荷電ビームを中性ビーム成分から分離する加速−減速構造が使用されている。 本発明の一実施形態に係る装置の概略図であり、荷電ビームを中性ビーム成分から分離する別の加速−減速構造が使用されている。 ビームの中性成分による処理が、フルＧＣＩＢまたはビームの荷電成分による処理よりも金属膜の優れた平滑化をもたらすことを表す処理結果を示す図である。 ビームの中性成分による処理が、フルＧＣＩＢまたはビームの荷電成分による処理よりも金属膜の優れた平滑化をもたらすことを表す処理結果を示す図である。 ビームの中性成分による処理が、フルＧＣＩＢまたはビームの荷電成分による処理よりも金属膜の優れた平滑化をもたらすことを表す処理結果を示す図である。 ビームの中性成分による処理が、フルＧＣＩＢまたはビームの荷電成分による処理よりも金属膜の優れた平滑化をもたらすことを表す処理結果を示す図である。 薬剤溶出医療機器を表すコバルトクロムクーポン上の薬剤コーティングの比較を示す図であり、中性ビームでの処理がフルＧＣＩＢでの処理よりも優れた結果を残している。 薬剤溶出医療機器を表すコバルトクロムクーポン上の薬剤コーティングの比較を示す図であり、中性ビームでの処理がフルＧＣＩＢでの処理よりも優れた結果を残している。 磁気分離を採用する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置の概略図である。 ガスクラスタイオンビームに比べて、本発明の中性ビーム実施形態を用いて生成されるより優れた界面を示すＴＥＭ画像である。 ガスクラスタイオンビームに比べて、本発明の中性ビーム実施形態を用いて生成されるより優れた界面を示すＴＥＭ画像である。 ガスクラスタイオンビームに比べて、本発明の中性ビーム実施形態を用いて生成されるより優れた界面を示すＴＥＭ画像である。 本発明の一実施形態を用いて浅接合部を形成するのに適した浅ホウ素注入のＳＩＭＳプロファイルのグラフである。 本発明の一実施形態がホウ素をドープした半導体の形成に使用されたときに形成された高品質界面を示すＴＥＭ画像である。 本発明の一実施形態を用いるＳｉＯ_２およびＳｉのエッチングを示すグラフである。 半導体材料中にアモルファス層を形成する際の本発明の実施形態の使用を示すＴＥＭ画像である。 半導体材料中にアモルファス層を形成する際の本発明の実施形態の使用を示すＴＥＭ画像である。 半導体に膜を形成するためのＧＣＩＢから得られる加速中性ビームの適用を示すＴＥＭ画像である。 半導体に膜を形成するためのＧＣＩＢから得られる加速中性ビームの適用を示すＴＥＭ画像である。 加速ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用するシリコン基板上へのダイヤモンド様炭素膜の蒸着を示すグラフである。 清浄で従来のように研磨された光学ガラス表面の粗度の原子間力顕微鏡マップであり、ある程度の粗さ、平坦性不足、凹凸の存在を示す。 加速ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いる本発明の一実施形態に係る平滑化後の光学ガラス表面の原子間力顕微鏡マップである。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用するプロセスのステップと、ＧＣＩＢを使用して光学基板にオプティカルコーティングを施すプロセスのステップとを示す概略図であり、基板へのコーティングの接着性は従来技術よりも本発明の一実施形態の方が優れている。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用するプロセスのステップと、ＧＣＩＢを使用して光学基板にオプティカルコーティングを施すプロセスのステップとを示す概略図であり、基板へのコーティングの接着性は従来技術よりも本発明の一実施形態の方が優れている。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用するプロセスのステップと、ＧＣＩＢを使用して光学基板にオプティカルコーティングを施すプロセスのステップとを示す概略図であり、基板へのコーティングの接着性は従来技術よりも本発明の一実施形態の方が優れている。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用するプロセスのステップと、ＧＣＩＢを使用して光学基板にオプティカルコーティングを施すプロセスのステップとを示す概略図であり、基板へのコーティングの接着性は従来技術よりも本発明の一実施形態の方が優れている。 大気曝露による劣化を示す未処理ＬＢＯ光学コンポーネントの表面の原子間力顕微鏡マップである。 大気曝露による劣化を示す未処理ＬＢＯ光学コンポーネントの表面の原子間力顕微鏡マップである。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いて処理されるＬＢＯ光学コンポーネントの表面の原子間力顕微鏡マップであり、本発明の一実施形態による処理後、大気曝露による劣化が低減されている。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いて処理されるＬＢＯ光学コンポーネントの表面の原子間力顕微鏡マップであり、本発明の一実施形態による処理後、大気曝露による劣化が低減されている。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用して、シリコン基板上にＳｉＣまたはＳｉＣ_Ｘ層を形成するプロセスステップを示す概略図である。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用して、シリコン基板上にＳｉＣまたはＳｉＣ_Ｘ層を形成するプロセスステップを示す概略図である。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用して、シリコン基板上にＳｉＣまたはＳｉＣ_Ｘ層を形成するプロセスステップを示す概略図である。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用して、シリコン基板上にＳｉＣまたはＳｉＣ_Ｘ層を形成するプロセスステップを示す概略図である。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いて、一部の装置の高度な微細加工に必要とされるフォトレジストを使用せずに基板上にハードマスクパターンを形成するプロセスステップを示す概略図である。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いて、一部の装置の高度な微細加工に必要とされるフォトレジストを使用せずに基板上にハードマスクパターンを形成するプロセスステップを示す概略図である。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いて、一部の装置の高度な微細加工に必要とされるフォトレジストを使用せずに基板上にハードマスクパターンを形成するプロセスステップを示す概略図である。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いて、一部の装置の高度な微細加工に必要とされるフォトレジストを使用せずに基板上にハードマスクパターンを形成するプロセスステップを示す概略図である。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いて、一部の装置の高度な微細加工に必要とされるフォトレジストを使用せずに基板上にハードマスクパターンを形成するプロセスステップを示す概略図である。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いて、一部の装置の高度な微細加工に必要とされるフォトレジストを使用せずに基板上にハードマスクパターンを形成するプロセスステップを示す概略図である。 ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いて、一部の装置の高度な微細加工に必要とされるフォトレジストを使用せずに基板上にハードマスクパターンを形成するプロセスのステップを示す概略図である。

ここで、従来技術のＧＣＩＢ処理装置１００の概略構造を示す図１を参照する。低圧容器１０２は、ノズルチャンバ１０４、イオン化／加速チャンバ１０６、処理チャンバ１０８の３つの流体接続されたチャンバを有する。これらの３つのチャンバはそれぞれ真空ポンプ１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃによって排気される。ガス保管チャンバ１１１に保管される加圧凝縮性原料ガス１１２（たとえば、アルゴン）はガス絞り弁１１３と供給管１１４を通って貯留チャンバ１１６に流れ込む。貯留チャンバ１１６内の圧力（通常、数気圧）のため、ガスはノズル１１０を介して略低圧の真空まで噴出されて、超音速ガスジェット１１８を形成する。ジェットの膨張から生じる冷却によって、ガスジェット１１８の一部はクラスタに凝縮され、各クラスタは数個から数千の緩く結合された原子または分子から成る。ガススキマー孔１２０は、クラスタジェットからクラスタジェットに凝縮されていないガス分子を部分的に分離することによって、下流チャンバに流れ込むガス流を制御するのに使用される。下流チャンバ内の過剰な圧力は、ガスクラスタイオンの輸送を阻害し、ビームの形成と輸送のために採用される高電圧の管理を邪魔することによって不利益を及ぼす可能性がある。適切な凝縮性原料ガス１１２は、アルゴンおよびその他の凝縮性貴ガス、窒素、二酸化炭素、酸素、その他多くのガスおよび／またはガス混合物を含むがそれらに限定されない。超音速ガスジェット１１８内で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、典型的には電子衝撃イオン化装置であるイオン化装置１２２内でイオン化され、１以上の白熱フィラメント１２４（またはその他の適切な電子源）からの熱放射によって電子を生成し、電子を加速および方向付けることで、電子をガスジェット１１８内のガスクラスタと衝突させることができる。電子はガスクラスタと衝突し、ガスクラスタの一部から電子を放出して、クラスタを正イオン化させる。一部のクラスタは、放出される２以上の電子を有し、複数イオン化することができる。電子の数と加速後のエネルギーの制御は通常、発生可能なイオン化の数と、ガスクラスタの複数イオン化と単数イオン化間の比に影響を及ぼす。サプレッサ電極１４２と接地電極１４４は、イオン化装置放出孔１２６からクラスタイオンを抽出し、（通常、数百Ｖ〜数十ｋＶの加速度ポテンシャルで）所望のエネルギーまでそれらを加速し、集束させてＧＣＩＢ１２８を形成する。ＧＣＩＢ１２８がイオン化装置放出孔１２６とサプレッサ電極１４２との間を横断する領域は、抽出領域と称される。ガスクラスタを含む超音速ガスジェット１１８の軸（ノズル１１０で決定される）は、ＧＣＩＢ１２８の軸１５４と略同じである。フィラメント電源１３６はフィラメント電圧Ｖ_ｆを供給して、イオン化装置フィラメント１２４を加熱する。アノード電源１３４はアノード電圧Ｖ_Ａを供給して、フィラメント１２４から発せられる熱電子を加速させて、熱電子をクラスタ含有ガスジェット１１８に照射させ、クラスタイオンを生成する。抑制電源１３８は抑制電圧Ｖ_Ｓ（約数百〜数千ボルト）を供給して、サプレッサ電極１４２にバイアスをかける。加速器電源１４０は加速電圧Ｖ_Ａｃｃを供給して、Ｖ_Ａｃｃに等しい総ＧＣＩＢ加速度ポテンシャルとなるように、サプレッサ電極１４２と接地電極１４４に対してイオン化装置１２２にバイアスをかける。サプレッサ電極１４２は、イオン化装置１２２のイオン化装置放出孔１２６からイオンを抽出し、不所望の電子が下流からイオン化装置１２２に侵入するのを防止し、集束ＧＣＩＢ１２８を形成する役目を果たす。

ワークピース１６０は、（たとえば）医療機器、半導体材料、光学素子、またはＧＣＩＢ処理によって処理されるその他のワークピースであってもよく、ＧＣＩＢ１２８の経路にワークピースを配置するワークピースホルダ１６２上に保持される。ワークピースホルダは、処理チャンバ１０８に装着されるが、電気絶縁体１６４によって処理チャンバ１０８から電気的に絶縁される。よって、ワークピース１６０とワークピースホルダ１６２に衝突するＧＣＩＢ１２８は、電気リード線１６８を通って線量プロセッサ１７０まで流れる。ビームゲート１７２は、軸１５４に沿ってワークピース１６０までＧＣＩＢ１２８の送達を制御する。通常、ビームゲート１７２は、（たとえば）電気的、機械的、または電気機械的であるリンク装置１７４によって制御される開放状態と閉鎖状態を有する。線量プロセッサ１７０はビームゲート１７２の開放／閉鎖状態を制御して、ワークピース１６０とワークピースホルダ１６２が受け取るＧＣＩＢ線量を管理する。動作時、線量プロセッサ１７０はビームゲート１７２を開放して、ワークピース１６０のＧＣＩＢ照射を開始させる。線量プロセッサ１７０は通常、ワークピース１６０およびワークピースホルダ１６２に到達するＧＣＩＢ電流を統合して、蓄積ＧＣＩＢ照射線量を算出する。所定の線量では、線量プロセッサ１７０はビームゲート１７２を閉鎖して、所定の線量が達成されたときに処理を終了する。

以下の説明では、図面の簡略化のため、先の図面中の要素番号は、説明なく後の図面でも使用される場合がある。同様に、先の図面で説明した要素は、要素番号または追加の説明なしで後の図面で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、前述した特徴と機能を有し、本図面に示される要素番号を付していない要素の説明は、先の番号を付した図面に示される類似要素と同じ機能を有する類似要素を指す。

図２は、ＧＣＩＢを用いたワークピース処理用の従来技術の別のＧＣＩＢ処理装置２００の構成要素を示す概略図であり、イオンビームの走査とワークピースの操作が採用される。ＧＣＩＢ処理装置２００によって処理されるワークピース１６０が、ＧＣＩＢ１２８の経路に配置されるワークピースホルダ２０２上に保持される。ワークピース１６０の均一処理を達成するため、ワークピースホルダ２０２は、均一処理に要求されるとおりワークピース１６０を操作するように設計される。

非平面状、たとえば、球状またはカップ状、円形、不規則、またはその他の非平坦構造であるワークピース表面はいずれも、ビーム入射に対して一定範囲の角度内で配向させて、ワークピース表面の最適なＧＣＩＢ処理を達成することができる。ワークピースホルダ２０２は、ＧＣＩＢ１２８と適切に整合するようにすべての処理対象の非平面状表面を配向させるために完全に連接させて、処理の最適化と均一性を提供することができる。より具体的には、処理対象のワークピース１６０が非平面状であるとき、ワークピースホルダ２０２は、連接／回転機構２０４によって回転運動２１０で回転させ、連接運動２１２で連接させることができる。連接／回転機構２０４は、（ＧＣＩＢ１２８の軸１５４と共軸である）縦軸２０６を中心とした装置の３６０度の回転と、軸２０６に垂直な軸２０８を中心とした十分な連接を可能にし、ワークピース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。

特定の状況下で、ワークピース１６０のサイズに応じて、走査システムが大型ワークピースの均一な照射を行うのに望ましい場合がある。ＧＣＩＢ処理には大抵不要であるが、２対の相互に直交配置された静電走査板１３０と１３２を利用して、拡張処理範囲にわた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。上記ビーム走査を実行するとき、走査ジェネレータ１５６はリード線対１５９を通じて一対の走査板１３２にＸ軸走査信号電圧を供給し、リード線対１５８を通じて一対の走査板１３０にＹ軸走査信号電圧を供給する。走査信号電圧は一般的に、様々な周波数の三角波であり、ＧＣＩＢ１２８をワークピース１６０の表面全体を走査する走査ＧＣＩＢ１４８に変換させる。走査ビーム画定孔２１４は、走査範囲を画定する。走査ビーム画定孔２１４は電導性を有し、低圧容器１０２の壁に電気的に接続され、支持部材２２０によって支持される。ワークピースホルダ２０２は、可撓電気リード線２２２を介してファラデーカップ２１６に電気的に接続され、ファラデーカップ２１６はワークピース１６０とワークピースホルダ２０２を囲み、画定孔２１４を通過する全電流を回収する。ワークピースホルダ２０２は連接／回転機構２０４から電気的に絶縁され、ファラデーカップ２１６は絶縁体２１８によって電気的に絶縁されて低圧容器１０２に搭載される。したがって、走査ビーム画定孔２１４を通過する走査ＧＣＩＢ１４８からの全電流はファラデーカップ２１６に回収され、電気リード線２２４を通じて線量プロセッサ１７０に流れる。動作時、線量プロセッサ１７０はビームゲート１７２を開放して、ワークピース１６０のＧＣＩＢ照射を開始する。線量プロセッサ１７０は通常、ワークピース１６０、ワークピースホルダ２０２、ファラデーカップ２１６に到達するＧＣＩＢ電流を統合して、単位面積当たりの蓄積ＧＣＩＢ照射線量を算出する。所定の線量では、線量プロセッサ１７０はビームゲート１７２を閉鎖し、所定の線量が達成されると処理を終了する。所定の線量の蓄積中、ワークピース１６０は、所望の全表面の処理を確保するように連接／回転機構２０４によって操作することができる。

図３は、静電偏向板を使用して、ＧＣＩＢの荷電部分と未荷電部分を分離する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置３００の概略図である。ビームラインチャンバ１０７は、イオン化装置、加速器領域、ワークピース処理領域を包囲する。ビームラインチャンバ１０７は高コンダクタンスを有するため、圧力は全体にわたって略均一である。真空ポンプ１４６ｂはビームラインチャンバ１０７を排気する。ガスは、ガスジェット１１８によって輸送されるクラスタガスおよび未クラスタガスの形状、およびガススキマー孔１２０を通じて漏れる追加の未クラスタガスの形状でビームラインチャンバ１０７を流れる。圧力センサ３３０は、電気ケーブル３３２を通じてビームラインチャンバ１０７から圧力センサコントローラ３３４へ圧力データを送信し、ビームラインチャンバ１０７内の圧力を測定および表示する。ビームラインチャンバ１０７内の圧力は、ビームラインチャンバ１０７へのガス流量と真空ポンプ１４６ｂの圧送速度とのバランスに依存する。ガススキマー孔１２０の径、ノズル１１０を通る原料ガス１１２の流量、真空ポンプ１４６ｂの圧送速度を選択することによって、ビームラインチャンバ１０７内の圧力は、設計とノズル流量（ｎｏｚｚｌｅ ｆｌｏｗ）によって決定される圧力Ｐ_Ｂで釣り合う。接地電極１４４からワークピースホルダ１６２へのＧＣＩＢ飛行路は、たとえば１００ｃｍである。設計と調節によって、Ｐ_Ｂは約６×１０^−５Ｔｏｒｒ（８×１０^−３Ｐａｓｃａｌ）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（０．８Ｐａｓｃａｌ−ｃｍ）であり、ビームのガスターゲット厚は約１．９４×１０^１４ガス分子／ｃｍ^２であり、イオン化装置１２２内のガスクラスタの最初のイオン化によるモノマー発生および、ＧＣＩＢ１２８内のガスクラスタイオン間の衝突と組み合わせて、ＧＣＩＢ１２８内のガスクラスタイオンを解離させるのに有効であると観察され、結果として完全解離加速中性ビーム３１４が生じる。Ｖ_Ａｃｃはたとえば３０ｋＶであり、ＧＣＩＢ１２８はこの電位によって加速される。一対の偏向板（３０２および３０４）がＧＣＩＢ１２８の軸１５４を中心として配置される。デフレクタ電源３０６は、電気リード線３０８を介して偏向板３０２に正の偏向電圧Ｖ_Ｄを供給する。偏向板３０４は、電気リード線３１２によって電流センサ／ディスプレイ３１０を通じて電気的アースに接続される。デフレクタ電源３０６は手動で制御可能である。Ｖ_Ｄは、ゼロからＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６を偏向板３０４（たとえば数千ボルト）上に完全に偏向させるのに十分な電圧まで調節することができる。ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６が偏向板３０４上に偏向されると、結果として生じる電流Ｉ_Ｄは電気リード線３１２と、表示用に電流センサ／ディスプレイ３１０を流れる。Ｖ_Ｄがゼロのとき、ＧＣＩＢ１２８は偏向されずに、ワークピース１６０およびワークピースホルダ１６２まで移動する。ＧＣＩＢビーム電流Ｉ_Ｂはワークピース１６０とワークピースホルダ１６２に回収されて、電気リード線１６８および電流センサ／ディスプレイ３２０を通じて電気的アースまで流れる。Ｉ_Ｂが電流センサ／ディスプレイ３２０に表示される。ビームゲート１７２は、ビームゲートコントローラ３３６によってリンク装置３３８を通じて制御される。ビームゲートコントローラ３３６は手動であってもよいし、所定の値によって電気的または機械的にタイミングを設定されて、所定の間隔でビームゲート１７２を開放してもよい。使用時、Ｖ_Ｄはゼロに設定され、ワークピース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プロセス法に関する以前の経験に基づき、所与のプロセスの最初の照射時間は、測定された電流Ｉ_Ｂに応じて決定される。Ｖ_Ｄはすべての測定ビーム電流がＩ_ＢからＩ_Ｄに変わるまで増加され、Ｉ_ＤはＶ_Ｄの増加と共に上昇しない。この時点で、最初のＧＣＩＢ１２８のエネルギー解離成分を備える中性ビーム３１４がワークピースホルダ１６２を照射する。その後、ビームゲート１７２が閉鎖され、ワークピース１６０が従来のワークピース搭載手段（図示せず）によってワークピースホルダ１６２上に置かれる。ビームゲート１７２は所定の最初の放射時間、開放される。照射間隔後、ワークピースを調べ、測定されたＧＣＩＢビーム電流Ｉ_Ｂに基づき中性ビーム処理の所望の時間を較正するのに必要であるように処理時間を調節することができる。このような較正プロセス後、較正された曝露時間を利用してさらなるワークピースを処理することができる。

中性ビーム３１４は、加速ＧＣＩＢ１２８の最初のエネルギーの反復可能部分を含有する。最初のＧＣＩＢ１２８の残りのイオン化部分３１６は中性ビーム３１４から除去されており、接地偏向板３０４によって回収される。中性ビーム３１４から除去されたイオン化部分３１６は、モノマーイオンと中間サイズ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ことがある。イオン化プロセス中のクラスタの加熱によるモノマー蒸発機構、ビーム内衝突、背景ガス衝突、その他の原因（これらはすべてクラスタを侵食させる）により、中性ビームはほぼ中性モノマーから成るが、分離された荷電粒子は主にクラスタイオンである。発明者らは、中性ビームの再イオン化と、結果的に生じるイオンの電荷対質量比の測定などの適切な測定によってこのことを確認した。分離された荷電ビーム成分は主に、中間サイズのクラスタイオンだけでなくモノマーイオン、およびおそらくはいくつかの大型クラスタイオンから成る。下に示すように、この中性ビームを用いてワークピースを処理することによって優れたプロセス結果が得られる。

図４は、中性ビーム測定に熱センサを使用する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置４００の概略図である。熱センサ４０２は、低伝熱アタッチメント４０４を介して旋回軸４１２に装着された回転支持アーム４１０に装着される。アクチュエータ４０８は反転可能な回転運動４１６を介して、熱センサ４０２が中性ビーム３１４またはＧＣＩＢ１２８を捕捉する位置と、熱センサ４０２がビームを捕捉しない４１４で示す停止位置との間で熱センサ４０２を移動させる。熱センサ４０２が停止位置にあるとき（４１４で示す）、ＧＣＩＢ１２８または中性ビーム３１４はワークピース１６０および／またはワークピースホルダ１６２の照射のために路４０６に継続的に沿っている。熱センサコントローラ４２０は熱センサ４０２の位置を制御し、熱センサ４０２によって生成される信号の処理を実行する。熱センサ４０２は、電気ケーブル４１８を通じて熱センサコントローラ４２０と通信する。熱センサコントローラ４２０は電気ケーブル４２８を通じて線量測定コントローラ４３２と通信する。ＧＣＩＢ１２８がワークピース１６０および／またはワークピースホルダ１６２に衝突するとき、ビーム電流測定装置４２４は電気リード線１６８を流れるビーム電流Ｉ_Ｂを測定する。ビーム電流測定装置４２４は、電気ケーブル４２６を介してビーム電流測定信号を線量測定コントローラ４３２に通信する。線量測定コントローラ４３２は、リンク装置４３４を介して送信される制御信号によって、ビームゲート１７２の開放状態と閉鎖状態の設定を制御する。線量測定コントローラ４３２は電気ケーブル４４２を通じてデフレクタ電源４４０を制御し、偏向電圧Ｖ_Ｄをゼロ電圧とＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６を偏向板３０４に完全に偏向させるのに十分な正電圧との間で制御することができる。ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６が偏向板３０４に衝突すると、結果として生じる電流Ｉ_Ｄが電流センサ４２２によって測定され、電気ケーブル４３０を通じて線量測定コントローラ４３２に送信される。動作時、線量測定コントローラ４３２は熱センサ４０２を停止位置４１４に設定し、ビームゲート１７２を開放し、フルＧＣＩＢ１２８がワークピースホルダ１６２および／またはワークピース１６０に衝突するようにＶ_Ｄをゼロに設定する。線量測定コントローラ４３２はビーム電流測定装置４２４から送られるビーム電流Ｉ_Ｂを記録する。次に、線量測定コントローラ４３２は熱センサ４０２を停止位置４１４から移動させて、熱センサコントローラ４２０を介して中継されるコマンドによってＧＣＩＢ１２８を捕捉する。熱センサコントローラ４２０は、センサの熱容量と、所定の測定温度（たとえば７０℃）からの温度上昇として測定される熱センサ４０２の温度上昇速度とに基づく算出によってＧＣＩＢ１２８のビームエネルギー束を測定し、見出されたビームエネルギー束を線量測定コントローラ４３２に通信し、熱センサ４０２によって測定されるビームエネルギー束とビーム電流測定装置４２４によって測定される対応ビーム電流の較正値を算出する。次に、線量測定コントローラ４３２は熱センサ４０２を停止位置４１４に停止させ、冷却させて、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分による電流Ｉ_Ｄがすべて偏向板３０４に送られるまで正Ｖ_Ｄの偏向板３０２への印加を命令する。電流センサ４２２は対応するＩ_Ｄを測定し、それを線量測定コントローラ４３２に通信する。また、線量測定コントローラは熱センサ４０２を停止位置４１４から移動させて、熱センサコントローラ４２０を介して中継されるコマンドによって中性ビーム３１４を捕捉する。熱センサコントローラ４２０は、所定の較正係数と、所定の測定温度からの温度上昇である熱センサ４０２の温度上昇速度とを用いて中性ビーム３１４のビームエネルギー束を測定し、その中性ビームエネルギー束を線量測定コントローラ４３２に通信する。線量測定コントローラ４３２は、センサ４０２でフルＧＣＩＢ１２８のエネルギー束の熱測定値に対する中性ビーム３１４のエネルギー束の熱測定値の比である中性ビーム比を算出する。標準的な動作時、約５％〜約９５％の中性ビーム比が達成される。処理を開始する前、線量測定コントローラ４３２は電流Ｉ_Ｄも測定し、Ｉ_ＢとＩ_Ｄの最初の値の電流比を決定する。処理中、瞬時Ｉ_Ｄ測定値と最初のＩ_Ｂ／Ｉ_Ｄ比の積算値をＩ_Ｂの連続測定値の代用として使用し、線量測定コントローラ４３２による処理の制御中、線量測定に採用することができる。よって、線量測定コントローラ４３２は、フルＧＣＩＢ１２８の実際のビーム電流測定が利用可能であるかのように、ワークピース処理中のいかなるビーム変動も補償することができる。線量測定コントローラは中性ビーム比を使用して、特定のビームプロセスのための所与網の処理時間を算出する。プロセス中、処理時間は、プロセス中のビーム変動の補正用のＩ_Ｄの較正測定値に基づき調節することができる。

図５は、線量測定スキームのコンポーネントである抑制偏向板上に回収される偏向イオンビーム電流を使用する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置５００の概略図である。簡単に図４を参照すると、図４に示す線量測定スキームは、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６による電流だけでなく、ビームのイオン化部分３１６が偏向板３０４に衝突するときに発射される二次電子から生じる二次電子電流を含むという事実の影響を受ける可能性がある。二次電子の生成量は、イオン化部分３１６中のクラスタイオンサイズの分布に応じて変動する可能性がある。また、偏向板３０４の衝突面の表面状態（清浄度など）によっても変動する可能性がある。したがって、図４に示すスキームでは、Ｉ_Ｄの大きさは、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６による電流を精密に表していない。再度図５を参照すると、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６の測定は、イオン化部分３１６を受け取る偏向板３０４の表面に近接して電子サプレッサグリッド電極５０２を追加することによって偏向板３０４で向上させることができる。電子サプレッサグリッド電極５０２はイオン化部分３１６をかなり透過させるが、第２のサプレッサ電源５０６から提供される第２のサプレッサ電圧Ｖ_Ｓ２によって偏向板３０４に対してはマイナスにバイアスがかかる。二次電子の有効な抑制は通常、約数十ボルトのＶ_Ｓ２によって達成される。二次電子の放出を抑制することによって、デフレクタ電源４４０の電流負荷が低減されて、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６の電流を表すＩ_Ｄの精度が向上する。電子サプレッサグリッド５０２は、絶縁支持体５０４によって偏向板３０４から絶縁され、偏向板３０４の近傍に保持される。

図６は、線量測定スキームのコンポーネントであるファラデーカップに回収される偏向イオンビーム電流のサンプルを使用する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置５５０の概略図である。本発明の本実施形態では、イオン化部分３１６（図５に示す）のサンプル５５６はファラデーカップ５５８に捕捉される。ファラデーカップ５５８に回収されるサンプル電流Ｉ_Ｓは、電気リード線５６０を介して測定用の電流センサ５６２に送られ、測定値が電気ケーブル５６４を介して線量測定コントローラ５６６に通信される。ファラデーカップ５５８は、偏向板３０４（図５に示す）によって回収される電流Ｉ_Ｄを測定して得られるよりも優れた電流測定を提供する。感度を向上させてＩ_Ｄよりも小さいＩ_Ｓに対応することを除けば、電流センサ５６２は電流センサ４２２（図５に示す）に関して上述したのとほぼ同じように動作する。（図５のＩ_Ｄと比較して）より小さな電流測定値Ｉ_Ｓに対応するように設計されることを除けば、線量測定コントローラ５６６は、線量測定コントローラ４３２（図５に示す）に関して上述したのとほぼ同じように動作する。

図７は、機械的スキャナ６０２を用いて中性ビーム３１４で空間的に拡張されたワークピース１６０を走査し、大型ワークピースの均一な中性ビーム走査を簡易化する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置６００の概略図である。中性ビーム３１４は磁気または静電技術によって走査できないため、処理対象のワークピース１６０が中性ビーム３１４の範囲よりも空間的に大きく、ワークピース１６０の均一処理が必要とされるとき、機械的スキャナ６０２が採用されて中性ビーム３１４によってワークピース１６０を走査する。機械的スキャナ６０２は、ワークピース１６０を保持するワークピースホルダ６１６を有する。機械的スキャナ６０２は、中性ビーム３１４またはＧＣＩＢ１２８がワークピース１６０および／またはワークピースホルダ６１６に入射できるように配置される。偏向板（３０２、３０４）がＧＣＩＢ１２８から外へイオン化部分３１６を偏向させると、ワークピース１６０および／またはワークピースホルダ６１６は中性ビーム３１４のみを受け取る。偏向板（３０２、３０４）がＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６を偏向しないとき、ワークピース１６０および／またはワークピースホルダ６１６はフルＧＣＩＢ１２８を受け取る。ワークピースホルダ６１６は導電性を有し、絶縁体６１４によって地面から絶縁される。ワークピース１６０および／またはワークピースホルダ６１６に入射するＧＣＩＢ１２８によるビーム電流（Ｉ_Ｂ）は、電気リード線１６８を通じてビーム電流測定装置４２４に送られる。ビーム電流測定装置４２４はＩ_Ｂを測定し、その測定値を線量測定コントローラ６２８に伝送する。機械的スキャナ６０２は、電気ケーブル６２０を介して機械的走査コントローラ６１８によって制御されるアクチュエータを含むアクチュエータベース６０４を有する。機械的スキャナ６０２は、Ｙ方向６１０に逆移動することができるＹ変位テーブル６０６と、Ｘ方向６１２に逆移動することができるＸ変位テーブル６０８とを有し、これらの方向は図７の紙面の内外として示される。Ｙ変位テーブル６０６とＸ変位テーブル６０８の移動は、機械的走査コントローラ６１８の制御下で、アクチュエータベース６０４のアクチュエータによって始動される。機械的走査コントローラ６１８は電気ケーブル６２２を介して線量測定コントローラ６２８と通信する。線量測定コントローラ６２８の機能は、線量測定コントローラ４３２に関して上述した機能をすべて含み、機械的走査コントローラ６１８との通信を介して機械的スキャナ６０２を制御する機能が追加される。測定された中性ビームエネルギー束速度に基づき、線量測定コントローラ６２８は、整数回のワークピース１６０の完全走査をワークピース１６０の処理中に完了させ、ワークピースの完全かつ均一な処理とワークピース１６０への所定のエネルギー束量を確保する機械的走査コントローラ６１８のＹおよびＸ走査速度を算出し、通信する。中性ビームの使用と中性ビームエネルギー束速度測定の使用を除けば、上記走査制御アルゴリズムは従来のアルゴリズムであり、たとえば、従来のＧＣＩＢ処理ツールやイオン注入ツールで一般的に採用される。なお、中性ビーム処理装置６００は、ＧＣＩＢ１２８が偏向せずに通過し、フルＧＣＩＢ１２８をワークピース１６０および／またはワークピースホルダ６１６に照射させるように偏向板（３０２、３０４）を制御することによって、従来のＧＣＩＢ処理ツールとして使用することができる。

図８は、ビームラインチャンバ１０７内のガス圧を動的に設定および制御する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置７００の概略図である。圧力センサ３３０は電気ケーブル３３２を通じてビームラインチャンバ１０７から圧力コントローラ７１６へ圧力測定データを送信し、ビームラインチャンバ内の圧力を測定し表示する。ビームラインチャンバ１０７内の圧力は、ビームラインチャンバ１０７へのガス流と真空ポンプ１４６ｂの圧送速度とのバランスに依存する。ガスボトル７０２は、好ましくは原料ガス１１２と同一のガス種であるビームラインガス７０４を収容する。ガスボトル７０２は、ビームラインチャンバ１０７内のガスディフューザ７１０を通じてビームラインガス７０４をビームラインチャンバ１０７へ漏れ出させるための遠隔操作可能なリーク弁７０６とガス供給管７０８を有する。圧力コントローラ７１６は、圧力設定点、圧力×ビーム路長設定点（所定のビーム路長に基づく）、またはガスターゲット厚設定点の形で（手動入力またはシステムコントローラ（図示せず）からの自動入力によって）入力設定点を受け取ることができる。いったん設定点が圧力コントローラ７１６に対して画定されれば、圧力コントローラ７１６はビームラインチャンバ１０７へのビームラインガス７０４の流入を調節して、中性ビーム処理装置の動作中の設定点を維持する。上記ビームライン圧力調節システムが採用されるとき、通常、ビームラインチャンバ１０７に導入されるビームラインガス７０４が存在しない場合、ビームラインチャンバ１０７内の基準圧力が所望の動作圧力よりも低くなるように、真空ポンプ１４６ｂのサイズが決定される。従来のＧＣＩＢ１２８が余分な解離なしにビーム路の長を伝播できるように基準圧力が選択される場合、中性ビーム処理装置７００は従来のＧＣＩＢ処理ツールとしても使用することができる。

図９は、荷電部分と中性ビーム部分の分離のために静電ミラーを採用する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置８００の概略図である。反射電極８０２と略透明電気グリッド電極８０４は相互に変位し、相互に平行にビーム軸１５４に対して４５度の角度で配置される。反射電極８０２と略透明の電気グリッド電極８０４は両方とも、中性ビーム３１４を２つの電極に通過させる穴（８３６と８３８）をビーム軸１５４を中心として有する。ミラー電源８１０は、電気リード線８０６および８０８を介して反射電極８０２と略透明の電気グリッド電極８０４との間の間隙にミラー電位Ｖ_Ｍを供給し、その極性は図９に示すとおりである。Ｖ_ＭはＶ_Ａｃｃ＋Ｖ_Ｒよりもわずかに大きく選択される（Ｖ_Ｒはガスクラスタジェットがイオン化と加速の前に有する熱エネルギーを超えるのに必要な遅延電位であり、通常は約数ｋＶである）。反射電極８０２と略透明電気グリッド電極８０４間で生成される電界は、軸１５４に対して約９０度ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分８１４を偏向させる。ファラデーカップ８１２は、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分８１４を回収するように配置される。サプレッサ電極グリッド電極８１６は、ファラデーカップ８１２からの二次電子の脱出を防止する。サプレッサグリッド電極８１６は、第３のサプレッサ電源８２２によって供給される負の第３のサプレッサ電圧Ｖ_Ｓ３でバイアスを付与される。Ｖ_Ｓ３は通常約数十ボルトである。ＧＣＩＢ１２８の偏向イオン化部分８１４の電流（ひいては、ＧＣＩＢ１２８の電流）を表すファラデーカップ電流Ｉ_Ｄ２は、電気リード線８２０を通って電流センサ８２４に流れる。電流センサ８２４は電流Ｉ_Ｄ２を測定し、電気リード線８２６を介して線量測定コントローラ８３０に測定値を送信する。線量測定コントローラ８３０の機能は線量測定コントローラ４３２に関して上述したとおりであるが、例外として、線量測定コントローラ８３０は電流センサ８２４からＩ_Ｄ２電流測定情報を受信し、線量測定コントローラ８３０はデフレクタ電源４４０を制御せず、その代わりに電気ケーブル８４０を介してミラー電源８１０を制御する。ミラー電源８１０を設定してゼロボルトまたはＶ_Ｍを出力することによって、線量測定コントローラ８３０はフルＧＣＩＢ１２８またはＧＣＩＢ１２８の中性ビーム３１４のみのいずれが測定および／または処理のためにワークピース１６０および／またはワークピースホルダ６１６に送られるかを制御する。

図１０は、接地電位で動作するイオン化装置１２２およびワークピース１６０の両方の利点を有する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置９４０の概略図である。ワークピース１６０は、導電ワークピースホルダ１６２によって中性ビーム３１４の経路に保持され、低圧容器１０２の壁に装着される導電支持部材９５４によって支持される。したがって、ワークピースホルダ１６２とワークピース１６０は電気的に接地される。加速電極９４８はイオン化装置放出孔１２６からガスクラスタイオンを抽出し、加速電源９４４によって供給される電圧Ｖ_Ａｃｃでガスクラスタイオンを加速してＧＣＩＢ１２８を形成する。イオン化装置１２２の本体は接地され、Ｖ_Ａｃｃは負の極性を有する。ガスジェット１１８中の中性ガス原子は約数十ミリ電子ボルトの小さなエネルギーを有する。クラスタに凝縮されるにつれ、このエネルギーはクラスタサイズＮと比例して蓄積される。十分に大きなクラスタは凝縮プロセスから無視できないほどのエネルギーを得て、電圧Ｖ_Ａｃｃにより加速されると、各イオンの最終エネルギーは中性クラスタジェットエネルギー分、Ｖ_Ａｃｃを超過する。加速電極９４８の下流では、遅延電極９５２が採用されて、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分９５８を減速させる。遅延電極９５２は遅延電圧電源９４２によって正の遅延電圧Ｖ_Ｒでバイアスを付与される。数ｋＶの遅延電圧Ｖ_Ｒは一般に、ＧＣＩＢ１２８中のすべてのイオンを減速させて加速電極９４８に復帰させるのに十分である。永久磁石アレイ９５０が加速電極９４８に装着されて、二次電子を磁気的に抑制し、さもなければ、回帰したイオンが加速電極９４８に衝突する結果送出されることになる。ビームゲート１７２は機械的ビームゲートであり、ワークピース１６０の上流に位置する。線量測定コントローラ９４６は、ワークピースが受け取るプロセス線量を制御する。熱センサ４０２は、中性ビームエネルギー束測定のために中性ビーム３１４を捕捉する位置、あるいは、熱センサコントローラ４２０の制御下でワークピースの中性ビーム処理を行う停止位置に配置される。熱センサ４０２がビーム感知位置にあるとき、中性ビームエネルギー束が測定され、電気ケーブル９５６を通じて線量測定コントローラ９４６に送られる。通常使用時、線量測定コントローラ９４６はビームゲート１７２を閉鎖して、中性ビーム３１４のエネルギー束を測定し報告するように熱センサコントローラ４２０に命じる。次に、従来のワークピース搭載機構（図示せず）が新たなワークピースをワークピースホルダに配置する。測定された中性ビームエネルギー束に基づき、線量測定コントローラ９４６は所定の所望の中性ビームエネルギー量を供給する照射時間を算出する。線量測定コントローラ９４６は、中性ビーム３１４から外の熱センサ４０２にコマンドを送り、算出された照射時間、ビームゲート１７２を開放し、算出された照射時間が終わるとビームゲート１７２を閉鎖して、ワークピース１６０の処理を終了する。

図１１は、イオン化装置１２２が負電位Ｖ_Ｒで動作し、ワークピースが接地電位で動作する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置９６０の概略図である。加速電極９４８はイオン化装置放出孔１２６からガスクラスタイオンを抽出し、加速電源９４４によって供給される電位Ｖ_Ａｃｃに向けてガスクラスタイオンを加速させてＧＣＩＢ１２８を形成する。その結果生じるＧＣＩＢ１２８は電位Ｖ_Ａｃｃ−Ｖ_Ｒによって加速される。接地電極９６２はＧＣＩＢ１２８のイオン化部分９５８を減速させ、加速電極９４８に回帰させる。

図１４は、本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置９８０の概略図である。本実施形態は図８に示す装置と類似するが、例外として、中性ビーム成分からの荷電ビーム成分の分離が、静電界ではなく磁界によって実行される。再度、図１４を参照すると、磁気分析器９８２は、磁界Ｂが存在する間隙によって分離される磁極面を有する。ＧＣＩＢ１２８が磁気分析器９８２の間隙に進入し、磁界ＢのベクトルがＧＣＩＢ１２８の軸１５４を横断するように、支持体９８４がＧＣＩＢ１２８に対して磁気分析器９８２を配置する。ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分９９０は磁気分析器９８２によって偏向される。中性ビーム３１４が中性ビーム孔９８８を通過してワークピース１６０に至ることができるように、中性ビーム孔９８８を有するバッフル９８６が軸１５４に対して配置される。ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分９９０がバッフル９８６および／または低圧容器１０２の壁に衝突して、ガスへと解離して真空ポンプ１４６ｂによって押し出される。

図１２Ａ〜１２Ｄは、金薄膜に及ぼすフルビームと電荷分離ビームの作用の比較を示す。実験環境では、シリコン基板に蒸着される金膜は、フルＧＣＩＢ（荷電成分と中性成分）、中性ビーム（荷電成分がビームから外へ偏向されている）、荷電成分のみを備える偏向ビームによって処理した。これらの条件はすべて同じ最初のＧＣＩＢである、３０ｋＶ加速ＡｒＧＣＩＢから得た。加速後のビーム路のガスターゲット厚は約２×１０^１４アルゴンガス原子／ｃｍ^２であった。３つのビームのそれぞれに関して、曝露は、２×１０^１５ガスクラスタイオン／ｃｍ^２のイオン線量でフルビーム（荷電成分と中性成分）によって担持される総エネルギーに合致させた。各ビームのエネルギー束速度は熱センサを用いて測定し、プロセス期間は各サンプルがフル（荷電成分と中性成分）ＧＣＩＢ線量の総熱エネルギー量と等しい総熱エネルギー量を受け取るように調節した。

図１２Ａは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による約２．２２ｎｍの平均粗度Ｒａを有する蒸着されたままの５ミクロン×５ミクロンの金膜サンプルの走査と統計解析を示す。図１２ＢはフルＧＣＩＢで処理された金表面のＡＦＭによる走査を示し、平均粗度Ｒａは約１．７６ｎｍに低減されている。図１２Ｃは、ビームの荷電成分のみ（中性ビーム成分からの偏向後）を用いて処理された表面のＡＦＭによる走査を示し、平均粗度Ｒａは約３．５１ｎｍに上昇している。図１２Ｄは、ビームの中性成分のみ（荷電成分の中性ビームからの偏向後）を用いて処理された表面のＡＦＭによる走査を示し、平均粗度Ｒａは約１．５６ｎｍまで平滑化されている。フルＧＣＩＢ処理サンプル（Ｂ）は蒸着膜（Ａ）よりも平滑である。中性ビーム処理サンプル（Ｄ）はフルＧＣＩＢ処理サンプル（Ｂ）よりも平滑である。ビームの荷電成分で処理されたサンプル（Ｃ）は、蒸着されたままの膜よりも大幅に粗い。この結果は、ビームの中性部分が平滑化に寄与し、ビームの荷電部分が粗面化に寄与するという結論を裏付けている。

図１３Ａおよび１３Ｂは、薬剤溶出冠動脈ステント用の薬剤溶出速度の評価に使用されるコバルトクロムクーポンに蒸着された薬剤膜のフルＧＣＩＢと中性ビームによる処理の比較結果を示す。図１３Ａは、２×１０^１５ガスクラスタイオン／ｃｍ^２の照射線量で３０ｋＶのＶ_Ａｃｃによって加速されるアルゴンＧＣＩＢ（荷電成分と中性成分を含む）を用いて照射されたサンプルを示す。図１３Ｂは、３０ｋＶのＶ_Ａｃｃによって加速されるアルゴンＧＣＩＢから得られる中性ビームを用いて照射されたサンプルを示す。中性ビームは、２×１０^１５ガスクラスタイオン／ｃｍ^２の量の３０ｋＶ加速と等価の熱エネルギー線量で照射した（等価性はビーム熱エネルギー束センサによって決定した）。どちらのサンプルの照射も、ビームを送信させる約５０ミクロン径の円形孔列を有するコバルトクロム近接マスクを通じて実行した。図１３Ａは、マスクを通じてフルビームを照射したサンプルの３００ミクロン×３００ミクロン領域の走査電子顕微鏡写真である。図１３Ｂは、マスクを通じて中性ビームを照射したサンプルの３００ミクロン×３００ミクロン領域の走査電子顕微鏡写真である。図１３Ａに示すサンプルは、マスクを通過したフルビームによって生じた損傷とエッチングを示している。図１３Ｂに示すサンプルには視覚的影響は見られない。生理食塩水溶液での溶出速度テストでは、図１３Ｂのサンプル（マスクなし）のように処理されたサンプルは、図１３Ａのサンプル（マスクなし）のように処理されたサンプルよりも優れた（遅延された）溶出速度を発揮した。この結果は、中性ビームでの処理が所望の遅延溶出効果に寄与する一方、フルＧＣＩＢ（荷電成分と中性成分）での処理がエッチングによる薬剤の重量損失に寄与して、劣った（遅延されない）溶出速度効果をもたらすという結論を裏付けている。

加速ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームが薬剤の表面への付着を助け、薬剤溶出を遅延させるように薬剤を改質する機能をさらに説明するため、追加のテストを実行した。薬剤蒸着基板として使用するために、約１ｃｍ×１ｃｍ（１ｃｍ^２）のシリコンクーポンを良好に研磨された清浄な半導体シリコンウェハから作製した。薬剤ラパマイシン（米国マサチューセッツ州ウォバーン０１８０１、ＬＣ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ社のカタログ番号Ｒ−５０００）の溶液を、アセトン２０ｍｌにラパマイシン５００ｍｇを溶解させることによって形成した。次に、ピペットを使用して、各クーポン上に薬剤溶液を約５マイクロリットル滴投与した。溶液の大気中蒸発と真空乾燥後、約５ｍｍ径の円形ラパマイシンが各シリコンクーポン上に沈着した。クーポンは、未照射の群（対照群）と、異なる条件の中性ビームで照射される群とに分割された。その後、群はヒト血漿の別々の槽（クーポン毎に１槽）に４．５時間置かれて、薬剤を血漿中に溶出させた。４．５時間後、クーポンを血漿槽から取り出して、イオン除去水ですすぎ、真空乾燥させた。プロセス中の以下の段階で重量測定を行った。１）蒸着前の清浄なシリコンクーポンの重量、２）蒸着および乾燥後のクーポンと沈着した薬剤の合計重量、３）各クーポンの照射後の重量、４）血漿溶出および真空乾燥後の重量。したがって、クーポン毎に、以下の情報が入手可能である。１）各クーポンに沈着した薬剤の最初の重量、２）各クーポンの照射中に失われた薬剤の重量、３）血漿溶出中に失われた薬剤の重量。各照射クーポンに関して、照射中に失われた薬剤はごくわずかであることが確認された。ヒト血漿中の溶出中の薬剤損失を表１に示す。群は以下のとおりである。対照群−照射していない。群１−３０ｋＶのＶ_Ａｃｃで加速したＧＣＩＢから得られる中性ビームを照射した。群１に照射されたビームエネルギー量は、３０ｋＶで加速された５×１０^１４ガスクラスタイオン／ｃｍ^２線量のエネルギー量と等価である（エネルギーの等価性はビーム熱エネルギー束センサを用いて決定した）。群２−３０ｋＶのＶ_Ａｃｃで加速したＧＣＩＢから得られる中性ビームを照射した。群２に照射されたビームエネルギー量は、３０ｋＶで加速された１×１０^１４ガスクラスタイオン／ｃｍ^２線量のエネルギー量と等価である（エネルギーの等価性はビーム熱エネルギー束センサを用いて決定した）。群３−２５ｋＶのＶ_Ａｃｃで加速したＧＣＩＢから得られる中性ビームを照射した。群３に照射されたビームエネルギー量は、２５ｋＶで加速された５×１０^１４ガスクラスタイオン／ｃｍ^２線量のエネルギー量と等価である（エネルギーの等価性はビーム熱エネルギー束センサを用いて決定した）。

表１が示すように、中性ビーム照射（群１〜３）のすべてのケースに関して、４．５時間のヒト血漿中への溶出中に失われた薬剤は、未照射対照群よりもずっと少なかった。つまり、中性ビーム照射は、未照射薬剤と比較して薬剤の付着性が向上する、および／または溶出速度が低下する。ｐ値（異種非対性Ｔテスト）は、対照群と比較して中性ビーム照射群１〜３のいずれも、ヒト血漿への溶出後の薬剤保持の差は統計上有意であった。

図１５Ａ〜１５Ｃは、半導体用途で通常採用されるような、単結晶シリコンウェハへのフルビーム（荷電成分と未荷電成分）と荷電分離ビームの効果を比較する図である。シリコン基板は約１．３ｎｍの最初の自然酸化物層を有する。シリコン基板は、フルＧＣＩＢ（荷電成分と中性成分）、ＧＣＩＢから得られる中性ビーム（荷電成分は偏向によってビームから除去される）、中性成分からの分離後にＧＣＩＢの荷電成分のみを備える荷電クラスタビームを用いて別々に処理した。３つの条件はすべて、９８％Ａｒと２％Ｏ_２の混合物から形成される３０ｋＶ加速ＧＣＩＢという同じ最初のＧＣＩＢ条件を使用した。３つの各ビームで、照射線量は２×１０^１５ガスクラスタイオン／ｃｍ^２のイオン線量でフルビーム（荷電成分と中性成分）によって担持される総エネルギーと合致させた。各ビームのエネルギー束速度は熱センサを用いて測定し、プロセス期間は各サンプルがフル（荷電成分と中性成分）ＧＣＩＢ線量の総熱エネルギー量と等しい総熱エネルギー量を受け取るように調節した。これら３つのサンプルは、切り出した後、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により撮像して評価した。

図１５Ａは、フルＧＣＩＢ（荷電ビームおよび中性ビーム成分）によって照射されたシリコン基板の断面を示すＴＥＭ画像１０００である。照射は画像の上部から画像の下部に向かう方向でシリコン基板に入射した。ＴＥＭ撮像用の切出し前に、シリコン基板上面（照射面）をエポキシ保護膜で被覆して、切出しプロセス中の切出し動作を簡易化し、基板の損傷を防止した。ＴＥＭ画像１０００では、エポキシ保護膜１００６は画像の最上部に示される。照射によって、シリコンと酸素を含有し、約４．６ｎｍの最小厚を有するアモルファス領域１００４が形成された。照射プロセスの結果として、約４．８ｎｍのピークツーピーク変動（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ ｖａｒｉａｔｉｏｎ）を有する粗界面１００８が、アモルファス領域１００４とその下の単結晶シリコン１００２との間に形成された。

図１５Ｂは、ＧＣＩＢの分離された荷電成分（荷電部分のみ）で照射されたシリコン基板の断面のＴＥＭ画像１０２０である。照射は画像の上部から画像の下部に向かう方向でシリコン基板に入射した。ＴＥＭ撮像用の切出し前に、シリコン基板上面（照射面）をエポキシ保護膜で被覆して、切出しプロセス中の切出し動作を簡易化し、基板の損傷を防止した。ＴＥＭ画像１０２０では、エポキシ保護膜１０２６は画像の最上部に示される。照射によって、シリコンと酸素を含有し、約１０．６ｎｍの最小厚を有するアモルファス領域１０２４が形成された。照射プロセスの結果として、約５．９ｎｍのピークツーピーク変動を有する粗面１０２８が、アモルファス領域１０２４とその下の単結晶シリコン１０２２との間に形成された。

図１５Ｃは、中性部分（荷電成分は偏向によって分離され除かれる）で照射されたシリコン基板の断面のＴＥＭ画像１０４０である。照射は画像の上部から画像の下部に向かう方向でシリコン基板に入射した。ＴＥＭ撮像用の切出し前に、シリコン基板上面（照射面）をエポキシ保護膜で被覆して、切出しプロセス中の切出し動作を簡易化し、基板の損傷を防止した。ＴＥＭ画像１０４０では、エポキシ保護膜１０４６は画像の最上部に示される。照射によって、シリコンと酸素を含有し、約３．０ｎｍの略均一厚を有するアモルファス領域１０４４が形成された。照射プロセスの結果として、原子規模でピークツーピーク変動を有する平滑界面１０４８が、アモルファス領域１０４４とその下の単結晶シリコン１０４２との間に形成された。

図１５Ａ〜１５Ｃに示す処理結果が示すように、半導体用途において、電荷分離によって加速ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用することで、フルＧＣＩＢまたはＧＣＩＢの荷電部分のみを使用するときよりも照射処理領域と照射未処理領域との間に優れた界面が得られる。また、データは、ＧＣＩＢから得られる中性ビームを用いて平滑な均一酸化物膜がシリコン上に形成できることと、このような膜が従来のＧＣＩＢの使用にしばしば伴う粗界面を生じないことも示している。特定の理論に縛られることなく、この改善はおそらくビームからの中間サイズのクラスタの排除、あるいはすべてまたは大部分のクラスタの排除から生じていると考えられる。

図１６は、本発明の一実施形態により中性ビームを用いて実行されるシリコン基板への浅ホウ素注入の二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）深さプロファイル（ｄｅｐｔｈ ｐｒｏｆｉｌｅ、深さ方向）測定結果を示すグラフ１０６０である。このグラフは、ｎｍ単位で測定される深さの関数として、ホウ素原子／ｃｃ（原子／ｃｍ^３）で測定されるホウ素濃度１０６２をプロットしている。図４に示す装置と類似の装置を用いて、９９％Ａｒと１％ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）の混合物から３０ｋＶ加速ＧＣＩＢを形成した。貯留チャンバ圧は８０ｐｓｉ（５．５×１０^５Ｐａｓｃａｌ）、ノズル流量は２００標準ｃｍ^３／分（３．３標準ｃｍ^３／秒）であった。フルビーム電流（偏向による分離前の荷電成分と中性成分）は約０．５５マイクロアンペア（μＡ）であった。ビーム路内の圧力は約６．９×１０^−５Ｔｏｒｒ（９．２×１０^−３Ｐａｓｃａｌ）で維持され、その圧力を形成する背景ガスはほぼアルゴン／ジボランであった。加速器とワークピースとの間の領域のアルゴン／ジボランガスターゲット厚は約２．２３×１０^１４アルゴン／ジボランガスモノマー／ｃｍ^２であり、加速中性ビームがターゲットでほぼ完全解離中性モノマーから成ることが観察された。静電偏向によって、すべての荷電粒子はビーム軸から離れ、ビームから外へ偏向され、略完全に解離された中性ビームを形成した。したがって、中性ビームは、加速中性アルゴン／ジボランモノマービームであった。熱センサを使用して線量測定を実行し、中性ビームが与えるエネルギーが、荷電粒子と未荷電粒子の両方（電荷分離による中性化なし）を含む加速（３０ｋＶ）ＧＣＩＢによる６．３×１０^１４ガスクラスタイオン／ｃｍ^２照射線量と等価になるように、シリコン基板に加えられる総中性ビーム線量を較正した。図１６に示す深さプロファイルが示すように、ＧＣＩＢから得られる中性ビームから生じる中性ビームホウ素イオン注入は結果的に極浅ホウ素注入となる。１０^１８ホウ素原子／ｃｍ^３濃度深さから推定される接合深さは、約１２ｎｍと非常に浅い深さである。深さに対するホウ素量の積分は約７．９４×１０^１４ホウ素原子／ｃｍ^２の面密度を示す。

図１７は、ＧＣＩＢから得られる中性部分（荷電成分は偏向によって分離され除かれる）によって照射されたシリコン基板の断面を示すＴＥＭ画像１１００である。図４に示す装置と同様の装置を使用して、３０ｋＶ加速ＧＣＩＢをＡｒ９９％とジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）１％の混合物から形成した。貯留チャンバ圧は８８ｐｓｉ（６．０５×１０^５Ｐａ）、ノズル流は２００標準ｃｍ^３／分（３．３標準ｃｍ^３／秒）であった。フルビーム電流（偏向による分離前の荷電成分と中性成分）は約０．５５マイクロアンペア（μＡ）であった。ビーム路内の圧力は約６．８×１０^−５Ｔｏｒｒ（９．０７×１０^−３Ｐａ）で維持され、その圧力を生成する背景ガスは実質上アルゴン／ジボランであった。したがって、加速器放出孔とワークピース間の領域のアルゴン／ジボランガスターゲット厚は約２．２×１０^１４アルゴン／ジボランガスモノマー／ｃｍ^２であり、加速中性ビームはターゲットでほぼ完全解離中性モノマーから成ることが観察された。静電偏向を利用して、すべての荷電粒子がビーム軸から離れビームを出るように偏向され、ほぼ完全に解離された中性ビームを形成した。よって、中性ビームは加速モノマー中性アルゴン／ジボランビームであった。熱センサを使用して線量測定を実行し、中性ビーム蒸着エネルギーが、荷電粒子と未荷電粒子の両方（電荷分離による中性化なし）を含む加速（３０ｋＶ）ＧＣＩＢによる１．８×１０^１４ガスクラスタイオン／ｃｍ^２の照射線量と等価になるようにシリコン基板に加えられる総中性ビーム線量を較正した。照射は、画像の上部から画像の下部に向かう方向でシリコン基板に入射した。ＴＥＭ撮像用の切出し前に、シリコン基板の上面（照射面）をエポキシ保護膜で被覆して、切出し作業を簡易化し、切出しプロセス中の基板の損傷を回避した。再度図１７を参照すると、ＴＥＭ画像１１００では、エポキシ保護膜１１０６は画像の上部に示される。照射によって、約１．９ｎｍの略均一厚を有するシリコンとホウ素を備えるアモルファス領域１１０４が形成された。原子規模でのピークツーピーク変動を有する平滑界面１１０８が、照射プロセスの結果として、アモルファス領域１１０４とその下の単結晶シリコン１１０２との間に形成されている。ドーパントや歪み誘発種などを導入するための従来技術による半導体材料のＧＣＩＢ照射は、図１５Ａに示す界面１００８のように、処理された膜とその下の基板との間に粗界面を形成することが既知である。半導体にホウ素を有効にドープするためにジボランを採用して、ドープされた膜とその下の基板との間に高品質な界面が形成できることが分かっている。他のドーパントおよび／または格子歪み種、ドーパントの固体可溶性限度を高める種、または表面非晶質化を促進する種を含有する他のガスを使用することによって、ビーム内の中間サイズのクラスタイオンが粗界面を形成することのある従来のＧＣＩＢ技術と比べて、膜と基板間に優れた界面を有する高品質膜を取得することができる。ドーパントを導入するために単独でまたは混合物内で採用することのできるドーパント含有ガスの例は、限定ではないが、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、三フッ化ホウ素（ＢＦ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）、五フッ化リン（ＰＦ_５）、アルシン（ＡｓＨ_３）、五フッ化ヒ素（ＡｓＦ_５）であり、ドーパント原子をガスクラスタに組み込むために採用することができる。格子歪み種を導入するために単独でまたは混合物内で採用することのできるガスは、ゲルマン（ＧｅＨ_４）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）、シラン（ＳｉＨ_４）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ_４）、メタン、（ＣＨ_４）である。非晶質化を促進するために単独でまたは混合物内で採用することのできるガスは、限定ではないが、アルゴン（Ａｒ）、ゲルマン（ＧｅＨ_４）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）、フッ素（Ｆ_２）である。ドーパントの可溶性を向上させるために単独でまたは混合物内で採用することのできるガスは、ゲルマン（ＧｅＨ_４）と四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）である。ドーパント含有ガス、格子歪み種含有ガス、非晶質化種含有ガス、および／またはドーパントの可溶性を向上させるガス含有種（および任意の不活性ガスまたはその他のガス）を、加速中性ビームプロセスによる恩恵と組み合わせる同時形成のために混合物に採用することができる。図１７では、数値の指示子１１０８を対象と結ぶ引き出し線の色を変えて、異なる背景を有する図面内の領域上でコントラストを維持している。

図１８は、ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いてシリコン基板上の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜をエッチングしてシリコン基板をエッチングした後に得られる深さプロファイル測定グラフ１２００を示す。図４に示す装置と類似の装置を用いて、アルゴンを用いて３０ｋＶ加速ＧＣＩＢを形成した。貯留チャンバ圧は２８ｐｓｉ（１．９３×１０^５Ｐａ）、ノズル流は２００標準ｃｍ^３／分（３．３標準ｃｍ^３／秒）であった。フルビーム電流（偏向による分離前の荷電成分と中性成分）は約０．５０マイクロアンペア（μＡ）であった。加速器とワークピース間の領域のアルゴンガスターゲット厚は約１．４９×１０^１４アルゴンガスモノマー／ｃｍ^２であり、加速中性ビームはターゲットでほぼ完全解離中性モノマーから成ることが観察された。静電偏向によって、すべての荷電粒子はビーム軸から離れ、ビームから外へ偏向され、中性ビームを形成した。したがって、中性ビームは実質上、加速中性アルゴンモノマービームであった。熱センサを使用して線量測定を実行し、中性ビームが与えるエネルギーが、荷電粒子と未荷電粒子の両方（電荷分離による中性化なし）を含む加速（３０ｋＶ）ＧＣＩＢによる２．１６×１０^１６ガスクラスタイオン／ｃｍ^２照射線量と等価になるように、シリコン基板に加えられる総中性ビーム線量を較正した。シリコン基板上の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜（約０．５ミクロン［μｍ］厚）はポリイミド膜テープの幅狭（約０．７ｍｍ幅）ストリップで部分的にマスクした後、加速中性ビームを照射した。照射後、ポリイミドテープを除去した。再度図１８を参照すると、粗面計のＴＥＮＣＯＲ Ａｌｐｈａ−ｓｔｅｐ２５０を使用して、（シリコン基板上の）ＳｉＯ_２膜の表面に沿う方向で、ポリイミド膜テープでマスクされた領域全体にわたる加速中性ビームから生じるエッチングによるステッププロファイル測定することによって深さプロファイル測定グラフ１２００が作製されている。台部１２０２はポリイミド膜下のＳｉＯ_２膜の未エッチング表面（膜の除去およびクリーニング後）を表し、領域１２０４はエッチング部分を表す。加速中性ビームは約２．４ミクロン（μｍ）のエッチング深さを生成し、０．５ミクロンのＳｉＯ_２膜全体と、その下の結晶シリコン基板に追加の１．９ミクロンをエッチングし、深さプロファイル測定グラフ１２００に示すステップを生成した。アルゴンおよびその他の不活性ガスを原料ガスとして使用し、物理的手段によってエッチングしてもよい。反応性原料ガスまたは混合物中に反応性ガスを組み込んだ原料ガスを使用することによって、中性ビームを使用する反応性エッチングを実行することもできる。単独で、または不活性ガスとの混合物で使用することのできる標準的な反応性ガスは、（限定ではなく）酸素（Ｏ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、フッ素（Ｆ_２）、塩素（Ｃｌ_２）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、テトラフルオロメタン（ＣＦ_４）、その他の凝縮性ハロゲン含有ガスである。

図１９Ａおよび１９Ｂは、ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを照射することによる結晶半導体材料中のアモルファス層の生成を示すＴＥＭ画像である。ＴＥＭ撮像用の切出し前に、各サンプルの上面をエポキシ保護膜で被覆して、切出し作業を簡易化し、切出しプロセス中の表面損傷を回避した。むき出しのシリコンが曝露されると、自然酸化物が空気中または水中で自発的に形成される。

図１９Ａは、自然ＳｉＯ_２の膜を有するシリコン基板の断面のＴＥＭ画像１２２０である。ＴＥＭ画像１２２０では、エポキシ保護膜１２２６は画像の上部に示される。薄（約１．３ｎｍ）自然酸化物膜１２２４は下にあるシリコン基板１２２２上に示される。

図１９Ｂは、ＧＣＩＢから得られる加速アルゴン中性ビームによるシリコン基板の照射の結果を示すＴＥＭ画像１２４０である。図１９Ａに示す自然酸化物と類似する自然酸化物膜を有するシリコンウェハをフッ化水素酸の１％水溶液で洗浄して自然酸化物を除去した。洗浄したシリコン基板に、アルゴンから形成される３０ｋＶの加速ＧＣＩＢ（荷電成分は偏向によってビームから除去されている）から得られる中性ビームを照射した。熱センサを用いて中性ビームによって与えられる総エネルギーをフル５×１０^１４ガスクラスタイオン／ｃｍ^２ビームのエネルギーと合致させることによって、照射線量のエネルギーを５×１０^１４ガスクラスタイオン／ｃｍ^２のイオン線量でフルビーム（荷電成分と中性成分）によって担持される総エネルギーと合致させた。再度図１９Ｂを参照すると、ＴＥＭ画像１２４０は、エポキシ保護膜１２４６と、加速中性ビーム照射によって形成されるシリコン表面の２．１ｎｍ厚のアモルファス膜１２４４と、その下に位置する結晶シリコン基板材料１２４２とを示す。照射プロセスの結果、原子規模のピークツーピーク変動を有する平滑界面１２４８がアモルファス膜１２４４とその下の結晶シリコン材料１２４２との間に形成された。このことが示すように、貴ガスのアルゴン（Ａｒ）を採用して、結晶半導体材料にアモルファス層を形成することができる。本発明の実施形態で加速中性ビームを形成する際に採用することによってアモルファス層を形成するその他のガスは（限定ではなく）キセノン（Ｘｅ）、ゲルマン（ＧｅＨ_４）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）を含む。上記原料ガスは、単独でまたはアルゴンまたはその他の貴ガスとの混合物内で使用することができる。図１９Ｂでは、数値の指示子１２４８を対象と結ぶ引き出し線の色を変えて、異なる背景を有する図面内の領域上でコントラストを維持している。

図２０Ａおよび２０Ｂは、ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームによるシリコン上の酸化物膜の成長を示すＴＥＭ画像である。ＴＥＭ撮像用の切出し前に、各サンプルの上面をエポキシ保護膜で被覆して、切出し作業を簡易化し、切出しプロセス中の表面損傷を回避した。

図２０Ａは、ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームによるシリコン基板の照射結果を示すＴＥＭ画像１２６０である。図１９Ａに示す自然酸化物と類似する自然酸化物膜を有するシリコンウェハをフッ化水素酸の１％水溶液で洗浄して自然酸化物を除去した。その後、洗浄したむき出しのシリコン基板に、９８％Ａｒと２％Ｏ_２の原料ガス混合物から形成される３０ｋＶの加速ＧＣＩＢ（荷電成分は偏向によってビームから除去されている）から得られる中性ビームを照射した。照射中性ビーム線量は、２．４×１０_１３ガスクラスタイオン／ｃｍ^２のイオン線量で３０ｋＶ加速ＧＣＩＢとエネルギー的に等価であった（エネルギーの等価性はビーム熱エネルギー束センサによって決定される）。再度図２０Ａを参照すると、ＴＥＭ画像１２６０は、エポキシ保護膜１２６６と、加速中性ビーム照射によって形成されるシリコン表面の２ｎｍ厚の酸化物膜１２６４、その下に位置する結晶シリコン基板材料１２６２とを示す。照射プロセスの結果、原子規模のピークツーピーク変動を有する平滑界面１２６８が酸化物膜１２６４とその下の結晶シリコン材料１２６２との間に形成された。図２０Ａでは、数値の指示子１２６８を対象と結ぶ引き出し線の色を変えて、異なる背景を有する図面内の領域上でコントラストを維持している。

図２０Ｂは、ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームによるシリコン基板の照射結果を示すＴＥＭ画像１２８０である。図１９Ａに示す自然酸化物と類似する自然酸化物膜を有するシリコンウェハをフッ化水素酸の１％水溶液で洗浄して自然酸化物を除去した。その後、洗浄したむき出しのシリコン基板に、９８％Ａｒと２％Ｏ_２の原料ガス混合物から形成される３０ｋＶの加速ＧＣＩＢ（荷電成分は偏向によってビームから除去されている）から得られる中性ビームを照射した。照射中性ビーム線量は、４．７×１０^１４ガスクラスタイオン／ｃｍ^２のイオン線量で３０ｋＶ加速ＧＣＩＢとエネルギー的に等価であった（エネルギーの等価性はビーム熱エネルギー束センサによって決定される）。再度図２０Ｂを参照すると、ＴＥＭ画像１２８０は、エポキシ保護膜１２８６と、加速中性ビーム照射によって形成されるシリコン表面の３．３ｎｍ厚の酸化物膜１２８４と、その下に位置する結晶シリコン基板材料１２８２とを示す。照射プロセスの結果として、原子規模のピークツーピーク変動を有する平滑界面１２８８が、酸化物膜１２８４とその下の結晶シリコン材料１２８２との間に形成された。このことが示すように、酸素を備える中性ビームを採用して、半導体材料の表面に酸化物層を形成することができる。成長した膜の厚さは、照射線量の変更によって変更することができる。加速中性ビームを形成する際に他の反応種を備える原料ガスを使用することによって、他の種類の膜を半導体またはその他の表面に成長させることができる。たとえば（限定ではなく）、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）、またはアンモニア（ＮＨ_３）を単独でまたはアルゴン（Ａｒ）またはその他の貴ガスとの混合物内で採用することができる。図２０Ｂでは、数値の指示子１２８８を対象と結ぶ引き出し線の色を変えて、異なる背景を有する図面内の領域上でコントラストを維持している。

図２１は、ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いてダイヤモンド様炭素膜をシリコン基板に蒸着した後に取得される深さプロファイル測定グラフ１３００を示す。図４に示す装置と類似の装置を用いて、１０％メタン（ＣＨ_４）と９０％アルゴンとの原料ガス混合物から３０ｋＶ加速ＧＣＩＢを形成した。加速中性ビームはターゲットで、ほぼ完全解離中性モノマーから成ることが観察された。静電偏向によって、すべての荷電粒子はビーム軸から離れ、ビームから外へ偏向され、中性メタン／アルゴンビームを形成した。したがって、中性ビームはほぼ加速中性メタン／アルゴンモノマービームであった。熱センサを使用して線量測定を実行し、中性ビームが与えるエネルギーが、荷電粒子と未荷電粒子の両方（電荷分離による中性化なし）を含む加速（３０ｋＶ）ＧＣＩＢによる２．８マイクロアンペアガスクラスタイオン／ｃｍ^２照射線量が与えるエネルギーと等価になるように、シリコン基板に加えられる総中性ビームを較正した。シリコン基板をポリイミド膜テープの幅狭（約１ｍｍ幅）ストリップで部分的にマスクした後、基板とマスクに加速中性ビームを３０分照射して、ダイヤモンド様炭素膜を蒸着した。照射後、マスクを除去した。再度図２１を参照すると、粗面計のＴＥＮＣＯＲ Ａｌｐｈａ−ｓｔｅｐ２５０を使用して、シリコン基板の表面に沿う方向で、ポリイミド膜テープでマスクされた領域全体にわたる加速中性ビームによる蒸着から生じるステッププロファイルを測定することによって深さプロファイル測定グラフ１３００が作製されている。平坦領域１３０２はポリイミド膜の下のシリコン基板の最初の表面（膜除去およびクリーニング後）を示し、領域１３０４は蒸着されたダイヤモンド様炭素部分を示す。加速中性ビームは約２．２ミクロン（μｍ）の蒸着厚を生成し、深さプロファイル測定グラフ１３００に示すステップを生成した。蒸着速度はＧＣＩＢ電流のマイクロアンペア／ｃｍ^２毎に約０．４５ｎｍ／秒であった（エネルギーの等価性は本段落で上述したように熱センサを用いて決定した）。他の試験では、アルゴン中のＣＨ４の５％混合物および７．５％混合物が同じ結果をもたらしたが、原料ガス中のＣＨ_４の割合が低いほど蒸着速度は低かった。ガス混合物と線量の選択によって、所定厚の膜を反復可能に蒸着できる。単独またはアルゴンまたはその他の貴ガスとの混合物内のＣＨ_４は、加速中性モノマービームを用いて炭素を蒸着するのに有効な原料ガスである。加速中性モノマービームを用いる膜蒸着のために単独でまたは不活性ガスとの混合物中で使用可能なその他の典型的なガスは（限定ではなく）ゲルマン（ＧｅＨ_４）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）、シラン（ＳｉＨ_４）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ_４）である。

図２２は、光学ウィンドウ、ディスプレイおよび／またはタッチスクリーン基板、顕微鏡スライド、カバーガラス、フィルタなどの用途に一般的に採用されるホウ珪酸塩光学ガラス（Ｃｏｒｎｉｎｇ型０２１１）の従来のようにクリーニングおよび摩耗されたサンプル表面の５００ｎｍ×５００ｎｍ領域を評価した原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による典型的マップ１３２０を示す。表面は０．２７ｎｍの平均粗度Ｒ_Ａを有し、約数ｎｍの高さの多数の凹凸１３２２を有する。総ピークツーバレー偏差（ｔｏｔａｌ ｐｅａｋ−ｔｏ−ｖａｌｌｅｙ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ，最大値から最小値までの合計の偏差）は約４ｎｍ以上である。

加速ＧＣＩＢから得られる略完全解離中性ビームによって上記表面を処理した結果、大幅な平滑化および平坦化が達成され、総ピークツーバレー偏差が低減される。Ｃｏｒｎｉｎｇ型０２１１の光学ガラスの従来のようにクリーニングおよび摩耗されたサンプルに、アルゴン原料ガスから形成される３０ｋＶ加速ＧＣＩＢ（荷電成分は偏向によってビームから除去している）から得られた中性ビームを照射した。照射中性ビーム線量は、１×１０^１４ガスクラスタイオン／ｃｍ^２のイオン線量で３０ｋＶ加速ＧＣＩＢとエネルギー的に等価である（エネルギーの等価性はビーム熱エネルギー束センサによって決定した）。

図２３は、中性ビーム照射ガラスの表面の５００ｎｍ×５００ｎｍ領域のＡＦＭによる評価から得られるマップ１３４０である。表面の平均粗度Ｒ_Ａは未照射材料の粗度の約半分の０．１３ｎｍである。表面はほぼ凹凸がない。総ピークツーバレー偏差は、未照射光学表面の約半分の約２ｎｍである。

荷電成分の未荷電成分からの分離によって加速ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームは、半導体処理分野の多くの用途で使用できることが立証されており、照射によって形成される層とその下の半導体との界面が極めて平滑であり、従来のＧＣＩＢ照射で得られる結果よりも優れているという追加の利点を備える。

ＧＣＩＢまたは中性ビーム処理から恩恵を受けるもう１つの光学用途は、光学膜の光学基板への接着問題に関連する。光学装置は一般的には各種薄膜で被覆することによって改良されて、性能を強化または向上させる。このような光学膜は保護コーティング、反射防止コーティング、高反射コーティング、またはそれらの組み合わせとして採用されて、ダイクロイック薄膜光学フィルタを生成することができる。コーティングは薄金属膜（たとえば、アルミニウムまたは金）、誘電体膜（たとえば、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、または金属酸化物）であってもよく、あるいは、帯電防止特性を強化する、またはディスプレイやタッチ感知構造用の電極としての機能を果たす導電膜であってもよい。上記薄膜コーティングは、物理蒸着（ＰＶＤ）法またはその目的に適したその他の従来技術を用いて蒸着されることが多い。一般的な問題は、大抵の場合、このような膜が基板または次の層との強力な界面を形成しないために、所望されるように良好に接着できない場合があるということである。ＰＶＤやその他の従来技術によって貼付されるコーティングは、基板材料との相違点のために基板材料と強力な結合を形成しないことが多いために問題が生じる。ＧＣＩＢまたは中性ビーム処理を使用して、（光学装置またはその他のオプティカルコーティング上の）光学基板に従来技術により塗布されるコーティングよりもずっと強力に接着される薄膜コーティングを生成することができる。より高い接着性能を達成するため、ＧＣＩＢまたは中性ビームを使用して、最初のシードコーティングを基板と強力に一体化される界面層に変換した後、界面層上に所望の厚さの最終コーティングを形成することができる。ＧＣＩＢと中性ビームのどちらも多くの状況下で採用可能であるが、基板またはコーティングが誘電性材料または低導電性材料である場合、イオンビーム処理に固有の電荷転送による損傷を回避するため、上記の利点を有する中性ビームが好ましい。ＧＣＩＢと中性ビーム処理の両方とも、従来のモノマーイオンビームでしばしば発生する大きな表面下損傷なしにコーティングの接着性を向上させることができる。

図２４Ａ〜２４Ｄは、ＧＣＩＢまたは中性ビーム技術によって光学基板に強力に付着されるオプティカルコーティングの形成に関する本発明の実施形態のステップを示す概略図である。図２４Ａは、ＰＶＤなどの従来技術によって予め貼付されているオプティカルコーティング材料１４０４の極薄膜コーティングを有する光学基板１４０２を示す概略図１４００である。オプティカルコーティング材料１４０４と、従来の接着特性（目的の用途に不適である場合もある）を有する光学基板１４０２との間に界面１４０６が存在する。基板１４０２およびオプティカルコーティング材料１４０４の厚さは必ずしも等縮尺ではない。ＧＣＩＢおよび中性ビームは、ビーム源材料、使用されるビーム加速度ポテンシャル、ビームに存在するクラスタのサイズ範囲（ただし、完全解離中性ビームでは、クラスタは存在しない）に依存する貫通特徴を有する。解離中性ビームはたとえば、約１〜３ｎｍの標準的なオプティカルコーティング材料への貫通深さを有することができる一方、クラスタを含有するＧＣＩＢおよび中性ビームは約２〜２０ｎｍの貫通深さを有することができる（いずれもコーティング材料とビームパラメータに依存する）。本発明の本実施形態の方法では、オプティカルコーティング材料１４０４の厚さは、実際的な標準パラメータのビームがオプティカルコーティング材料１４０４の全体厚を貫通し、さらに光学基板１４０２も短距離（約１〜数ｎｍ）貫通するように選択される。

図２４Ｂは、ＧＣＩＢまたは中性ビームであるビーム１４１２でのオプティカルコーティング材料１４０４の照射を示す概略図１４１０である。ビーム１４１２の特徴は、オプティカルコーティング材料１４０４に入射するビーム１４１２中の粒子の少なくとも一部が完全に貫通するようにオプティカルコーティング材料１４０４の厚さと併せて選択される。ビームは従来の界面１４０６を貫通して、約１〜数ｎｍの距離、光学基板１４０２も通過する。照射ＧＣＩＢ線量または中性ビーム線量はたとえば少なくとも５×１０^１３イオン／ｃｍ^２のたとえば３０ｋＶ加速ＧＣＩＢである、あるいは中性ビームの場合、たとえば少なくとも５×１０^１３ガスクラスタイオン／ｃｍ^２のイオン線量を有する３０ｋＶ加速ＧＣＩＢとエネルギー的に等価である（エネルギーの等価性はビーム熱エネルギー束センサによって決定される）。

図２４Ｃは、上述の照射から生じる構造を示す概略図１４２０である。ビームとオプティカルコーティング材料１４０４の薄膜との相互作用により、原子がオプティカルコーティング材料１４０４から光学基板１４０２内へと追い込まれて混合物領域１４２２を形成する。この領域では、オプティカルコーティング材料１４０４の原子と光学基板１４０２が密に混合され、オプティカルコーティング材料原子の濃度勾配は混合物領域の上側領域では高くなり、混合物領域の下側領域ではゼロに近づく。混合物領域１４２２の上側領域内の類似原子がオプティカルコーティング材料１４０４の原子との強力な結合を促進する結果、オプティカルコーティング材料１４０４は従来の界面１４０６（図４Ａに示す）の場合よりもずっと強力に光学基板に接着する。オプティカルコーティング材料１４０４の厚さは必然的に、ビームを貫通させて混合物領域１４２２を形成させる厚さに制限され、所望のオプティカルコーティング特性にとって薄くなりすぎる場合がある。このような場合、所望のオプティカルコーティング特性を得るために追加のオプティカルコーティング材料を蒸着する必要がある。

図２４Ｄは、オプティカルコーティング材料１４０４とオプティカルコーティング材料１４３２との正味厚さを所望の光学効果に必要な厚さまで増大させるオプティカルコーティング材料１４３２の追加蒸着層を示す概略図１４３０である。材料１４０４と材料１４３２は共通して同じ材料であるが、２つの材料が相互に強力な接着を形成する限り、異なる材料とすることもできる。ある場合では、材料１４０４は光学基板材料と上側材料１４３２のいずれとも異なるが、材料１４０４は基板と上側材料の両方と化学結合するように選択することができる一方、上側材料と光学基板は相互に生来の親和性を有していなくてもよい。２つの材料（材料１４０４と材料１４３２）が同一である場合、原子の類似性は通常、従来の界面１４０６（図２４Ａに示す）で生じるよりもずっと強力な接着を２つの層間にもたらす。

ＧＣＩＢまたは中性ビーム処理から恩恵を受けるもう１つの用途は、材料の大気劣化の問題に関連する。たとえば、光学装置およびその他の装置が共通して採用する材料は、非常に望ましい光学的特徴を有するが、通常の大気条件下にさらされたときに劣化しやすい特徴も有する。これにより、大気曝露を回避するのに実用的でない場合、有用性や有効保管寿命または有効貯蔵寿命が制限される。上記材料は、表面酸化、大気水分の吸収、または大気界面での材料表面のその他の反応によって劣化することがある。その具体例が、多くの非線形光学（ＮＬＯ）用途にとって好適な材料である三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ＬｉＢ_３Ｏ_５である。ＮＬＯ用途では、ＬＢＯはその他の利用可能な材料よりも性能が優れていることが多い一方で、吸湿性を有するため、大気またはその他の供給源からの水分吸収によって劣化するという欠点も備える。これにより、多くの用途、または制限された大気中貯蔵寿命のせいで材料の実際の利用前に劣化が生じるその他の用途において、材料の有効寿命が限られる。従来は、追加表面コーティングが採用されて、防湿バリアを提供することによって水分吸収率を低減していた。しかしながら、これらは、必要とされるほど常に有効とは限らず、特に光学出力密度が高い用途（たとえば、レーザ用途）では、コーティングが剥げたり、あるいはそれ以外の形で劣化したりして、時間の経過と共に効果を失うことがある。上述したように、このようなコーティングの接着は、膜接着の向上を目的として上述したＧＣＩＢおよび加速中性ビーム技術を採用することによって向上させることができる。しかしながら、ＧＣＩＢまたは加速中性ビーム照射を採用すると、表面の反応性および／または水分感受性を低減させる薄バリアを形成する可能性がある。照射によって形成されるバリアは、所望に応じて、後で塗布する従来のバリアコーティングと組み合わせて使用することができる。ＧＣＩＢと中性ビームのどちらも多くの状況で採用可能であるが、使用される材料は誘電性または低導電性材料であり、イオンビーム処理に固有の電荷輸送による損傷を防ぐという利点のため、中性ビームが好ましい。ＬＢＯ表面は、標準的な周囲大気状況に直接さらされると迅速に劣化する。ＬＢＯ表面の加速中性ビーム照射はこうした劣化を大幅に遅延させる。

図２５Ａおよび２５Ｂは、大気曝露による劣化を示す未処理ＬＢＯ光学コンポーネントの表面の原子間力顕微鏡マップである。

図２５Ａは、従来のように空調された建物内の標準的な実験室の周囲大気に（１時間未満）曝露された未被覆ＬＢＯ光学コンポーネントの表面を示す。マップは、結晶の標準的な１ミクロン×１ミクロンの正方形領域を示す。線形の谷状特徴は、従来のように摩耗された表面に残る傷である。吸湿性ＬＢＯ材料の大気曝露による表面劣化の開始を示す無数の凸部が見られる。表面は約０．３０ｎｍの平均粗度Ｒａを呈する。

図２５Ｂは、同じ実験室周囲大気への１００時間の曝露後の同じＬＢＯ材料のピースの標準的な１ミクロン×１ミクロンの正方形領域を示す。表面劣化は、表面で成長する凸部の範囲と高さが増大したせいで大幅に進んだ表面劣化が見られる（平均粗度Ｒａは約３．５８ｎｍまで増加した）。

図２６Ａおよび２６Ｂは、ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いて処理されたＬＢＯ光学コンポーネントの表面の原子間力顕微鏡マップであり、大気曝露による劣化が軽減されている。

図２６Ａは、図２５Ａに示すものと同じ未被覆ＬＢＯ光学コンポーネントのピースの表面を示す。従来どおり空調された建物内の実験室周囲大気に短時間（１時間未満）曝露した後、表面の一部を加速中性ビーム照射で処理した。照射ステップ後、図２６Ａに示す照射部分の原子間力顕微鏡画像を測定した。このマップは、照射直後の結晶の照射部分の標準的な１ミクロン×１ミクロンの正方形領域を示す。線形の谷状の傷はもはや識別できず、表面は約０．２６ｎｍの平均粗度Ｒａを示す。表面の照射部分は、３０ｋＶのＶ_Ａｃｃで加速されたアルゴンＧＣＩＢから得られる中性ビームで照射した。中性ビームは、５×１０^１８アルゴン原子／ｃｍ^２の線量の中性原子で照射した。他の実験が示すように、２．５×１０^１７アルゴン原子／ｃｍ^２程度の低い線量の中性原子が有効である（もしくは、有効ＧＣＩＢ線量は、同様の加速と、同様の線量のアルゴン原子を提供するクラスタイオンサイズと線量の組み合わせを有する）。

図２６Ｂは、同じ実験室周囲大気での１００時間の継続的曝露後の、同じＬＢＯ材料のピースの標準的な１ミクロン×１ミクロンの正方形領域を示す。表面劣化はほとんど進行しておらず、平均粗度Ｒａは約０．２９ｎｍである。中性ビーム照射は水分吸収およびおそらくはその他の形状の劣化に対するバリアとして機能する浅表面改質をもたらし、吸湿性ＬＢＯ光学材料の機能上の有効寿命を延長させる。大気曝露の１００時間の最後に、照射面は、わずか１時間の大気曝露後の元の材料と等しい、あるいはそれよりも優れた品質を発揮している。

中性ビーム処理から恩恵を受ける別の用途は、より堅い、より熱に強い、より損傷しにくい、より耐熱性が高い、高い化学的特性を有する、様々な格子定数を有する、次の層成長のためのベースとして機能することができる、次の材料の蒸着のための基板として機能することができる（格子整合または接合向上）、シリコン基板上の炭化ケイ素半導体層としての役割を果たす、あるいはその他の形でシリコン基板を改良する表面を提供するために、シリコン基板上にＳｉＣまたはＳｉＣ_Ｘ（０．０５＜Ｘ＜３）層を形成することに関連する。

図２７Ａは、シリコン基板１５０２を示す概略図１５００であり、該シリコン基板は単結晶シリコン基板であり、半導体製造に使用される際には高純度とすることができる。シリコン基板１５０２の厚さは必ずしも等縮尺で示していない。中性ビームは、ビーム源材料、使用されるビーム加速度ポテンシャル、ビーム内に存在するクラスタのサイズ範囲（ただし、完全解離中性ビームには、クラスタは存在しない）に依存する貫通特徴を有する。解離中性ビームがたとえば、標準的なオプティカルコーティング材料では約１〜３ｎｍの貫通深さを有する一方、クラスタを含有する中性ビームは、（ターゲット材料とビームパラメータに応じて）約２〜２０ｎｍの貫通深さを有することができる。

図２７Ｂは、中性ビーム（好ましくは解離中性ビーム）であるビーム１５１２によるシリコン基板１５０２の照射を示す概略図１５１０である。ビーム１５１２の特徴（加速度ポテンシャル、線量、原料ガスなど）は、ビームがシリコン基板１５０２を所定の所望の深さまで貫通して、注入領域内のＣ：Ｓｉ比をシリコン原子当たり約０．０５〜約３炭素原子とするのに適した炭素原子量を注入するように選択される。炭素含有原料ガス（好ましくはメタン）が、ビームに炭素原子を供給するために使用される。注入は、所望の厚さと炭素：シリコン原子比を有する注入層（非晶質化させてもよい）を形成する。照射中性ビーム線量と加速度ポテンシャルにとって好適な範囲は、たとえば、ガスクラスタイオンから中性ビームまたは解離中性ビームを形成する前に、５〜５０ｋＶ加速度ポテンシャルを用いて加速されたガスクラスタイオン加速から形成される約１×１０^１４〜約５×１０^１６炭素原子／ｃｍ^２（中性メタンクラスタおよび／またはモノマーを含むビームの場合）である。

図２７Ｃは、上述の照射から生じる構造を示す概略図１５２０である。シリコン基板１５０２の表面とビームとの相互作用によって、炭素原子と水素原子をシリコン基板１５０２に注入し、注入層１５２２を形成する。注入層では、炭素原子とシリコン基板１５０２が混合されている。ビームからの水素原子は揮発性を有し、注入層から脱出して、層内に炭素とシリコン原子を残す。注入層は炭素原子によって乱され、炭素：シリコン比が十分に高い場合は非晶質化することができる。

図２７Ｄは、熱処理ステップ後の注入層１５２２（図２７Ｃ）に及ぼす熱処理（アニーリング）の効果を示す概略図１５３０である。熱処理は好ましくは、アルゴン雰囲気またはその他の不活性雰囲気下で、（既知の技術にしたがい）注入損傷をアニール処理し、注入炭素を格子置換場所に移動させる十分な温度−時間処理を提供できる炉または放射加熱装置を用いて実行される。アニール処理された熱処理層１５３２は略結晶状に復元される。

中性ビーム処理から恩恵を受けるもう１つの用途は、シリコン装置の製造過程で適用可能なフォトレジストレスリソグラフィ、あるいは装置の製造過程でパターンを転送するリソグラフィを使用し、カーバイド表面の形成によって硬化される（特に熱供給が限定される微細加工の場合）その他の材料およびプロセスの実際的な方法として、シリコン基板にＳｉＣまたはＳｉＣ_Ｘ（０．０５＜Ｘ＜３）層を形成することに関する。図２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ、２８Ｅ、２８Ｆ、２８Ｇは、一部の装置の高度微細加工に必要とされるフォトレジストを使用せずに、ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを使用して、基板にハードマスクパターンを形成するプロセスのステップを示す概略図である。

図２８Ａは、アモルファスまたは単結晶シリコン基板であり、半導体装置の製造またはその他の微細加工で使用されるように高純度とすることができる（たとえば）シリコン基板１６０２を示す概略図１６００である。シリコン基板１６０２の厚さは必ずしも等縮尺ではない。接触テンプレート１６０４はシリコン基板１６０２に接触してシリコン基板１６０２上に配置される。接触テンプレート１６０４の開口は、基板１６０２の以後のパターン処理のために基板１６０２に転送することが望ましいパターンを担持する。

図２８Ｂは、中性ビーム（好ましくは解離中性ビーム）であるビーム１６１２でのシリコン基板１６０２の照射を示す概略図１６１０である。ビーム１６１２の特徴（加速度ポテンシャル、線量、原料ガスなど）は、該ビームが接触テンプレート１６０４の開口を通過して、シリコン基板１６０２を所定の所望の深さまで貫通し、注入領域におけるシリコン原子当たり約０．０５〜約３炭素原子（好ましくは、シリコン原子当たり約０．５〜１．５炭素原子）のＣ：Ｓｉ比に適した量の炭素原子を注入するように選択される。炭素含有原料ガス（好ましくはメタン）を使用して、ビームに炭素原子を供給する。注入は、（約１〜約３ｎｍの極浅範囲に収まるようにビーム加速と線量を予め選択することによって制御可能である）所望の厚さと、シリコン基板１６０２上のパターン範囲および／または領域１６１４における所望の炭素：シリコン原子比とを有する注入層（アモルファス層とすることができる）を形成する。照射中性ビーム線量と加速度ポテンシャルの範囲はたとえば、ガスクラスタイオンから中性ビームまたは解離中性ビームを形成する前に、５〜５０ｋＶ加速度ポテンシャルでのガスクラスタイオンの加速から形成される約１×１０^１４〜約５×１０^１６炭素原子／ｃｍ^２である（中性メタンクラスタおよび／またはモノマーを備えるビームの場合）。シリコン基板１６０２上への炭素含有パターン範囲および／または領域１６１４の形成後、接触テンプレート１６０４は追加処理を行う前に除去される。シリコン基板１６０２は、炭素含有パターン範囲および／または領域１６１４の形成後、任意で熱処理してもよい。任意の熱処理は好ましくは、アルゴン雰囲気またはその他の不活性雰囲気下で、照射損傷をアニール処理し、領域１６１４での結晶化を促進するために十分な温度−時間処理（既知の技術にしたがう）を提供することができる炉または放射加熱装置を用いて実行される。

図２８Ｃは、パターンテンプレートのための別の構成を示す概略図１６２０である。接触テンプレートではなく、突出テンプレート１６２２が、ビーム１６１２でのシリコン基板１６０２の照射中にシリコン基板１６０２から離れて配置される。ビーム１６１２中の中性粒子はテンプレート１６２２の開口を通過して、シリコン基板１６０２を照射して、注入範囲および／または領域１６１４を形成し、そこでシリコン基板１６０２を所定の所望の深さまで貫通するため、注入領域におけるシリコン原子当たり約０．０５〜約３炭素原子（好ましくは、シリコン原子当たり約０．５〜１．５炭素原子）のＣ：Ｓｉ比に適した量の炭素原子を注入する。シリコン基板１６０２上の炭素含有パターン範囲および／または領域１６１４の形成後、突出テンプレート１６２２は追加処理の前に除去される。シリコン基板１６０２は、炭素含有パターン範囲および／または領域１６１４の形成後、任意で熱処理してもよい。任意の熱処理は好ましくは、アルゴン雰囲気またはその他の不活性雰囲気下で、照射損傷をアニール処理し、領域１６１４での結晶化を促進するために十分な温度−時間処理（既知の技術にしたがう）を提供することができる炉または放射加熱装置を用いて実行される。

図２８Ｂまたは２８Ｃに示すような炭素含有パターン範囲および／または領域の形成後、それらをエッチングマスクとして使用して、基板のさらなる処理を制御する。

図２８Ｄは、上記図２８Ｂまたは２８Ｃに示すパターニングから生じる構造のその後の処理を示す概略図１５３０である。第２のビーム、好ましくは中性ビームまたは解離中性ビーム１６３４は、範囲および／または領域１６１４および非照射面の両方を含む基板表面をエッチングするために使用することができる。範囲および／または領域１６１４が堅くおよび／または密になるほど、未照射面よりもビームエッチングに対する耐性が高まり、未照射面は範囲および／または領域１６１４よりも優先的に（より迅速に）エッチングされる。ビーム１６３４は好ましくは、中性化および分離前に１０〜７０ｋＶの加速度のアルゴンＧＣＩＢから形成されたアルゴン中性ビームまたは解離中性ビームである。上記ビームは、中性ビームエネルギーとＳｉＣの品質に依存する、通常は約１０：１または２０：１のシリコン対ＳｉＣの差動エッチング率を有する。３０ｋＶの加速の場合、発明者らは１６：１を測定し、５０ｋＶの加速の場合、約８：１を測定した（Ｓｉ：ＳｉＣ_Ｘエッチング率）。ビーム１６３４によるエッチングは、図２８Ｄに示すように、範囲および／または領域１６１４をより堅くおよび／または密になるように最小限にエッチングしながらシリコン基板１６０２に溝部１６３２を形成するように制御される。アルゴン中性ビームまたは解離中性ビームを使用するエッチングを説明したが、Ｓｉ：ＳｉＣの好ましい差動エッチング率を有する従来のエッチング方法を採用して溝部１６３２を形成できると理解される。

図２８Ｅは、図２８Ｄに示すものとは別のエッチング技術を示す概略図１６４０である。図２８Ｅでは、エッチングビーム１６４２は、範囲および／または領域１６１４をより堅くおよび／または密になるように完全にエッチングして、純基板１６０２の材料から成る上面に台部１６４４と溝部１６３２を残すように制御される。アルゴン中性ビームまたは解離中性ビームを使用するエッチングを説明したが、Ｓｉ：ＳｉＣの好ましい差動エッチング率を有する従来のエッチング方法を採用して溝部１６３２を形成できると理解される。

図２８Ｆは、溝部エッチング後にハードマスク層を形成するステップを示す概略図１６５０である。従来の（好ましくは低温）方法を使用して、基板１６０２上にハードマスク（たとえば二酸化ケイ素）層１６５２を形成して台部１６４４と溝部１６３２を覆う。必須ではないが、望ましくは、ハードマスク層１６５２の厚さは、溝部１６３２の深さよりもわずかに大きい。以後の処理のためにハードマスクとして良好に機能する非汚染材料であることを条件として、二酸化ケイ素以外の材料を採用することができる。酸化物形成後、基板表面は、ＣＭＰ（化学機械研磨）などの従来のプロセスによって平坦化される。

図２８Ｇは、ＣＭＰ平坦化後の構造を示す概略図１６６０である。ハードマスク領域１６６４は、表面平坦化構造において露出シリコン基板１６０２材料の範囲１６６２と交互に並ぶ。状況によっては、高置のシリコン台部が望ましい場合、これが最終ステップとなり、処理後のパターンではシリコンが露出する。他のプロセスでは、上部のシリコン表面がハードマスク領域１６６４の下部と同一面に位置することが望ましい場合がある。このような場合、追加のエッチングが必要である。

図２８Ｈは、追加のエッチングステップ後の構造を示す概略図１６７０である。酸化物よりも迅速にシリコンをエッチングするのに好ましい差動エッチング率を有する従来のエッチングステップが採用される。たとえば、Ｃｌ_２またはＣＣｌ_２Ｆ_５あるいは類似のプラズマ材料を用いるプラズマエッチングである。エッチングの終点をシリコン基板１６０２の上面の平坦化の出現と一致させるように制御することによって、ハードマスク１６６４の開口におけるシリコンの表面１６７２がシリコン基板１６０２の上面と平坦になり、図示される構造が得られる。

本発明の実施形態はシリコン半導体材料に関して説明したが、発明者らにとっては、ゲルマニウムなどの他の半導体材料や、ＩＩＩ−Ｖ属およびＩＩ−ＶＩ属および関連材料を限定なく含む化合物半導体などにも同等に適用可能であると理解され、本発明の範囲はこれらの材料を含むことが意図される。発明者らにとっては、本発明の実施形態は、シリコン半導体ウェハを用いる平滑化、エッチング、膜成長、膜蒸着、非晶質化、ドーピングなどのプロセスに有益であると例示目的で示されているが、本発明の恩恵はむき出しの半導体表面で行われるプロセスに限定されず、電気回路、電気機器、光学素子、集積回路、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置（およびその一部）、従来の最新技術を使用してシリコン基板、その他の半導体基板、その他の材料の基板上に一般的に構築されるその他の装置の一部を処理するためにも同等に有益であると理解され、本発明の範囲は上記の用途を含むことを目的とする。

荷電を伴わない処理のために本発明の中性ビームを適用する恩恵を、絶縁薬剤コーティングなどの各種電気絶縁および／または非導電材料、酸化物および窒化物などの誘電体膜、絶縁腐食抑制コーティング、ポリマー、有機膜、ガラス、セラミックの処理に関連して説明したが、発明者らにとっては、不十分または低い導電率のすべての材料が、イオンビームやプラズマなどの電荷転送処理技術の処理の代替として本明細書に開示される中性ビームを使用することから恩恵を得られると理解され、本発明の範囲は上記材料を含むことが意図される。さらに、発明者らにとっては、中性ビーム処理は荷電特性の低減のために有益であるだけではなく、多くの導電性材料の処理にとっても有益であると理解され、中性ビーム処理、特に中性モノマービーム処理のその他の利点は、金属や高導電材料においても、表面損傷の軽減、平滑化の向上、処理領域とその下の未処理領域間の平滑な界面が実現されることである。本発明の範囲はこのような材料の処理を含むことが意図される。

荷電を伴わない処理のために本明細書に開示の中性ビームを適用する恩恵を、様々な絶縁材料および／または非導電材料の処理に関連して説明したが、発明者らにとっては、荷電なしの中性ビーム処理の恩恵は、絶縁層上のまたは絶縁基板に蒸着されるコーティング、層、またはその他の形状で存在する導電性、半導性、あるいはわずかに導電性を有する材料の処理にも同等に適用されると理解され、少なくともわずかに導電性を有する材料は、電荷転送処理技術を用いる処理によって生じる表面電荷を除去するための確実なアース接続またはその他の経路を備えていない。このような場合、処理中の少なくともわずかに導電性を有する材料の荷電が、その材料やその下の絶縁材料に損傷を及ぼすことがある。荷電と損傷は、本発明の中性ビーム処理の使用によって回避することができる。発明者らは、本発明の範囲が、少なくともわずかに導電性を有する材料が絶縁材料に重なるこのような異種材料構造の処理も含むことを意図する。

本発明を各種実施形態に関して説明したが、本発明は、本発明の主旨と範囲内で幅広い追加のおよびその他の実施形態を可能にすると認識すべきである。

Claims (20)

1. 基板表面にパターンハードマスクを形成するフォトレジストレス方法であって、
   減圧チャンバを設けるステップと、
   炭素原子を備えるガスクラスタイオンを備えるガスクラスタイオンビームを前記減圧チャンバ内に形成するステップと、
   前記ガスクラスタイオンを加速して、前記減圧チャンバ内にビーム路に沿って加速ガスクラスタイオンビームを形成するステップと、
   前記ビーム路に沿って前記加速ガスクラスタイオンの少なくとも一部の破砕および／または解離を促進するステップと、
   前記ビーム路から荷電粒子を除去して、前記減圧チャンバ内に前記ビーム路に沿って加速中性ビームを形成するステップと、
   パターンテンプレートと前記基板を前記減圧チャンバに挿入するステップと、
   前記ビーム路に前記基板を保持するステップと、
   前記パターンテンプレートの開口を通じて前記加速中性ビームで照射することによって前記基板の表面の一部を処理し、前記表面の照射部分に炭素原子を注入することによって前記表面の照射部分に硬化および／または高密度化炭素含有パターン層を形成するステップと、
   前記基板を前記テンプレートから分離するステップと、
   前記炭素含有パターン層を有する表面に第１のエッチングを行って、前記表面の非炭素含有部分中の材料を優先的に除去して１以上の溝部と１以上の台部を形成するステップと、
   前記台部と溝部全体にハードマスク層を形成するステップと、
   前記溝部ではなく前記台部から前記ハードマスク層を除去して前記ハードマスク層を平坦化するステップと、
   任意で、前記ハードマスク層をマスクとして使用して前記表面に第２のエッチングを行って、基板材料を除去するステップと、を備える方法。
2. 前記除去ステップが、前記ビーム路から略すべての荷電粒子を除去する、請求項１の方法。
3. 前記除去ステップ後、前記基板を熱処理するステップをさらに含む、請求項１の方法。
4. 前記中性ビームが前記ガスクラスタイオンビームからのガスを主成分とする、請求項１の方法。
5. 前記促進ステップが、前記ガスクラスタイオンビームの形成の際にイオン化効率を加速または向上させるステップにおいて加速電圧を上昇させることを含む、請求項１の方法。
6. 前記促進ステップが、前記加速ガスクラスタイオンビーム中のイオンの速度範囲を増加させることを含む、請求項１の方法。
7. 前記促進ステップが、前記ガスクラスタイオンビームの形成に使用される１以上のガス成分を前記減圧チャンバに導入して、前記ビーム路に沿って圧力を増大させることを含む、請求項１の方法。
8. 前記促進ステップが、放射エネルギーを有する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を照射することを含む、請求項１の方法。
9. 前記ワークピースの表面の少なくとも一部を処理する前記中性ビームが、１ｅＶ〜数千ｅＶのエネルギーを有するモノマーからほぼ成る、請求項１の方法。
10. 前記処理ステップが、前記基板を走査して、前記表面の拡張領域を前記加速中性ビームで処理することをさらに備える、請求項１の方法。
11. 前記基板が結晶またはアモルファスシリコンを備える、請求項１の方法。
12. 前記処理ステップがＳｉＣ_Ｘ（０．０５＜Ｘ＜３）の層を形成する、請求項１の方法。
13. 前記ハードマスク層が二酸化ケイ素を備える、請求項１の方法。
14. 前記第１のエッチングステップがアルゴンを備える第２の加速中性ビームを採用する、請求項１の方法。
15. 前記第２のエッチングステップがＣｌ_２またはＣＣｌ_２Ｆ_５プラズマエッチング技術を採用する、請求項１の方法。
16. 前記加速ステップが、５〜５０ｋＶの電位を通じて前記ガスクラスタイオンを加速させる、請求項１の方法。
17. 前記処理ステップが、１×１０^１４〜５×１０^１６イオン／ｃｍ^２の所定の線量まで炭素原子を注入する、請求項１の方法。
18. 前記炭素含有パターン層が約１〜約３ｎｍの厚さを有する、請求項１の方法。
19. 前記第２のエッチングステップが、前記基板表面を前記ハードマスク領域の底部と共面にさせる、請求項１の方法。
20. 請求項１の前記ステップによって形成される基板表面上のパターンハードマスク。