JP2662321B2 - 超低速クラスターイオンビームによる表面処理方法 - Google Patents

超低速クラスターイオンビームによる表面処理方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この出願の発明は、超低速クラス
ターイオンビームによる表面処理方法に関するものであ
る。さらに詳しくは、この出願の発明は、半導体、その
他電子デバイス等の表面清浄化やその改質に有用な、常
温常圧では気体状のガス物質のクラスターを用いての超
低速クラスターイオンビームによる表面処理方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来より、半導体等の電子デ
バイスの表面清浄化や、イオン注入による表面改質、あ
るいは薄膜形成などを目的に各種の気相反応方法が開発
され、たとえばスパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤ、イ
オンビーム蒸着などの方法が実用化されてきている。
【０００３】しかしながら、これら従来の方法の場合に
は、対象とする固体表面の損傷、劣化等の好ましくない
影響を避けることが難しく、高精度、高品質な電子デバ
イスの製造等にとって大きな課題となっていた。すなわ
ち、たとえば、表面清浄化の方法としてＡｒイオンなど
の不活性ガスイオンを用いて固体表面に照射し、表面に
吸着している不純物原子や酸化物をスパッタリングして
清浄化する方法が知られている。しかしながら、この従
来の方法の場合には、入射エネルギーが１００ｅＶ以下
ではイオン電流が極端に少なくなるため、入射エネルギ
ーを数ｋｅＶと高くしたイオンビームを利用しなければ
ならなかった。そのため、固体表面に欠陥を発生させた
り、あるいはＡｒが表面に注入され不純物原子となるた
め、清浄な表面が得られない等の欠点があった。また、
単原子や分子状のイオンを用いた固体表面へのイオン照
射では、固体内部にイオンが注入されるため、極く浅い
表面表層部のみの改質は困難であった。
【０００４】このため、ＵＬＳＩ等の高度エレクトロニ
クスの発展へと向うための基盤技術として、イオンビー
ムを用いながらも無損傷で固体表面を清浄化クリーニン
グし、あるいはまた、固体表面の極めて浅い表層部への
イオン注入を行うことができる新しいイオンビーム技術
の実現が強く望まれていた。この発明は、以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、従来のイオンビーム
技術の欠点を解消し、固体表面に欠陥のない無損傷表面
清浄化クリーニングや、極めて浅い表層部のみにイオン
注入層を形成することなどが可能となる新しいイオンビ
ーム表面処理方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、常温常圧では気体状の物
質を加圧し、噴出口に向って中間域でその内径が絞られ
その後内径が漸拡大している断熱膨張ノズルの噴出口よ
り真空中に該気体状の物質を噴出させて塊状原子集団ま
たは分子集団であるクラスターを形成し、これに電子を
浴びせてクラスターイオンを生成させ、加速電圧によっ
て加速して被処理固体表面に照射し、該固体表面をクリ
ーニングまたは改質することを特徴とする超低速クラス
ターイオンビームによる表面処理方法を提供する。
【０００６】また、この発明はクラスターイオンによっ
て固定表面の無損傷クリーニングを行う方法や、２〜１
０原子層程度の極めて浅い表面表層部のイオン注入を行
うことをその具体的態様の一つとしてもいる。すなわ
ち、この発明は、前記した通りの常温常圧では気体状の
物質、たとえば炭化物、酸化物、弗化物、塩化物、水素
化物、硫化物、希ガス物質およびそれらの適度な割合で
の混合気体状の物質などを用い、これら物質を、断熱膨
張ノズルより真空中に噴出させて原子または分子が塊状
に集合したクラスターを生成させ、これをイオン化した
クラスターイオンを被処理固体表面に超低速イオンビー
ムとして照射することを特徴としている。また、この発
明では、ガス状物質のクラスターの生成に際し、噴出口
に向って中間域でその内径が絞られその後内径が漸拡大
している断熱膨張ノズルを用いることを特徴としてもい
る。この場合、クラスターは、通常数百個の原子によっ
て構成されているのでたとえ印加電圧が１ｋＶでもそれ
ぞれの原子は、１０ｅＶ以下の超低速イオンビームとし
て、照射されることになる。しかも前記の断熱膨張ノズ
ルの採用によって、ガス状物質の供給圧力を変化させる
ことで、クラスターサイズ、すなわち塊状に集合してい
る原子または分子の数によるクラスターの大きさを所要
範囲のものに容易にコントロールすることを可能として
いる。
【０００７】以下、実施例を示してさらに詳しくこの発
明の超低速イオンビームによる表面処理方法について説
明する。
【０００８】
【実施例】添付した図面の図１は、この発明の超低速イ
オンビームによる表面処理装置の概略図である。この図
１に沿ってクラスターイオンビームを用いた表面クリー
ニング方法について説明すると、まずＣＯ2 や弗化物あ
るいは塩化物などの常温常圧で気体状のガスを導入孔
（１）を通してガスソース（２）にガス圧力が数気圧に
なるまで導入する。次いで、導入したガスをガスソース
（２）の先端に設けられた断熱膨張ノズル（３）から噴
射する。この時断熱膨張によって数百個の原子から成る
クラスター、すなわち塊状原子集団あるいは塊状分子集
団が形成される。このクラスターをスキマー（４）を通
じイオン化部（５）に導く。イオン化部（５）を通過す
るときにそのクラスターの一部はイオン化されクラスタ
ーイオンとなる。次いで、このクラスターイオンは加速
電極（６）及び基板ホルダー（７）に印加された負の加
速電圧によって加速され、基板（８）に衝突する。１個
のクラスターは数百個の原子から構成されているので、
印加電圧が１ｋＶでもそれぞれの原子は１０ｅＶ以下の
超低速ビームとなって基板に衝突する。
【０００９】図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、この装置のた
めの断熱膨張ノズル（３）を例示したものである。いず
れもたとえばガラス製等のノズルとすることができる。
そして、これら断熱膨張ノズル（３）は、図１および図
２（ａ）（ｂ）（ｃ）より明らかなように、いずれも、
噴出口に向って中間域でその内径が絞られ、その後内径
が漸拡大している構造を有している。たとえば図２
（ａ）（ｂ）（ｃ）のノズルを、Ｌ型ノズル（ａ）、Ｍ
型ノズル（ｂ）およびＳ型ノズル（ｃ）と呼ぶことがで
きる。ノズルの直径（ｄ1 〜ｄ3 ）および出口直径（Ｄ
1 〜Ｄ3 ）は、各々、０．１ｍｍおよび３ｍｍとなるよ
うに設計する。製造したノズル直径の実測値は次の通り
であった。
【００１０】 ｄ1 ＝０．１８ｍｍ ｄ2 ＝０．１５ｍｍ ｄ3 ＝０．１２ｍｍ また、ノズルの発散部の長さ（ｌ1 〜ｌ3 ）は、Ｌ型、
Ｍ型、Ｓ型ノズルでそれぞれ３２ｍｍ、１４ｍｍ、１０
ｍｍとした。なお、ノズルの長さや直径は、ガスの種類
によって異なり、断熱膨張によってクラスターが形成さ
れる寸法にする。また、ノズルの材料はガラス製以外の
金属製でもよい。
【００１１】図３は、このうちのＬ型ノズルから噴射し
たビームの強度分布である。ビームの強度はイオンゲー
ジによって測定した。また、スキマー（４）と断熱膨張
ノズル（３）との距離は１ｃｍに固定し、断熱膨張ノズ
ル（３）の位置をビームに垂直な方向に変化させてビー
ム強度を測定した。この図３より、ビームが中心に偏よ
った指向性ビームとなっており、その指向性はガス供給
圧力（Ｐ0 ）の増大とともに大きくなることがわかる。
【００１２】図４はＬ型ノズルを用いて、ガス供給圧力
（Ｐ0 ）を０．４気圧から３．０気圧まで変えて測定し
たＣＯ2 ビームの電子線回折パターンの強度分布であ
る。Ｓ値は、Ｓ＝（４π／λ）Ｓｉｎ２θの関係を示し
ている。この図４より、ガス供給圧力（Ｐ0 ）の増大と
ともに、それぞれのピークは大きくなっていることがわ
かる。（１１１）面からの回折ピークの半値幅とそのピ
ークの位置（回折角度）とからクラスターの大きさ、す
なわちサイズが計算できる。その計算結果を示したもの
が図５である。Ｌ型、Ｍ型、Ｓ型ノズルいずれの場合
も、クラスターサイズはガス供給圧力の増大とともに増
大していることがわかる。特に、Ｌ型ノズルでは、サイ
ズは１０００〜５０００に分布している。このようなこ
とから、断熱膨張ノズル（３）の形状、大きさを定めれ
ば、供給圧力を変化させることによりクラスターサイズ
が容易に所要の範囲にあるものにコントロールされて均
質化することがわかる。クラスターサイズの選択は、こ
の発明の表面処理において均質処理を可能とし、表面処
理についてのサイズ効果をもたらす。
【００１３】また、ＣＯ2 クラスターイオンをＳｉ基板
に照射したときの損傷効果を調べるために、このクラス
ターイオンの加速電圧を変えてＳｉ基板に照射した後、
そのＳｉ基板の屈折率をエリプソメータによって測定し
た。図６は、ＣＯ2 クラスターおよびＣＯ2 単分子のイ
オンをそれぞれ照射したＳｉ基板の屈折率と加速電圧と
の関係である。ＣＯ2 単分子の場合、屈折率は加速電圧
の増大とともに増加し、イオン照射によって表面が非晶
質状態になっていることがわかる。一方、ＣＯ2 クラス
ターイオンの照射では、屈折率は加速電圧が４ｋＶまで
ほとんど一定である。また、その値は未照射のＳｉ基板
の値と同程度あり、照射損傷は極めて小さいことがわか
る。
【００１４】図７は、ＣＯ2 クラスターイオンおよび単
分子イオンを加速電圧Ｖａ＝３ｋＶでＳｉ基板に照射し
た後、このＳｉ基板をラザフォードバックスキャタリン
グ（ＲＢＳ）法で測定した結果を示したものである。約
２８０チャネル付近のピークの面積から、損傷を受けた
Ｓｉ原子の数は、ＣＯ2 クラスターイオンの照射の場
合、未照射のＳｉ基板のピークの面積と同程度であり、
イオン照射による損傷は小さいことがわかる。なお、ク
ラスターの１分子当りの入射エネルギーは約６ｅＶで、
単分子１個当りの入射エネルギーの３ｋｅＶに比べて非
常に小さい。
【００１５】以上の結果より、クラスターイオンを用い
ることにより、基板表面への入射エネルギーは表面の原
子を変位させるために必要なエネルギーより小さくでき
るため、基板表面に欠陥は発生しないことがわかる。ま
た、基板表面に吸着した不純物原子や酸化物などの吸着
エネルギーは数ｅＶ以下であるので、基板表面に吸着し
た不純物や酸化物はスパッタされて表面から除去され
る。さらに、ＦやＣｌなどは化学的に活性であるため、
それぞれの原子が持っている運動エネルギーと併せ、加
熱しなくても固体表面の酸化物などの除去に有効であ
る。なお、クラスターイオンは、必要であれば、電界や
磁界等を用いて質量分離して基板表面に照射してもよ
い。
【００１６】このように、この発明の方法によって固体
表面に欠陥のない清浄な表面が低温でも形成できるた
め、この清浄な表面を用いた単結晶成長が可能となり、
さらにはこれらの材料を用いた電子デバイスのモノリシ
ック化にも応用でき、その効果は大きい。また、クラス
ターの基板への入射エネルギーは自由に制御できるの
で、たとえば図８に示すように、極く浅い表面表層部へ
のイオン注入による表面改質も実現できる。さらに、ガ
スによっては基板表面に堆積させ、低速イオンビームに
よる化学蒸着（ＣＶＤ）も実現できる。
【００１７】
【発明の効果】この発明により、以上詳しく説明した通
り、超低速イオンビームによって表面無損傷クリーニン
グや、表面表層部イオン注入などの高精度、高精密表面
処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のイオンビーム処理装置の一例を示し
た断面構成図である。
【図２】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、図１の装置のノ
ズルの形状を例示した断面図である。
【図３】ＣＯ2 ビームの強度分布図である。
【図４】ＣＯ2 ビームの電子線回折パターンの強度分布
図である。
【図５】クラスターサイズと供給ガス圧力との相関図で
ある。
【図６】屈折率と加速電圧との相関図である。
【図７】ＲＢＳスペクトル図である。
【図８】クラスターイオンを用いたイオン注入の概要図
である。
【符号の説明】
１ ガス導入孔 ２ ガスソース ３ ノズル ４ スキマー ５ イオン化部 ６ 加速電極 ７ 基板ホルダー ８ 基板

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 常温常圧では気体状の物質を加圧し、噴
    出口に向って中間域でその内径が絞られその後内径が漸
    拡大している断熱膨張ノズルの噴出口より真空中に該気
    体状の物質を噴出させて塊状原子集団または分子集団で
    あるクラスターを形成し、これに電子を浴びせてクラス
    ターイオンを生成させ、加速電圧によって加速して被処
    理固体表面に照射し、該固体表面をクリーニングまたは
    改質することを特徴とする超低速クラスターイオンビー
    ムによる表面処理方法。
  2. 【請求項２】 固体表面の無損傷クリーニングを行う請
    求項１の表面処理方法。
  3. 【請求項３】 固体表面の浅い表層部にイオン注入を行
    う請求項１の表面処理方法。
JP3129512A 1991-05-31 1991-05-31 超低速クラスターイオンビームによる表面処理方法 Expired - Lifetime JP2662321B2 (ja)

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