JP4416632B2 - ガスクラスターイオンビーム照射装置およびガスクラスターのイオン化方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスクラスターイオンを被加工物に照射して所望の加工を行うガスクラスターイオンビーム照射装置およびガスクラスターをイオン化させる方法に関する。

従来、電気デバイスの表面洗浄、イオン注入による表面改質、または薄膜形成などを目的として各種の気相反応方法が開発され、例えば、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いる。しかしながらこれらの方法では、被加工物の表面を損傷または劣化させる程度が比較的大きくなる場合があり、この問題を改善するためにガスクラスターをイオンビームとして被加工物に照射するガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）技術の開発が進められている。ここで、「ガスクラスター」とは、ガスの原子または分子が塊状に複数集合したものであり、「ガスクラスターイオン」とは、ガスクラスターがイオン化したものである。さらに、「ガスクラスターイオンビーム」とは、複数のガスクラスターイオンがビーム状となったものである。

特許文献１には、このようなガスクラスターイオンビームを目的物に照射する装置が開示されている。以下、図６を参照しながらこの装置の構成について説明する。

図６に例示された装置は、被加工物に対し精密研磨加工を行う装置であり、排気ポンプ５１１、５１２がそれぞれ接続された２つの真空室５０１、５０２を有している。ガスボンベ５０３から供給されたソースガスは、超音速でノズル５０４から噴射され、断熱膨張によってガスクラスターを生成する。生成されたガスクラスターは、スキマー５０５を通過する際にビーム状に整えられてイオン化部５０７に供給される。このイオン化部５０７では、フィラメント５０６を加熱したときに発生する熱電子をガスクラスターに衝突させることでイオン化が行われ、これによりガスクラスターはガスクラスターイオンとなる。ガスクラスターイオンは、次いで、加速部５０８において電界により加速され、さらに、減速電界部５０９において減速電界によりクラスターの大きさが選別される。選別されたガスクラスターイオンは、加速部５１３において再度加速され、高電圧が印加された被加工物５１０に向けて照射される。

このような構成の精密研磨加工装置においては、被加工物５１０に照射されたガスクラスターイオンがその衝突により壊れる際に、集合した構成原子（または分子）は被加工物５１０の表面に広がるように分散する。したがって、被加工物５１０の表面に対する横方向の研磨（「ラテラルスパッタリング」とも言う）を良好に行うことができる。

なお、上記文献の他にも、特許文献２、３にはガスクラスターイオンビームを利用した薄膜形成方法が開示されている。さらに特許文献４には、熱電子がガスクラスターに勢いよく衝突するように、フィラメントをガスクラスターの照射経路近傍に配置した構成が開示されている。
特開平８−１２０４７０号公報 特開平８−１２７８６７号公報 特開平９−４１１２２号公報 特表２００３−５２０３９３号公報

しかしながら、フィラメントを利用してイオン化を行う構成の場合、ガスクラスター用のガスに例えば反応性ガス（例えば、ＳＦ₆、Ｏ₂）を使用すると、それらのガスの影響により、フィラメントが早期に損耗してしまうという問題があった。またこの問題は、フィラメントがガスクラスターの照射経路近傍に配置されている場合により顕著なものとなる。こうしたフィラメント損耗の問題は、照射装置において正常な動作を長期にわたって行うことができないことを意味する。また、他の観点からみれば、フィラメント交換のために費やされる時間は生産性低下の原因ともなる。

さらに、フィラメントからの熱電子によってガスクラスターをイオン化させる構成では、その効率が比較的低く、例えばフィラメント形状を工夫することによって多少の改善はみられるものの十分なものではなかった。

そこで、本発明の目的は、長期にわたって正常な動作を行うことができるガスクラスターイオンビーム照射装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、ガスクラスターのイオン化を効率よく行うことができる、ガスクラスターイオンビーム照射装置およびガスクラスターのイオン化方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明のガスクラスターイオンビーム照射装置は、ガスクラスターを生成してスキマーを通過させた後に、イオン化されたガスクラスターを加速部にて加速すると共に該ガスクラスターを被加工物に向けて照射するガスクラスター生成照射手段と、前記ガスクラスターに対し電子を照射して前記ガスクラスターをイオン化させるイオン化手段とを有するガスクラスターイオンビーム照射装置において、前記イオン化手段は、前記スキマーと前記加速部との間に設けられ、前記電子を照射する電子銃であり、前記スキマーと前記加速部との間にて、前記ガスクラスターの照射方向に対向する方向から、前記電子を前記ガスクラスターに衝突させるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明のガスクラスターのイオン化方法は、スキマーと加速部との間に設けられた電子銃から照射された電子をガスクラスターに衝突させて前記ガスクラスターをイオン化させる工程と、前記加速部にてイオン化された前記ガスクラスターを加速する工程と、を有する。前記ガスクラスターは所定方向に移動するものである。前記イオン化させる工程は、前記ガスクラスターがスキマーを通過した後で、かつ、前記加速部に到達する前に、前記所定方向に対向する方向から、前記電子を前記ガスクラスターに衝突させることを含むものである。

上述したように本発明の照射装置によれば、ガスクラスターのイオン化に、反応性ガスにより損耗するフィラメントを用いないため、長期にわたって正常な動作を行うことができるものとなる。また、本発明は、電子銃を用いてガスクラスターをイオン化させるものであるため、フィラメントによるものと比較してガスクラスターのイオン化を効率よく行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の照射装置の概略構成を示す側面図である。

図１に示すように、照射装置５０は、被加工物である基板１０が配置される加工室９と、加工室９に隣接して設けられたイオン化室５との２つの真空室を有している。加工室９およびイオン化室５のそれぞれには不図示の排気ポンプが接続されており、これにより両方の室内が真空状態となるように構成されている。

イオン化室５の一側面側（図示右側）には、ガスクラスターを噴射するノズル３が配置されている。ノズル３は、具体的には、ガス導入管１が接続されたクラスター生成室２に取り付けられている。これらの構成要素は、後述するように、ガスクラスターを生成すると共に、そのガスクラスターを被加工物１０に向けて噴射するものである。

イオン化室５の上記一側面には、ノズル３に対向してスキマー４が形成されている。スキマー４は、ノズル３から噴射されたガスクラスター群のうち、その中央付近のガスクラスターを通過させることでガスクラスターの流れをビーム状にするための構造部である。図１では、ガスクラスター流８の方向が白抜き矢印にて示されており、その方向は被加工物１０の表面に対して垂直となっている。

なお、照射装置５０において使用可能なガスとしては、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の不活性ガス、およびＣＦ₄、ＳＦ₆、O₂、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃等の反応系ガスが挙げられる。具体的な例としては、ＳＦ₆を２％程度混合したO₂、またはＳＦ₄を２％程度混合したO₂あってもよいし、Ｃｌ₂を４％程度混合したＡｒ、またはＢＣｌ₃を３％程度混合したＡｒであってもよい。さらに、被加工物１０は、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ダイヤモンド基板、またはガラス基板などであってもよい。

イオン化室５の内部には、電子銃１２、加速部６、分離部７、およびニュートライザ１６が、ガスクラスター流８の上流側から順に配置されている。なお、本実施形態の照射装置５０は、ガスクラスターをイオン化させるための手段を、従来のフィラメントに代えて電子銃１２としたことを主たる特徴とするものであり、加速部６、分離部７、およびニュートライザ１６については従来同様の構成を利用することが可能である。

加速部６は、例えば電極で構成されており、ガスクラスター流８に対して電界を発生させることで、ガスクラスター流８内のガスクラスターイオンを、基板１０に向けて加速させるものである。分離部７は、例えば磁石で構成されており、ガスクラスター流８に対して磁界を発生させるものである。これにより、分離部７を通過するガスクラスターイオンのうち質量が小さいもの（モノマーイオンも含む）は、この磁界の作用によって進行方向が変えられるようになっている。したがって、分離部７を通過するガスクラスターイオンは大きさの揃ったものとなる。ニュートライザ１６は、ガスクラスター流８に向けて電子を照射する電子銃で構成されており、ガスクラスターイオンを中性化させるためのものである。

次に電子銃１２の構成およびその配置について詳細に説明する。

電子銃１２は、電子を放出する陰極と、放出されたその電子を加速させて外部に発射する陽極とを備えたものであり、その種類としてはコールドカソードタイプであってもよいし、ホローカソードタイプであってもよい。

図１に示すように、電子銃１２は、ガスクラスター流８と干渉しないようにガスクラスター流８から離れた位置に配置されている。また、電子銃１２から照射された電子の進行方向とガスクラスター流８の方向とが所定の角度をなすように、傾斜した状態で配置されている。

ここで、この「所定の角度」について図５を参照して説明する。角度φは、ガスクラスター流の方向８ａに対する、電子の進行方向１２ａの角度であり、その範囲は０°＜φ＜９０°であることが好ましく、５°≦φ≦４５°であることがより好ましい。要するに、電子が、図示横方向右向きの速度成分を少なくとも有していればよい。このような電子の進行方向を、以下、「対向する方向」と称するものとする。このように、電子が、「対向する方向」から打ち込まれるように構成されていることにより、ガスクラスターのイオン化が効率よく行われるものとなる。

なお、図１の構成では電子銃１２を配置する都合上、角度φ＝０°を実現することは実質的に不可能と考えられるが、後述する第２〜第４の実施形態の構成においては実現可能となっている。また、本発明は、上記のように電子を「対向する方向」から打ち込む構成に限られるものではなく、例えば角度φ＝９０°（すなわちガスクラスター流８に垂直）で打ち込む構成であっても、後述するような、フィラメントに代えて電子銃１２を用いたことによる本発明の作用効果は得られるものである。

上述のように構成された本実施形態の照射装置５０の動作について以下に説明する。

まず、ガス導入管１から供給されたガスは、クラスター生成室２を経由してノズル３からスキマー４に向けて噴射される。ノズル３から出たガスは断熱膨張し、温度が下がることによってクラスター化する。こうして生成されたガスクラスター群は、スキマー４を通過する際にその中央付近のものが残されることによってビーム状のガスクラスター流８となる。

イオン化室５内ではガスクラスター流８対して電子銃１２から電子が照射される。これによりガスクラスター流８内のガスクラスターはイオン化し、ガスクラスターイオンとなる。こうしてイオン化したガスクラスターイオンは、加速部６において基板１０に向かってさらに加速させられる。加速部６を通過したガスクラスターイオンのうち、質量が小さいものは、分離部７において進行方向が変えられ排除される。こうして、所定のサイズに選別されたガスクラスターイオンは、ニュートライザ１６よって中性化され被加工物１０の表面に対して衝突する。本実施形態の照射装置５０は、このガスクラスターイオンの衝突を適宜利用して被加工物１０を加工するものであり、研磨加工に限らず、基板表面に薄膜を形成する薄膜形勢加工も行うことができる。

以上のように構成された本実施形態の照射装置５０によれば、まず、ガスクラスターのイオン化手段としてフィラメントに代えて電子銃１２を用いているためフィラメントの損耗の問題が解決される。すなわち、電子銃の場合、電子銃１２をガスクラスター流８から離して配置することができ、したがって、ガスによって損耗することもない。したがって、照射装置５０は、長期にわたって正常な動作を行うことができるものとなり、また、フィラメントを交換する必要もないため被加工物１０を生産性よく加工することが可能となる。また、電子銃１２からの電子によるイオン化は、フィラメントからの電子によるイオン化と比較して効率が良いという利点もある。さらに、図５に示したように、電子銃１２からの電子が、ガスクラスター流に対して、ガスクラスター流の方向に「対向する方向」から打ち込まれるようになっているため、ガスクラスターのイオン化がより効率よく行われるものとなる。なお、前述の通り、照射装置５０に使用可能なガスは反応系ガスと不活性ガスとのいずれであってもよいが、フィラメントの損耗の問題が反応系ガスを使用する際に生じるものであった点に着目すれば、本発明は反応系ガスを使用する場合に特に有用であると言える。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、電子銃１２を傾斜させて配置することで、電子をガスクラスター流の反対側から照射する構成であったが、本発明はそれに限定されるものではない。図２は、第２の実施形態の照射装置の概略構成を示す側面図である。なお、図２において、図１と同一の構造部には図１と同一の符号を付し、それらの説明は省略する。

図２に示すように、照射装置５１は、ガスクラスター流８に対して直交する方向に電子を照射するように配置された電子銃１２と、電子銃１２から照射された電子の進行方向を変えるための方向変化部材１３とを有している。方向変化部材１３は磁石で構成されており、その磁力によって、電子の進行方向を、ガスクラスター流８に対して対向する方向に曲げるものである。

このように方向変換部材１３による磁界の作用によって電子の進行方向を曲げる構成であっても、電子銃１２からの電子は第１の実施形態同様にガスクラスター流８に対して対向する方向から打ち込まれるものとなるため、第１の実施形態同様の作用効果を得ることができる。またこのような構成によれば、磁界の大きさを適宜調整することによって、電子をガスクラスター流８の真逆側から、すなわち図５に示した角度φ＝０°の方向から打ち込むことも可能となる。

（第３の実施形態）
電子銃１２から照射した電子による、ガスクラスターのイオン化の効率をさらに向上させるためには、照射装置を図３に示すような構成としてもよい。図３は、第３の実施形態の照射装置の概略構成を示す側面図である。図３において、図１と同一の構造部には図１と同一の符号を付し、それらの説明は省略する。

図３に示すように、照射装置５２は、第１の実施形態の構成と同様、ガスクラスター流８に対して電子を対向する方向から打ち込むように配置された電子銃１２と、照射された電子の進行方向を変えるための方向変化部材２３とを有している。方向変化部材２３は円環状のコイルで構成されており、ガスクラスター流８と軸線を同じくして配置されている。このコイルに電流を流すことにより磁界が発生し、この磁界により、電子がガスクラスター流８の中またはその周囲をらせん状に進行するようになっている。

このような構成によれば、電子銃１２から照射された電子が、方向変換部材２３による磁界の作用によってガスクラスター流８の中またはその周囲をらせん状に進行するものであるため、ガスクラスター流内を複数回通過することとなり、したがってイオン化の効率がより向上する。

（第４の実施形態）
第２および第３の実施形態における方向変化部材は、方向変化部材１３、２３の磁界の作用によって電子の進行方向を曲げるものであったが、本発明はそれに限らず電界の作用によって電子の進行方向を曲げるものであってもよい。図４は、第４の実施形態の照射装置の概略構成を示す側面図である。図４において、図１と同一の構造部には図１と同一の符号を付し、それらの説明は省略する。

図４に示すように、照射装置５３は、第１の実施形態の構成と同様、ガスクラスター流８に対して電子を対向する方向から打ち込むように配置された電子銃１２と、電子の進行方向を変えるための方向変化部材４３とを有している。方向変化部材４３は、それぞれガスクラスター流８を挟むようにして対向配置された２つの電極対４３ａ、４３ｂを備えており、電極対４３ａ、４３ｂ同士はガスクラスター流８方向において互いに所定の間隔をおいて配置されている。電極対４３ａ、４３ｂのそれぞれに正負逆となるようなＤＣ電圧を印加させることにより各電極対４３ａ、４３ｂ間に逆特性の電界が発生する。

このような構成によれば、電子銃１２から照射された電子が、各電極対４３ａ、４３ｂ間に発生した逆特性の電界の作用によってガスクラスター流８に対して蛇行するようにして複数回通過することとなる。したがって、電子がガスクラスターに衝突する確率が向上し、結果的にイオン化の効率がより向上する。

以上、第１〜第４の実施形態を例に挙げて本発明について説明したが、これらの実施形態に示した各構成要素は適宜組み合わされて使用されてもよい。また、図４では２つの電極対４３ａ、４３ｂが配置された構成を示したが電極対は３つ以上配置されていてもよい。

第１の実施形態の照射装置の概略構成を示す側面図である。 第２の実施形態の照射装置の概略構成を示す側面図である。 第３の実施形態の照射装置の概略構成を示す側面図である。 第４の実施形態の照射装置の概略構成を示す側面図である。 ガスクラスター流に対する電子の進行方向について説明するための図である。 従来のガスクラスターイオンビーム照射装置の構成例を示す側面図である。

符号の説明

１ ガス導入管
２ クラスター生成室
３ ノズル
４ スキマー
５ イオン化室
６ 加速部
７ 分離部
８ ガスクラスター流
８ａ ガスクラスター流の方向
９ 加工室
１２ 電子銃
１２ａ 電子の進行方向
１３、２３、４３ 方向変化部材
５０、５１、５２、５３ 照射装置

Claims (8)

1. ガスクラスターを生成してスキマーを通過させた後に、イオン化されたガスクラスターを加速部にて加速すると共に該ガスクラスターを被加工物に向けて照射するガスクラスター生成照射手段と、前記ガスクラスターに対し電子を照射して前記ガスクラスターをイオン化させるイオン化手段とを有するガスクラスターイオンビーム照射装置において、
   前記イオン化手段は、前記スキマーと前記加速部との間に設けられ、前記電子を照射する電子銃であり、前記スキマーと前記加速部との間にて、前記ガスクラスターの照射方向に対向する方向から、前記電子を前記ガスクラスターに衝突させるように構成されていることを特徴とするガスクラスターイオンビーム照射装置。
2. 前記ガスクラスターに対する前記電子の衝突方向と、前記ガスクラスターの照射方向とのなす角度φが、０°＜φ＜９０°となっている、請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
3. 前記なす角度φが、５°≦φ≦４５°である、請求項２に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
4. 前記イオン化手段は、照射した前記電子の進行方向を変化させる方向変化手段をさらに有している、請求項１から３のいずれか１項に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
5. 前記方向変化手段は磁界を発生させるものである、請求項４に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
6. 前記方向変化手段は、電界を発生させるコイルであって、該コイルは前記ガスクラスターの照射経路を囲むようにして配置されている、請求項４に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
7. 前記方向変化手段は、それぞれ前記ガスクラスターの照射経路を挟んで対向配置された２つ以上の電極対であって、該電極対同士は、前記ガスクラスターの照射方向において互いに間隔をおいて配置されている、請求項４に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
8. スキマーと加速部との間に設けられた電子銃から照射された電子をガスクラスターに衝突させて前記ガスクラスターをイオン化させる工程と、
   前記加速部にてイオン化された前記ガスクラスターを加速する工程と、を有し、
   前記ガスクラスターは所定方向に移動するものであり、
   前記イオン化させる工程は、前記ガスクラスターがスキマーを通過した後で、かつ、前記加速部に到達する前に、前記所定方向に対向する方向から、前記電子を前記ガスクラスターに衝突させることを含む、ガスクラスターのイオン化方法。

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