JP5667586B2 - ガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法、固体表面平坦化装置および生産方法 - Google Patents

ガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法、固体表面平坦化装置および生産方法 Download PDF

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Description

本発明は、ガスクラスターイオンビームの照射による固体表面の平坦化方法、その装置および生産方法に関する。
これまでに、電子デバイス等の表面平坦化などを目的に各種の気相反応方法が開発され、実用化されてきた。例えば、特許文献１に開示される基板表面の平坦化方法は、Ａｒ（アルゴン）ガスなどの単原子または単分子のイオンを低角度で基板表面に照射し、スパッタリングすることによって基板表面を平坦化している。
また、近年、ガスクラスターイオンビームを用いた固体表面の平坦化方法が、表面損傷が少なく、かつ、表面粗さを非常に低減できることで注目を集めている。例えば、特許文献２には、ガスクラスターイオンビームを固体表面に照射して、表面粗さを低減する方法が開示されている。この方法に拠れば、被加工物（固体）へ照射されたガスクラスターイオンが被加工物との衝突で解離崩壊し、その際、クラスター構成原子または分子と被加工物構成原子または分子との多体衝突が生じ、被加工物表面（固体表面）に対して水平方向への運動が顕著になる。この結果、被加工物表面に対して水平方向の切削が行われる。この現象は「ラテラルスパッタリング」と呼ばれている。さらに、被加工物表面に対して水平方向に粒子が運動することによって、表面の凸部が主に削られ、原子サイズでの平坦な超精密研磨が得られることになる。
また、ガスクラスターイオンビームは、イオンの持つエネルギーが通常のイオンエッチングのそれと異なってより低い。つまり、クラスター構成する原子あるいは単分子の１個当たりのエネルギーが小さい。このため、被加工物表面に損傷を与えることなく、所要の超精密研磨が可能となる。これは、ガスクラスターイオンビームによる固体表面平坦化は、前記特許文献１に示すイオンエッチングよりも加工表面損傷が少ないという利点を示すことになる。
ガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化では、被加工物表面へのクラスターイオンビーム照射方向は、その被加工表面に対して略垂直方向から照射するのが好ましい、ということが一般に認識されている。これは、先に記述した「ラテラルスパッタリングによる表面平滑化」の効果を最大限利用するためである。
なお、前記特許文献２には、曲面等の場合にはその表面状況に応じて斜め方向から照射してもよい、という記述はあるが、斜め方向から照射した場合の効果については言及していない。従って、この特許文献２では固体表面の平坦化にとって一番効率が良いのは、その表面に対して略垂直方向から照射するものである、ということになる。
また、ガスクラスターイオンビームを用いた固体表面の平坦化に関して、特許文献３にも開示例がある。この特許文献３でも、ガスクラスターイオンビームと固体表面とのなす角度と、表面平坦化との関係についての記述がなく、開示されている記述からは「ラテラルスパッタリング」効果を用いていることから考えて、前記特許文献２と同様に、垂直照射のデータが示されているものと考えられる。
また、非特許文献１にもガスクラスターイオンビーム照射による固体表面の平坦化に関する報告がなされている。Ｔｏｙｏｄａらは、Ｃｕ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの材料表面に、Ａｒクラスターイオンを照射し、表面粗さが低減することを示している。この場合でも、表面に対して略垂直方向からガスクラスターイオンビームを照射している。
また、ガスクラスターイオンビームを固体表面に対して、いろいろな照射角度で照射した場合の固体表面の粗さ変化について、非特許文献２に記述されている。固体表面に対して垂直に入射する場合を９０度（以下、角度表記を「°」をもって表す。）、この表面と平行に照射する場合を０°としたときに、表面をエッチングする速度であるスパッタ率は垂直入射のときが一番大きく、照射角度が小さくなるに従ってエッチング率も小さくなることが示されている。表面粗さと照射角度の関係については、照射角度を９０°、７５°、６０°、４５°、３０°と変化させて実験を行っており、照射角度が小さくなるに従って表面粗さは大きくなることが示されている。照射角度を３０°以下にする検討が実験的に行われていないが、そのようなことを行っても無駄と判断されたからと思われる。
また、最近になって、ガスクラスターイオンビームの固体表面に対する照射角度を３０°より小さくすると固体表面の表面粗さが著しく小さくなることが見いだされた（特許文献４参照。）。これは従来のラテラルスパッタリングによる平坦化メカニズムとは異なる「斜め照射効果」を利用しているものである。また、上記特許文献４には、ガスクラスターイオンビームと固体表面との照射角度について、複数の照射角度を用いることが述べられているが、複数の角度で順次に照射するものである。
特開平７−５８０８９号公報 特開平８−１２０４７０号公報 特開平８−２９３４８３号公報 ＷＯ２００５／０３１８３８
Jpn. J. Appl. Phys. Vol.41(2002) pp.4287-4290 Materials Science and Engineering R 34(2001) pp.231-295
上記特許文献１に開示されている、Ａｒ（アルゴン）ガスなどのイオンビームを照射してスパッタリングする平坦化方法では、固体表面に存在した凸部が優先的に削られある程度までは平坦化される一方で、固体表面の損傷を抑えるためには照射エネルギーを１００ｅＶ程度以下にする必要がある。この場合にはイオン電流が極端に少なくなり、実用的なスパッタリング速度が得られなくなっていた。加えて、固体表面に幅および高さがサブマイクロメートル（０．１μｍ〜１μｍ程度）からマイクロメートル（μｍ）オーダーのスクラッチなどの表面粗さがある場合に、上記特許文献１に開示される平坦化方法ではほとんど平坦化ができないという重大な問題点もあった。
上記特許文献２、３および４、上記非特許文献１および２などに示される、ガスクラスターイオンビームによる「略垂直入射ラテラルスパッタリング」現象に基づく平坦化方法でも、固体表面に幅および高さがサブμｍからμｍオーダーのスクラッチなどの表面粗さがある場合に、ほとんど平坦化ができないという重大な問題点があった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記の問題点に鑑み、固体表面上に存在するスクラッチやそれに類する表面粗さをガスクラスターイオンビームの照射によって低減する固体表面の平坦化方法、その装置および生産方法を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明のガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法は、固体表面に対してガスクラスターイオンビームを照射する照射過程を含むガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法であるとし、この照射過程は、固体表面のうち少なくともガスクラスターイオンビームが照射されている領域であるスポットに、複数方向からクラスターをほぼ同時に衝突させる過程を含むものとする。スポットに対する複数方向からのクラスター衝突は、複数のガスクラスターイオンビームを同時に照射することによって行われる。
上記課題を解決するために、本発明の固体表面平坦化装置は、ガスクラスターイオンビーム射出手段を複数備えており、複数のガスクラスターイオンビーム射出手段からガスクラスターイオンビームを同時に照射することによって、固体表面のうち少なくともガスクラスターイオンビームが照射されている領域であるスポットに、複数方向からクラスターをほぼ同時に衝突させるよう構成したことを特徴とする。
本発明である生産方法は、例えば上記加工方法を利用して表面が平坦化された固体を生産することを特徴とする。
本発明によれば、ガスクラスターイオンビームの照射領域であるスポットに複数方向からクラスターを衝突させることで、個々のクラスターによる種々の方向へのスパッタリングが進行する。このため、固体表面上に存在するスクラッチやそれに類する表面粗さを低減することができる。
図１Ａは、ラテラルスパッタリング現象で固体表面の平坦化が行われる様子を示した模式図である。図１Ｂは、固体表面にスクラッチ状の凸凹がある場合、ラテラルスパッタリング現象によっては平坦化されない様子を示した模式図である。 図２Ａは、ＧＣＩＢ照射によるラインアンドスペースパターン構造のライン上部付近の物質移動の様子を示した模式図である。図２Ｂは、ライン角部分における物質移動の様子を示した模式図である。図２Ｃは、一方向ＧＣＩＢ照射の場合にライン角側面に物質が停滞して平坦化が進行しない様子を示した模式図である。図２Ｄは、複数方向からＧＣＩＢ照射した場合にライン側面に物質が停滞せず平坦化が進行する様子を示した模式図である。 図３は、実施形態である固体表面平坦化装置１００の構成例を示す図である。 図４Ａは、固体表面平坦化装置１００の回転機構（その１）を示す側面図である。 図４Ｂは、固体表面平坦化装置１００の回転機構（その１）、回転機構（その２）、スキャニング機構を示す平面図である。 図５Ａは、発散ＧＣＩＢの照射とターゲットのＸ-Ｙ方向スキャニングとを組み合わせた場合に、ターゲット表面に複数方向からクラスターが到来してほぼ同時に衝突する様子を示した模式図である。図５Ｂは、発散ＧＣＩＢの照射とターゲットの回転運動とを組み合わせた場合に、ターゲット表面に複数方向からクラスターが到来してほぼ同時に衝突する様子を示した模式図である。図５Ｃは、発散していない（あるいは発散の程度が小さい）ＧＣＩＢの斜方照射とターゲットの回転運動などとを組み合わせることで、ターゲット表面に複数方向からクラスターが到来してほぼ同時に衝突する様子を示した模式図である。図５Ｄは、ターゲット表面の模式図である。 図６は、ＧＣＩＢ射出手段を複数備えた場合の固体表面平坦化装置２００の構成例を示す図である。
実施形態の説明に先立ち、平坦化原理について概説する。
従来、ガスクラスターイオンビーム（以下、「ＧＣＩＢ」ともいう。）による表面平坦化のメカニズムは、ＧＣＩＢが固体表面に照射されたときに、固体表面の物質が横方向（固体表面とおよそ平行の方向）に移動するラテラルスパッタリング現象によって、山（凸部）が削れて谷（凹部）が埋まるというものと考えられていた（例えば上記非特許文献２参照。）。このラテラルスパッタリング現象で固体表面の平坦化が行われる様子を示した模式図を図１Ａに示す。
そこで本発明者らは、固体表面に幅および高さがサブμｍからμｍオーダーのスクラッチがある場合などの平坦化現象を観察調査した。この観察調査では、ラインアンドスペースパターン構造９００をスクラッチと見立ててＧＣＩＢ照射を行った。この結果、スクラッチがあるような表面は、従来のラテラルスパッタリング現象によっては、ほとんど平坦化されないとの知見を得た。この様子を示した模式図を図１Ｂに示す。平坦化しない理由は、ラインアンドスペースパターン構造９００の符号９０１で示すライン上部（ラインアンドスペースパターン構造の突起部分〔凸部に相当〕の頂辺部付近）および符号９０２で示すスペース下部（ラインアンドスペースパターン構造の溝状部分〔凹部に相当〕の底部付近）の双方がエッチングされて、結果としてその高低差がほとんど変わらなかったことにある。換言すれば、元の表面形状と相似的にエッチングが進行したため、ほとんど平坦化しなかったのである。
そこで、ＧＣＩＢ照射によるラインアンドスペースパターン構造９００のライン上部付近（ラインの頂辺部９０１から、ラインの深さ方向の側面９０３であって、スペースの底部９０２から離れた側の側面部分にかけての部位である。）の物質移動について詳細に観察調査をした。その様子を示した模式図を図２Ａ〜図２Ｄに示す。図２Ａに示すように、ライン上部付近の物質９０４がＧＣＩＢ照射によって、ライン側面９０３を伝っていって、符号９０５で示すライン側面下部（ラインの深さ方向の側面９０３であって、ラインの頂辺部９０１から離れた側の側面部分である。）に移動している様子が観察された。このことを図２Ａの右図の破線矢印で指示している。また、ライン角（ラインの頂辺部９０１とライン側面９０３との境界付近の部位である。）には符号９０７で示すショルダーのようなもの（図２Ｂの破線囲み部分参照）も観察された。図２Ｂの右図は、図２Ｂの左図の丸囲み部分９０６を拡大した図である。図２Ｂの左図において、破線矢印はライン上部付近の物質の横移動を示している。図２Ｂの右図において、符号９０８はライン上部付近にある物質を表し、符号９０９はライン側面９０３に沿って移動した物質を表している。このような場合には、ライン上部付近の物質がスペース下部全体への広い範囲に亘って移動するわけではない。従って、ライン上部付近とスペース下部の双方とも同様にエッチングが進行して高低差がつかないこととなる。
以上の知見に基づき、ＧＣＩＢの照射条件を変えた種々の実験を行ない、ライン上部付近に存在する物質の移動を調べた。その結果、従来のＧＣＩＢの一方向照射では、図２Ｃに示すように物質がライン側面に停滞して平坦化が進行しないことがわかった。
これは、垂直照射の場合、ラインの頂辺部９０１やスペースの底部９０２に比較して、ライン側面９０３にはＧＣＩＢが照射されにくいので物質が移動しにくいためである（図２Ｃの符号Ｐ１の部分を参照のこと。）。また、斜方照射の場合、ＧＣＩＢの照射方向に向かうライン側面にはクラスターが衝突し易いが、当該ライン側面に対して向かい合う隣のライン側面にはほとんどクラスターが衝突しないためである。さらに、ライン側面９０３に停滞した物質が移動したとしてもスペース角付近（スペースの底部９０２とライン側面９０３との境界付近の部位である。）にしか移動しないため、平坦化がほとんど進行しない。
これと比較して、ＧＣＩＢを複数方向から照射した場合には、図２Ｄに示すように、物質がライン側面９０３に停滞せず平坦化が進行することがわかった。
これは、クラスターが複数の方向から到来してライン側面９０３に付着した物質（Ｐ１）に衝突するため、種々の方向にスパッタリングが進行し、物質（Ｐ１）がスペース底部９０２に移動しやすくなり、この結果、スペース底部９０２の広い範囲に亘って物質が移動するためである（図２Ｄの符号Ｐ２の部分を参照のこと。）。これは本発明者らが新たに発見した現象である。
本発明者らは、以上のことから次の知見を得た。即ち、スクラッチやそれに類する表面粗さをＧＣＩＢ照射によって低減（平坦化）するには、クラスターの衝突によって横方向に移動した固体表面の物質に更にクラスターを衝突させる（あるいは衝突させ続ける）ことが肝要であり、そのためには、ＧＣＩＢ照射領域であるスポットに複数の方向からクラスターを衝突させるのが良い。また、固体表面をできるだけ平坦化する観点から、より広い範囲に亘る物質の移動を促進するために、クラスター衝突の時間間隔はできるだけ短くし、クラスターがほぼ同時に衝突するのが良い。
つまり、ＧＣＩＢが照射されている領域（スポット）に、複数方向からクラスターを衝突させるとし、好ましくはほぼ同時のクラスター衝突を惹起せしめることで、固体表面の平坦化が早く進行する。
以下、実施形態および実施例を説明する。まず、図３を参照して、固体表面の平坦化方法を実現する固体表面平坦化装置１００の構成・機能を説明する。
ＧＣＩＢ射出手段は次のように構成される。原料ガス９がノズル１０から真空のクラスター生成室１１内に噴出させられる。クラスター生成室１１内にて原料ガス９のガス分子が凝集させられクラスターが生成する。クラスターの規模は、ノズル吐出口１０ａでのガス圧力や温度、ノズル１０の大きさや形状に基づく粒度分布で決定される。クラスター生成室１１で生成されたクラスターは、スキマー１２を通過してガスクラスタービームとしてイオン化室１３へ導入される。スキマー１２のスキマー径を大きくすることによって、ＧＣＩＢは同心円上に均一に発散するビームとなるのではなく、いろいろな角度を持ったビームが比較的ランダムに混合している状態を作り出すことができる。イオン化室１３ではイオンナイザ１４による電子線、例えば熱電子の照射が行われ、中性クラスターをイオン化する。このイオン化されたガスクラスタービーム（ＧＣＩＢ）は、加速電極１５によって加速される。従来の一般的なＧＣＩＢ射出装置では、ＧＣＩＢが発散しない平行ビームとなるように磁界収束制御器１６によってビームが収束されて、永久磁石を用いた強磁界偏向方式のクラスターサイズ制御部に導かれる。しかし、固体表面平坦化装置１００では磁界収束制御器１６でビームを収束させずに、むしろ発散させるように制御する。要するに、一般的に行うビーム収束の条件を緩和したビーム収束制御を行う。図３に示すθが２°以上になるのが好ましい。なお、図３ではＧＣＩＢがビーム中心に対称になるように示しているが、これに限定されず、ＧＣＩＢが非対称の広がりを持つようにしてもよい。次いでＧＣＩＢは、スパッタ室１７に入射する。スパッタ室１７内に設けられたターゲット支持体１８には回転ディスク４１を介してＧＣＩＢ照射対象の固体（例えばシリコン基板などである。）であるターゲット１９が固定して取り付けられている。スパッタ室１７に入射されたＧＣＩＢは、アパチャー１２１によって所定のビーム径とされてターゲット１９の表面に照射される。なお、電気的絶縁体のターゲット１９の表面を平坦化する場合などには、ＧＣＩＢを電子線照射によって中性化する。
固体表面平坦化装置１００には、ターゲット１９を回転させる回転機構（その１）が装備されている。この実施形態では一例として、ターゲット表面の法線と略平行な軸周りでターゲット１９を回転させる回転機構（その１）を示している。スポットに対して複数の方向からクラスターを衝突せしめるため、ターゲット表面の法線と略平行な軸周りで固体を回転させることに限定されず、任意の軸回りで固体を回転させるものとしてもよい。
例えば図４Ａおよび図４Ｂに示すように、この回転機構（その１）は、次のような構成になっている。ターゲット支持体１８には、軸４１ａが突出して設けられている。この軸４１ａには、軸４１ａ中心で回転可能な回転ディスク４１が取り付けられている。回転ディスク４１の平面部４１ｂにはターゲット１９が固定して載置される。また、回転ディスク４１の周縁部４１ｃには噛み合い歯が多数設けられており、この噛み合い歯は、ギア４３の歯と噛み合っている。ギア４３はモータ４２の駆動力によって回転運動をし、この回転運動が回転ディスク４１に伝達し、結果、回転ディスク４１に固定載置されたターゲット１９の回転が実現する。
固体表面平坦化装置１００には、照射角度設定手段として、ＧＣＩＢの照射角度を変化させることのできるあおり機構が装備されている。本実施形態では、このあおり機構は、照射角度を連続的に変化させることが可能なものとして回転機構で実現している。
例えば図４Ｂに示すように、固体表面平坦化装置１００は次のような回転機構（その２）を具備している。ターゲット支持体１８には回転軸２１が固着されており、ターゲット支持体１８は回転軸２１中心で回転可能となっている。そして、回転軸２１は、固定板２２ａ、２２ｂによって回転可能に支持されている。また、回転軸２１は、ギア２４ｂの回転軸中心に固着されており、ギア２４ｂにはギア２４ａが噛み合っている。ギア２４ａはモータ２３の駆動力によって回転運動をし、この回転運動がギア２４ｂ、回転軸２１に伝達し、結果、ターゲット支持体１８の回転が実現する。ターゲット支持体１８のこの回転運動は、照射角度に反映される。ところで、固定板２２ａには、回転軸２１の回転角度からターゲット支持体１８の回転角度、つまりターゲット支持体１８に取り付けられたターゲット１９の固体表面に対するＧＣＩＢの照射角度をディジタル値として検出する角度検出部２５ａが固定して取り付けられている。角度検出部２５ａで検出された回転角度情報は、電気回路部２５ｂで情報処理され、現在の検出角度（照射角度）が表示部２６の現在角度領域２６ａに表示される。
また、固体表面平坦化装置１００は、ＧＣＩＢに対するターゲット１９の相対位置を変化させられるように、例えばＸＹステージのようなスキャニング機構を装備している。
例えば、固定板２２ａ、２２ｂは、固定板支持部材２２ｃに固着支持されるとし、この固定板支持部材２２ｃと第１アクチュエータ２２ｄとは第１ロッド２２ｅを介して接続されている。第１アクチュエータ２２ｄは、第１ロッド２２ｅを押し出し・引き込みすることが可能であり、この作用によってターゲット支持体１８の位置を変化させることができる。例えば図４Ｂに図示する固体表面平坦化装置１００では、第１アクチュエータ２２ｄの作動によって紙面の上下方向にターゲット支持体１８を位置変化させることができる。
また、第１アクチュエータ２２ｄは、第２ロッド２２ｇに固着支持されており、第１アクチュエータ２２ｄと第２アクチュエータ２２ｆとは第２ロッド２２ｇを介して接続されている。第２アクチュエータ２２ｆは、第２ロッド２２ｇを押し出し・引き込みすることが可能であり、この作用によって第１アクチュエータ２２ｄの位置が変化する。この結果、第１ロッド２２ｅなどを介して第１アクチュエータ２２ｄに接続しているターゲット支持体１８の位置を変化させることができる。なお、第１ロッド２２ｅの可動方向と第２ロッド２２ｇの可動方向とは略直交する関係としている。このようにして、ＸＹステージのようなスキャニング機構が実現する。例えば、図４Ｂに図示する固体表面平坦化装置１００の場合では、第２アクチュエータ２２ｆの作動によって紙面の左右方向にターゲット支持体１８を位置変化させることができ、上記第１アクチュエータ２２ｄの作動と相まって、ターゲット支持体１８は紙面上下左右方向に位置を移動することができる。
発散させたＧＣＩＢの照射とターゲットのＸ-Ｙ方向スキャニングとを組み合わせるこ
とで、ターゲット１９の固体表面５１に（ターゲットの立場から見ると）複数方向から到来するクラスターをほぼ同時に衝突させることができる（図５Ａ参照。なお、図５Ｄに示すように、固体表面５１に立設した凸部５０は、固体表面５１に存在する表面粗さに摸擬したものである。）。図５Ａでは、固体表面５１と略平行にＸ-Ｙ方向スキャニングされ
る場合を図示しているが、このような固体表面５１に略平行なＸ-Ｙ方向スキャニングに
限定されることを意味するものではない。ＧＣＩＢの中心に対して垂直照射になるようにターゲット支持体１８が位置決めされている場合には、上記スキャニング機構によって図５Ａに示すような固体表面５１と略平行なＸ-Ｙ方向スキャニングが実現する。しかしな
がら、上記回転機構（その２）によってＧＣＩＢの中心に対して斜方照射になるようにターゲット支持体１８が位置決めされている場合には、上記スキャニング機構によって固体表面５１と略平行ではないＸ-Ｙ方向スキャニングが実現する。
また、発散させたＧＣＩＢの照射とターゲットの回転運動とを組み合わせることで、ターゲット１９の固体表面５１に（ターゲットの立場から見ると）複数方向から到来するクラスターをほぼ同時に衝突させることができる（図５Ｂ参照）。さらに、図５Ｃに示すように、発散していない（あるいは発散の程度が小さい）ＧＣＩＢであっても、ＧＣＩＢをターゲット１９に対して傾けて照射させ、さらにターゲット支持体１８の回転運動などを組み合わせることによって、ターゲット１９の固体表面５１に（ターゲットの立場から見ると）複数方向から到来するクラスターをほぼ同時に衝突させることができる。
その他、上記実施形態では、発散／非発散のＧＣＩＢ、回転機構（その１）による運動、回転機構（その２）による運動、スキャニング機構による運動を適宜に組み合わせることによって、スポットに対して複数の方向からクラスターを衝突せしめることが可能になる。
さらに、図６に示す固体表面平坦化装置２００のように、複数のＧＣＩＢ射出手段を備えて、ＧＣＩＢを異なる方向から照射することによっても、ターゲット１９表面に（ターゲットの立場から見ると）複数方向から到来するクラスターをほぼ同時に衝突させることができる。なお、図６では２つのＧＣＩＢ射出手段を備えた場合を例示しているが、適宜に３つ以上のＧＣＩＢ射出手段を備えた構成とすることができる。
図４Ｂに示す固体表面平坦化装置１００では、設定部２７を操作して基準面をターゲット支持体１８の面に設定するとともに、所望のエッチング量、ターゲット１９の材質とそのエッチング率、ＧＣＩＢのガス種、加速エネルギー、照射角度、ドーズ量などの諸条件を入力して設定すると、表示部２６中の基準面表示領域２６ｂに「ターゲット支持体面」が表示され、この面を基準として設定された照射角度が設定角度領域２６ｃに表示される。
制御部２８は、駆動部２９を通じてモータ２３、モータ４２を駆動し、現在の照射角度が設定した照射角度になるように制御する。加えて制御部２８は、設定されたドーズ量のＧＣＩＢ照射が行われるようにＧＣＩＢ射出手段を制御する。
なお、制御部２８は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）あるいはマイクロプロセッサを備えており、前述した各種表示、モータの駆動など、固体表面平坦化を実行制御するに必要なプログラムの情報処理を行なうことで、上記制御等を実現する。
固体表面平坦化装置は、上述の固体表面平坦化装置１００，２００の構成・機構方式に限定する趣旨のものではなく、発明の本旨を逸脱しない範囲で適宜に変更等可能である。
原料ガスとしてはＳＦ６ガスおよびＨｅガスを混合したものを用い、ＳＦ６ガスクラスターイオンビームを生成した。ＳＦ６ガスクラスターイオンビームを３０ｋＶで加速して、ターゲット１９の表面に照射した。照射角度は、ＧＣＩＢのビーム中心（つまり、ＧＣＩＢの進行中心）が固体表面に対して略垂直になるようにした。
また、磁界収束制御器でＧＣＩＢが収束しないように制御し、ＧＣＩＢが、ＧＣＩＢのビーム中心に対して少なくとも２°以上の角度でランダムに発散した発散ビームになるようにした。つまり、図３に示すθが２°以上である。ターゲット１９として、シリコン基板上に予め半導体プロセスによってラインアンドスペースパターン構造を形成したものを用いた。具体的には、ターゲット１９であるシリコン基板上あるいはＳＯＩ（Silicon on
Insulator）基板上にパターン構造を次の方法で作製した。まず熱酸化膜を形成した前記基板上に電子線レジストを塗布し、電子線描画装置によってレジストにパターン構造を描画した。レジストを現像後、レジストパターンをマスクとして熱酸化膜を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置でエッチングした。次いでレジストを除去し、熱酸化膜をハードマスクとして、シリコンを反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置あるいは高周波誘導結合プラズマ法反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）装置を用いてエッチングした。その後、熱酸化膜をアッシング装置によって除去した。
ラインアンドスペースパターン構造のラインとスペースの比は１：１、ライン高さは約１μｍ、ライン幅＝スペース幅は約１μｍとした。照射ドーズ量は６＊１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした。なお、記号＊は乗算を表す。
ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射前後のターゲット表面の表面平均粗さを、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定した。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射前の表面平均粗さ（Ｒａ）は、０．４６μｍであった。一方、ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射後の表面平均粗さ（Ｒａ）は、０．２１μｍとなった。
ターゲット１９をＸ−Ｙ方向にスキャニングした点を除いて実施例１と同様の実験を行った。Ｘ方向スキャン速度は１Ｈｚ、Ｙ方向スキャン速度は０．０２Ｈｚとした。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射後のターゲット表面の粗さを、ＡＦＭを用いて測定した。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射前の表面平均粗さ（Ｒａ）は、実施例１と同じ０．４６μｍだが、ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射後の表面平均粗さ（Ｒａ）は０．１３μｍとなった。
ターゲット１９を回転させた点を除いて実施例１と同様の実験を行った。回転速度は６０ｒｐｍ、１８０ｒｐｍ、６００ｒｐｍの３条件で行った。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射後のターゲット表面の表面平均粗さを、ＡＦＭを用いて測定した。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射後の表面平均粗さ（Ｒａ）は、回転速度が６０ｒｐｍ、１８０ｒｐｍ、６００ｒｐｍの順に、０．１８μｍ、０．１２μｍ、０．０５μｍとなった。
ターゲットとＧＣＩＢとの角度をつけるために、つまりＧＣＩＢ斜方照射とするため、ターゲットをＧＣＩＢのビーム中心に対して傾けた点を除いて実施例３と同様の実験を行った。照射角度は、ターゲット表面に対する垂直照射を０°と定義した場合に、３０°とした。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射後のターゲット表面の表面平均粗さを、ＡＦＭを用いて測定した。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射後の表面平均粗さ（Ｒａ）は、回転速度が６０ｒｐｍ、１８０ｒｐｍ、６００ｒｐｍの順に、０．１１μｍ、０．０６μｍ、０．０２μｍとなった。
ターゲットとして、シリコン基板上に成膜したパターンを作製していないＳｉＯ２膜（二酸化珪素膜）を用いたことと、照射ドーズ量を２＊１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２とした点を除いて、実施例１と同様の実験を行った（ターゲットの回転などは行わなかった。）。ＳｉＯ２膜はスパッタ法によって作製し、膜厚を５００ｎｍとした。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射前後のターゲット表面の表面平均粗さ（Ｒａ）を、ＡＦＭを用いて測定した。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射前の表面平均粗さ（Ｒａ）は０．８１ｎｍであった。一方、ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射後の表面平均粗さ（Ｒａ）は、０．２３ｎｍとなった。
上記各実施例の実験結果からその効果は明らかであるが、更なる考察を行うため、従来技術との比較実験を行った。
［比較例１］
ＧＣＩＢを略平行ビームを用いた点を除いて、実施例１と同様の実験を行った（ターゲットの回転などは行わなかった。）。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射前の表面平均粗さ（Ｒａ）は、実施例１と同じ０．４６μｍだが、ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射後の表面平均粗さ（Ｒａ）は、０．４２μｍとなった。
［比較例２］
ＧＣＩＢを略平行ビームを用いた点を除いて、実施例５と同様の実験を行った（ターゲットの回転などは行わなかった。）。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射前の表面平均粗さ（Ｒａ）は、０．８１ｎｍであった。ＳＦ６ガスクラスターイオンビーム照射後の表面平均粗さ（Ｒａ）は、０．３６ｎｍとなった。
実施例１と比較例１とを比較すると、ＧＣＩＢとして発散ビームを用いることによって、ターゲットの表面平均粗さが著しく低減されることがわかる。両実験条件の差異は、ＧＣＩＢが発散ビームであるか略平行ビームであるかの点だけにあるから、ターゲットの表面平均粗さが著しく低減されるという効果は、ＧＣＩＢを発散ビームとしたことに起因する。つまり、クラスターが複数の方向から衝突することで平坦化が著しく進行したのである。
また、実施例１および実施例２を参照すると、ターゲットのスキャニングによってＧＣＩＢに対するターゲットの相対位置を変化させることで、表面平均粗さがさらに低減されることがわかる。
また、実施例１〜３を参照すると、ターゲット表面とＧＣＩＢとの相対位置を変化させる方法として、ターゲットの回転が非常に効果的であり、ターゲットの回転速度が上昇する程、平坦化が進行するがわかる。
また、実施例３および実施例４を参照すると、ターゲットに対してＧＣＩＢを斜方照射することによって、更なる効果的な平坦化が進むことがわかる。
実施例１および実施例４を参照すると、斜方照射によるＧＣＩＢの照射角度を固体表面の法線に対して２°以上とすることで、良好な平坦化が行われる。
また、実施例５と比較例２とを比較すると、実施例１のような大きさの表面粗さに対して微小な表面粗さを有するターゲットでも、ＧＣＩＢとして発散ビームを用いることで、平坦化が進行することがわかる。
なお、上述の原理・作用を慮ると、使用するガスクラスターの種類や加速エネルギーなどの諸条件、ターゲットの材料などは特に限定されるものではない。
本発明は、固体表面上に存在するスクラッチやそれに類する表面粗さを低減することができるものであるから、半導体デバイスや光デバイスの微細構造の構造精度の向上はもとより、半導体デバイスや光デバイスなどを作製するための金型などの３次元構造体の構造精度向上に利用できる。

Claims (3)

  1. 固体表面に対してガスクラスターイオンビームを照射する照射過程を含むガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法であって、
    上記照射過程は、上記固体表面のうち少なくとも上記ガスクラスターイオンビームが照射されている領域であるスポットに、複数方向からクラスターをほぼ同時に衝突させる過程を含み、
    上記スポットに対する複数方向からのクラスター衝突を、
    複数の上記ガスクラスターイオンビームを同時に照射することによって行う
    ことを特徴とする
    ガスクラスターイオンビームによる固体表面の平坦化方法。
  2. 固体表面に対してガスクラスターイオンビームを照射することで固体表面を平坦化する固体表面平坦化装置であって、
    ガスクラスターイオンビーム射出手段を複数備えており、
    複数の上記ガスクラスターイオンビーム射出手段からガスクラスターイオンビームを同時に照射することによって、上記固体表面のうち少なくとも上記ガスクラスターイオンビームが照射されている領域であるスポットに、複数方向からクラスターをほぼ同時に衝突させるよう構成した
    ことを特徴とする固体表面平坦化装置。
  3. 請求項１に記載の固体表面の平坦化方法を利用して表面が平坦化された固体を生産することを特徴とする生産方法。
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