(57)【要約】【課題】基板等の表面の平坦性を向上させる表面処理方法を提供する。【解決手段】窒素を含まない原料のガスクラスターイオンビームを発生させ、被処理部材に照射する第１の処理工程と、窒素のガスクラスターイオンビームを発生させ、前記被処理部材に照射する第２の処理工程と、を有することを特徴とする表面処理方法を提供することにより上記課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素を含まない原料のガスクラスターイオンビームを発生させ、被処理部材に照射する第１の処理工程と、
窒素のガスクラスターイオンビームを発生させ、前記被処理部材に照射する第２の処理工程と、
を有することを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】
前記被処理部材はＣＭＰによる平坦化処理が行われているものであることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
【請求項３】
前記窒素を含まない原料は、アルゴン、酸素、二酸化炭素、水、六フッ化硫黄、三フッ化窒素、キセノンのいずれか１つ、または２以上のものを含むものであることを特徴とする請求項１または２に記載の表面処理方法。
【請求項４】
前記第２の処理工程におけるガスクラスターには、前記第１の処理工程における原料のガスクラスターが含まれていないことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項５】
前記被処理部材は、シリコンカーバイト、シリコン、石英、ガラス、アルミナ、サファイア、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、ダイヤモンドライクカーボン、炭化ホウ素、多結晶ダイヤのいずれか１つ、または２以上のものを含むものであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項６】
前記第２の処理工程の後、前記窒素のガスクラスターを前記第２の処理工程における加速電圧よりも低い加速電圧で加速し、前記被処理部材に照射する第３の処理工程を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項７】
前記第２の処理工程の後、前記第２の処理工程におけるガスクラスターよりも大きなガスクラスターを前記被処理部材に照射する第３の処理工程を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項８】
ガスクラスターを生成するためのノズルと、
前記ノズルに前記ガスクラスターの原料となるガスを供給する原料ガス供給部と、
前記原料ガス供給部より供給されるガスを選択し制御する制御部と、
を有し、
前記原料ガス供給部は、窒素を含まない原料を供給する第１のガス供給源と、窒素を供給する第２のガス供給源とを有し、
前記ガスクラスターを被処理部材に照射することを特徴とする表面処理装置。
【請求項９】
前記被処理部材はＣＭＰによる平坦化処理が行われているものであることを特徴とする請求項８に記載の表面処理装置。
【請求項１０】
前記窒素を含まない原料は、アルゴン、酸素、二酸化炭素、水、六フッ化硫黄、三フッ化窒素、キセノンのいずれか１つ、または２以上のものを含むものであることを特徴とする請求項８または９に記載の表面処理装置。
【請求項１１】
前記第２の供給源におけるガスは、前記第１の供給源におけるガスが含まれていないことを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の表面処理装置。
【請求項１２】
前記被処理部材は、シリコンカーバイト、シリコン、石英、ガラス、アルミナ、サファイア、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、ダイヤモンドライクカーボン、炭化ホウ素、多結晶ダイヤのいずれか１つ、または２以上のものを含むものであることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の表面処理装置。
【請求項１３】
前記第２のガス供給源から供給された窒素により生成された窒素のガスクラスターは、前記ガスクラスターに印加される印加電圧を変化させて前記被処理部材に照射することを特徴とする請求項８から１２のいずれかに記載の表面処理装置。
【請求項１４】
前記第２のガス供給源から供給された窒素により生成された窒素のガスクラスターは、前記ガスクラスターの大きさを変化させて前記被処理部材に照射することを特徴とする請求項８から１２のいずれかに記載の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面処理方法及び表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数個の原子等が凝集してできるガスクラスターは特異な物理化学的挙動を示し、広い分野における利用が検討されている。即ち、ガスクラスターからなるクラスターイオンビームは、従来困難であった固体表面から数ナノメートルの深さの領域で、イオン注入、表面加工、薄膜形成を行うプロセスに適している。
【０００３】
このようなガスクラスター発生装置においては、加圧ガスの供給を受けて原子の数が数１００〜数１０００となるガスクラスターを発生させることが可能である。このように発生させたガスクラスターは、基板等の表面の平坦化に顕著な効果を発揮することから、様々な検討がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２２７２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、微細化及び高精細化の要求は、より一層高まる傾向にあり、これにも伴い基板等の表面化も、より一層平坦なものが求められている。例えば、酸素や六フッ化硫黄（ＳＦ６）のガスクラスターを用いて基板等の表面の平坦化を行った場合、酸素等のガスクラスターによる平坦性には限界があることから、所望の平坦性を得ることは困難であった。また、基板等が硬い（硬度の高い）材料により形成されている場合、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化されたものの表面には研磨キズが形成されるが、このような研磨キズを取り除き、更に平坦化することは、容易ではなかった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、基板等の表面を極めて高い平坦性で平坦化することのできる表面処理方法及び表面処理装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、窒素を含まない原料のガスクラスターイオンビームを発生させ、被処理部材に照射する第１の処理工程と、窒素のガスクラスターイオンビームを発生させ、前記被処理部材に照射する第２の処理工程と、を有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、前記被処理部材はＣＭＰによる平坦化処理が行われているものであることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、前記窒素を含まない原料は、アルゴン、酸素、二酸化炭素、水、六フッ化硫黄、三フッ化窒素、キセノンのいずれか１つ、または２以上のものを含むものであることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、前記第２の処理工程におけるガスクラスターには、前記第１の処理工程における原料のガスクラスターが含まれていないことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記被処理部材は、シリコンカーバイト、シリコン、石英、ガラス、アルミナ、サファイア、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、ダイヤモンドライクカーボン、炭化ホウ素、多結晶ダイヤのいずれか１つ、または２以上のものを含むものであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記第２の処理工程の後、前記窒素のガスクラスターを前記第２の処理工程における加速電圧よりも低い加速電圧で加速し、前記被処理部材に照射する第３の処理工程を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記第２の処理工程の後、前記第２の処理工程におけるガスクラスターよりも大きなガスクラスターを前記被処理部材に照射する第３の処理工程を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、ガスクラスターを生成するためのノズルと、前記ノズルに前記ガスクラスターの原料となるガスを供給する原料ガス供給部と、前記原料ガス供給部より供給されるガスを選択し制御する制御部と、を有し、前記原料ガス供給部は、窒素を含まない原料を供給する第１のガス供給源と、窒素を供給する第２のガス供給源とを有し、前記ガスクラスターを被処理部材に照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板等の表面における平坦性を極めて高い精度で平坦化することのできる表面処理方法及び表面処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施の形態における表面処理装置の構成図
【図２】第１の実施の形態における表面処理方法のフローチャート
【図３】第１の実施の形態における表面処理方法を説明するＡＦＭ像（１）
【図４】第１の実施の形態における表面処理方法を説明するＡＦＭ像（２）
【図５】第１の実施の形態における表面処理方法を説明するＡＦＭ像（３）
【図６】ガスクラスターにおける減衰定数特性図
【図７】第２の実施の形態における表面処理方法のフローチャート
【図８】第２の実施の形態における表面処理方法を説明するＡＦＭ像
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。
【００１８】
〔第１の実施の形態〕
（表面処理装置）
最初に、本実施の形態における基板処理方法に用いられる表面処理装置について説明する。この基板処理装置は、ガスクラスターイオンビーム照射装置であり、基板等の表面にガスクラスタービームを照射することが可能な装置である。
【００１９】
図１には、ガスクラスタービーム照射装置の構成を示す。この、ガスクラスタービーム照射装置１０は、ノズルチャンバー２０とソースチャンバー３０とメインチャンバー４０を有している。ノズルチャンバー２０にはガスクラスターを生成するためのノズル２１が設けられており、更に、生成されたガスクラスターを選別するためのスキマー２２を有している。尚、ノズル２１は、ガス供給部２３と接続されており、このガス供給部２３よりノズル２１にガスクラスターを生成するためのソースガスが供給される。ガス供給部２３は複数のソースガスを供給することができるように、複数のガス供給源が設けられている。具体的には、図に示されるように、原料となるガスが入れられたガスボンベ等の第１のガス供給源２４及び第２のガス供給源２５が設けられており、ガス供給部２３内に設けられたバルブ２６により、第１のガス供給源２４におけるガスまたは第２のガス供給源２５におけるガスのいずれかを所定量バルブ２１に供給することができるように構成されている。本実施の形態では、例えば、第１のガス供給源２４はアルゴンガスを供給するためのアルゴンガスボンが用いられており、第２のガス供給源２５は窒素ガスを供給するための窒素ガスボンベが用いられている。また、ガス供給部２３には制御部２７が接続されており、制御部２７の制御により、第１のガス供給源２４または第２のガス供給源２５よりソースガスが供給される。
【００２０】
ノズル２１において生成されたガスクラスターは、スキマー２２において選別され、ソースチャンバー３０に導入される。ソースチャンバー３０ではガスクラスターをイオン化するためのイオン化部３１が設けられており、イオン化部３１においてガスクラスターはイオン化され、イオン化されたガスクラスターは、加速部３２において加速される。
【００２１】
この後、加速されたイオン化されたガスクラスターは、メインチャンバー４０内に設けられた電極部４１において、所定の大きさのガスクラスター等に選別され、表面処理が行われる基板等の被処理部材５０に照射される。
【００２２】
尚、本実施の形態におけるガスクラスタービーム照射装置には、ノズル２１に数気圧に加圧されたソースガスが供給されており、ノズル２１より真空状態のノズルチャンバー２０内に超音速でソースガスが噴出されることにより、断熱膨張により急激にソースガスが冷却され、非常に弱い原子間または分子間の結合によりガスクラスターが形成されるものである。
【００２３】
（表面処理方法）
次に、図２に基づき本実施の形態における表面処理方法について説明する。本実施の形態では、被処理部材５０としてＳｉＣ（シリコンカーバイト）基板を用い、このＳｉＣ基板の表面を平坦化処理する場合について説明する。ところで、ＳｉＣはアルミナ等よりも硬く、ダイヤモンド、炭化ホウ素の次に硬い材料として知られており、高い精度で表面を平坦化することは、容易ではない材料の一種である。
【００２４】
最初に、ステップ１０２（Ｓ１０２）において、機械的平坦化処理として、ＳｉＣ基板の表面をＣＭＰにより平坦化する。これによりＳｉＣ基板の表面は、肉眼においては平坦な状態にすることができる。しかしながら、ＳｉＣ基板の表面には肉眼では認識できない微細な研磨キズが無数に形成されている。ＣＭＰ等の研磨方法のみでは、ＳｉＣ等の硬い材料において、このような研磨キズが形成されることは避けることができな。
【００２５】
図３は、ＣＭＰによる平坦化処理を行った後のＳｉＣ基板の表面のＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）像である。尚、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)とは、「探針と表面間の原子尺度領域で働く力の大きさを、その先に探針をつけたカンチレバーのたわみ、あるいはその共鳴振動数のずれから読み取る」ものである（「岩波理化学事典」岩波書店、「走査型プローブ顕微鏡」の欄より抜粋）。図３（ａ）は、斜視図であり、図３（ｂ）は上面図である。図３に示されるように、無数の研磨キズが形成されている（図３（ｂ）における矢印では、特に太い研磨キズを示す）。この状態における１０μｍ角の領域の表面粗さは、Ｒｍｓが３．３４ｎｍ、Ｒａが２．５３ｎｍである。このため、ＣＭＰによる研磨により形成されたＳｉＣ基板の表面の平坦性は、高い精度で平坦であるとはいうことができない。
【００２６】
次に、ステップ１０４（Ｓ１０４）において、第１の平坦化処理として、ＳｉＣ基板の表面にアルゴン（Ａｒ）のガスクラスターを照射する。即ち、ＣＭＰにより平坦化されたＳｉＣ基板の表面にアルゴンのガスクラスターを照射する。図４は、アルゴンのクラスターを照射した後のＳｉＣ基板の表面のＡＦＭ像を示すものである。図４（ａ）は、１０μｍ角の領域を示すものであり、図４（ｂ）は、１μｍ角の領域を示すものである。図４に示されるように、アルゴンのガスクラスターを照射することにより、ＣＭＰによる機械的平坦化処理により形成される研磨キズを取り除くことができ、ＳｉＣ基板の表面を平坦にすることができる。尚、この状態における１０μｍ角の領域の表面粗さは、Ｒｍｓが２．２０ｎｍ、Ｒａが１．６７ｎｍであり、１μｍ角の領域の表面粗さは、Ｒｍｓが２．２３ｎｍ、Ｒａが１．７０ｎｍである。
【００２７】
次に、ステップ１０６（Ｓ１０６）において、第２の平坦化処理として、ＳｉＣ基板の表面に窒素のガスクラスターを照射する。図５は、窒素のクラスターを照射した後のＳｉＣ基板の表面のＡＦＭ像を示すものである。図５（ａ）は、１０μｍ角の領域を示すものであり、図５（ｂ）は、１μｍ角の領域を示すものである。図５に示されるように、窒素のガスクラスターを照射することにより、Ａｒのガスクラスターを照射した後の状態よりも、更にＳｉＣ基板の表面を平坦にすることができる。尚、この状態における１０μｍ角の領域の表面粗さは、Ｒｍｓが１．１０ｎｍ、Ｒａが０．７９ｎｍであり、１μｍ角の領域の表面粗さは、Ｒｍｓが０．５８ｎｍ、Ｒａが０．４６ｎｍである。
【００２８】
このように、ＣＭＰによる機械的平坦化処理を行った後、Ａｒ等のガスクラスターによる第１の平坦化処理、窒素のガスクラスターによる第２の平坦化処理を行うことにより、ＳｉＣ基板の表面をＡｒ等のガスクラスターのみを用いて平坦化処理を行った場合と比べて、より一層ＳｉＣ基板の表面を平坦にすることができる。尚、窒素のガスクラスターのみで平坦化を行うことも可能であるかも知れないが、平坦化のために膨大な時間を要するため実用的ではない。
【００２９】
本実施の形態における表面処理方法では、ＳｉＣ基板の表面を第１の平坦化処理工程においてＡｒ等のガスクラスターを用いて平坦化し、この後、第２の平坦化処理工程において窒素等のガスクラスターを用いて平坦化するものである。これは、Ａｒ等のガスクラスターの平坦化処理は、ＣＭＰによる研磨により形成されたキズを除去する等の比較的粗い平坦化処理に適しており、窒素等のガスクラスターの平坦化は、比較的微細な平坦化処理に適しているからである。
【００３０】
このことを図６に基づき説明する。図６は、一原子当たりのエネルギーと減衰定数との関係を示すものであり、各々のガスクラスターの壊れやすさを示すものである。尚、Ｖａ３０は加速電圧が３０ｋＶ、Ｖａ２０は加速電圧が２０ｋＶ、Ｖａ１０は加速電圧が１０ｋＶを示す。この図に示されるように、窒素のガスクラスターは、Ａｒのガスクラスターよりも減衰定数が高く破壊され易く、ＳｉＣ等の基板の表面にガスクラスターが衝突等した際に、ガスクラスターは破壊されてしまうものと考えられる。このためＳｉＣ等の基板の表面に窒素のガスクラスターが衝突する際には、比較的弱いエネルギーで衝突するものと考えられ、このため基板等の表面の平坦化をより滑らかに行うことができるものと考えられる。
【００３１】
一方、アルゴンのガスクラスターの場合、アルゴンのガスクラスターは比較的破壊され難いため、ＳｉＣ等の基板の表面にアルゴンのガスクラスターが衝突する際、比較的強いエネルギーで衝突するものと考えられる。よって、ＣＭＰ等による研磨キズを除去することができるものの、アルゴンのガスクラスターの平坦化による平坦性には一定の限界がある。
【００３２】
よって、アルゴンのガスクラスターによる平坦化を行った後、窒素のガスクラスターによる平坦化を行うことにより、ＣＭＰ等による研磨キズを除去することができ、更に基板等の表面をより一層平坦にすることができる。
【００３３】
このように、ガスクラスターにより基板等の表面の表面処理を行う場合、用いられるガスクラスターの減衰定数とガスクラスターにより平坦化されたものの平坦性との間には、相関関係があるものと考えられ、ガスクラスターの減衰定数が高いものほど、基板等の表面における平坦性を向上させることができるものと考えられる。
【００３４】
従って、最初に、減衰定数の低い原料のガスクラスターにより基板等の表面の表面処理を行い、次に、減衰定数の高い原料のガスクラスターにより基板等の表面処理を行うことにより、基板等の表面の平坦性をより一層高めることができる。
【００３５】
アルゴンのクラスターと同様の減衰定数を有するクラスターとしては、酸素（Ｏ２）のガスクラスターがあり、アルゴンのガスクラスターよりも減衰定数の低いクラスターとしては、二酸化炭素（ＣＯ２）のガスクラスターがある。
【００３６】
また、窒素のガスクラスターは、実用的なガスクラスターの中では、最も減衰定数の低いガスクラスターの一つである。よって、ガスクラスターによる平坦化を複数の工程において行う際には、最後に、窒素のガスクラスターによる平坦化を行うことが好ましい。
【００３７】
尚、本実施の形態における表面処理方法において、第１の平坦化処理を行うのに、好ましい材料としては、アルゴン、酸素、二酸化炭素以外にも、水（Ｈ２Ｏ）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、三フッ化窒素（ＮＦ３）、キセノン（Ｘｅ）等が挙げられる。
【００３８】
また、第２の平坦化処理を行う原料としては窒素が好ましく、特に、第１の平坦化処理に用いられる原料が含まれていないものであることが好ましい。
【００３９】
また、表面処理が行われる基板等の材料としては、ＳｉＣ以外にもシリコン、石英、ガラス、アルミナ、サファイア、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、ダイヤモンドライクカーボン、炭化ホウ素、多結晶ダイヤ等が挙げられ、特に、硬い材料の平坦化に適している。
【００４０】
また、本実施の形態における表面処理方法が行われる被処理部材５０は、基板等に限定されるものではなく、表面の平坦化が必要とされるすべての部材が含まれるものである。
【００４１】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における表面処理方法よりも更に平坦性を高めることのできる表面処理方法である。図７に基づき、本実施の形態について説明する。
【００４２】
最初に、ステップ２０２（Ｓ２０２）において、機械的平坦化処理として、ＳｉＣ基板の表面をＣＭＰにより平坦化する。これにより、ＳｉＣ基板の表面は、肉眼において、平坦な状態にすることができるものの、ＳｉＣ基板の表面には肉眼では認識できない微細な研磨キズが無数に形成されている。
【００４３】
次に、ステップ２０４（Ｓ２０４）において、第１の平坦化処理として、ＳｉＣ基板の表面にアルゴンのガスクラスターを照射する。即ち、ＣＭＰにより平坦化されたＳｉＣ基板の表面にアルゴンのガスクラスターを照射する。アルゴンのガスクラスターを照射することにより、ＣＭＰにおける機械的平坦化処理により形成される研磨キズを除去することができ、ＳｉＣ基板の表面は平坦化される。
【００４４】
次に、ステップ２０６（Ｓ２０６）において、第２の平坦化処理として、ＳｉＣ基板の表面に窒素のガスクラスターを照射する。窒素のガスクラスターを照射することにより、Ａｒのガスクラスターを照射した後の状態よりも、ＳｉＣ基板の表面をより平坦にすることができる。尚、第２の処理工程における窒素のクラスターの加速電圧は、２０ｋＶである。
【００４５】
次に、ステップ２０８（Ｓ２０８）において、第３の平坦化処理として、第２の平坦化処理における加速電圧よりも低い１０ｋＶの加速電圧で窒素のガスクラスターを照射する。これにより、第２の平坦化処理よりも、更に、ＳｉＣ基板の表面をより平坦にすることができる。具体的には、ガスクラスターの平坦化処理をする際に、加速電圧を下げることにより、ガスクラスターのエネルギーを低くすることができ、ＳｉＣ基板にガスクラスターが衝突した際のエネルギーを低くすることができる。このようなガスクラスターを用いてＳｉＣ基板の表面を平坦化することにより、ＳｉＣ基板の表面をより平坦にすることができる。
【００４６】
上述した第２の平坦化処理及び第３の平坦化処理について、図８に基づき説明する。図８（ａ）（ｂ）は、ともにアルゴンの平坦化処理を行った後に、窒素のガスクラスターにより平坦化処理を行ったものである。図８（ａ）は、窒素のクラスターの加速電圧が２０ｋＶで平坦化処理を行った場合のＳｉＣ基板の表面のＡＦＭ像であり、図８（ｂ）は、窒素のクラスターの加速電圧が１０ｋＶで平坦化処理を行った場合のＳｉＣ基板の表面のＡＦＭ像である。図８に示されるように、同じ原料を用いてガスクラスターを生成した場合においても加速電圧を低くすることにより、ＳｉＣ基板表面の平坦性をより一層高めることができる。よって、第２の平坦化処理を行い、その後、第３の平坦化処理を行うことにより、ＳｉＣ基板の表面をより一層平坦にすることができるものと考えられる。
【００４７】
また、同じ加速電圧のガスクラスターにおいて、大きなクラスターほど、表面の平坦性を高めることができることも知見として得られている。よって、第２の平坦化処理工程において、小さな窒素のガスクラスターを用いて平坦化を行った後、第３の平坦化処理工程において、大きな窒素のガスクラスターを用いて平坦化を行っても被処理部材の表面における平坦性をより高めることができるものと考えられる。
【００４８】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【００４９】
１０        ガスクラスターイオンビーム発生装置
２０        ノズルチャンバー
２１        ノズル
２２        スキマー
２３        原料ガス供給部
２４        第１のガス供給源
２５        第２のガス供給源
２６        バルブ
２７        制御部
３０        ソースチャンバー
３１        イオン化部
３２        加速部
４０        メインチャンバー
４１        電極部
５０        被処理部材
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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