(57)【要約】      （修正有）【課題】基板表面の最少の損傷で、半導体の表面上での化学的不純物又は有害な基板表面層（例えば、自然酸化物を含めた酸化物、炭素及び炭素化合物）の除去を行う方法及び装置を提供する。【解決手段】方法は、基板表面７ｏをプロセスチャンバ８内に配置する工程、基板表面７ｏから不純物を剥離するために、第１の成分を含むイオンビーム３を当てる工程、剥離された不純物の結合のために、プロセスチャンバ８に第２の成分を導入する工程を含む表面処理を行う。イオンスパッタリング装置１は、基板７を収容するためのプロセスチャンバ８と、基板表面７ｏから不純物を剥離するために、基板表面７ｏに向けられた、第１の成分を含むイオンビーム３を作製するためのイオンビーム源２と、剥離された不純物の結合のために、プロセスチャンバ８に第２の成分を導入するための手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の：
−  基板表面（７ｏ）をプロセスチャンバ（８）内に配置する工程、
−  前記基板表面（７ｏ）から不純物を剥離するために、前記基板表面（７ｏ）に、イオンビーム源（２，２′，２″）により作製され、前記基板表面（７ｏ）に向けられた、第１の成分を含むイオンビーム（３，３′，３″）を当てる工程、
−  剥離された前記不純物の結合のために、前記プロセスチャンバ（８）に第２の成分を導入する工程を含む、
基板（７）の基板表面（７ｏ）を表面処理する方法。
【請求項２】
前記プロセスチャンバ（８）を、第２の成分の導入前に排気する、殊に１ｂａｒ未満、好ましくは１０-3ｂａｒ未満、より好ましくは１０-5ｂａｒ未満、更により好ましくは１０-7ｂａｒ未満、更に好ましくは１０-8ｂａｒ未満の圧力に排気する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記イオンビーム（３，３′，３″）を、前記基板表面（７ｏ）に、０．００１〜５０００μＡ／ｃｍ2、好ましくは０．０１〜２５００μＡ／ｃｍ2、更に好ましくは０．１〜１０００μＡ／ｃｍ2、最も好ましくは１〜５００μＡ／ｃｍ2のイオンビーム密度で当たるように調節する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記イオンビーム（３，３′，３″）は、殊に前記基板表面（７ｏ）全体を捕らえる広帯域イオンビームとして形成されている、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記イオンビーム（３，３′，３″）を、前記基板表面（７ｏ）に当たるイオンビーム（３，３′，３″）の直径が、前記基板表面（７ｏ）の直径の１／１００より大きく、殊に１／１０より大きく、好ましくは１／２より大きくなるように調節する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記基板表面（７ｏ）及び／又は第１のイオンビーム（３，３′，３″）に、第２のイオンビーム源（２′）により作製された第２のイオンビーム（３，３′，３″）を当てる、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
第１の成分及び／又は第２の成分を、ガス状で、前記プロセスチャンバ（８）内に導入する、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記基板（７）を、基板サンプルホルダ（５）に、殊に並進運動及び／又は回転運動可能な基板サンプルホルダ（５）に、好ましくはＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に並進運動及び／又は回転運動可能な基板サンプルホルダ（５）に固定する、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
−  基板（７）を収容するためのプロセスチャンバ（８）と、
−  基板表面（７ｏ）から不純物を剥離するために、前記基板表面（７ｏ）に向けられた、第１の成分を含むイオンビーム（３，３′，３″）を作製するためのイオンビーム源（２，２′，２″）と、
−  剥離された前記不純物の結合のために、前記プロセスチャンバ（８）に第２の成分を導入するための手段とを備えた、
基板（７）の基板表面（７ｏ）を表面処理する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の方法並びに請求項９に記載の相応する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体工業において、表面処理のため、殊に表面清浄化及び表面活性化のために、多様な湿式化学的エッチング法及び／又はドライエッチング法が使用されている。これらのエッチング法は、特に自然表面酸化物及び／又は炭素化合物の除去のために用いられる。湿式化学エッチング法と、ドライエッチング法との間の重大な相違点は、使用される清浄剤種の物理的状態である。基板表面を清浄化するために、湿式化学的エッチング法の場合には液体が使用されるが、ドライエッチング法の場合には気体又はプラズマが使用される。湿式化学エッチング法は、いくつかの適用の場合にはいまだにその理由を有するが、ここ数年では多くの他の適用分野においてドライエッチング装置に交換されている。
【０００３】
ドライエッチングのために、主にプラズマ装置又はイオンスパッタリング装置が使用される。
【０００４】
プラズマ装置とは、準中性のガス、いわゆるプラズマを生成することができる装置であると解釈される。２つの電極間に電圧を印加することによりプロセスガスを電離し、電離した準中性のガス、いわゆるプラズマが形成される。この装置は、「容量結合プラズマ（ＣＣＰ）」−プラズマ装置といわれる。いわゆる「誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）」−プラズマ装置中での磁気的装置によるプラズマの生成も考えられる。この場合、プラズマの生成のために電磁誘導が用いられる。更に、プラズマを生成するために他の方法が存在するが、これらの方法についてここでは詳細に述べることはしない。更なる説明は、一般に全てのプラズマ装置に当てはまるが、ＣＣＰ−プラズマ装置を用いて記載する、というのもこの構造が比較的簡単なためである。
【０００５】
このプラズマを、その特徴付けられた特性により、好ましくは２つの電極のうちの一方に又は２つの電極のうちの一方の付近に存在する基板の表面に作用させる。一般に、不活性又は反応性のプロセスガスを使用することができる。プラズマ装置の場合に、２つの電極間の電圧、ガス組成及びガス圧が予め設定される。この場合、低温プラズマは、臨界圧力より上で点火する。この臨界圧力は、高真空チャンバ中の圧力と比べて大きいが、１ｂａｒ未満である。低温プラズマは、大抵は、酸素、窒素、希ガス又は比較的複雑なガス状の有機化合物からなる。この低温プラズマは、基板表面を、イオン衝撃によって物理的にも、プラズマ中に生成されたラジカルによって化学的にも改質する（出典：S . Vallon, A. Hofrichter et. Al著、Journal of Adhesion Science and Technology、（1996）第１０巻、no. 12、1287）。物理的改質は、特に、高い速度及びそれに伴ってガス原子及びプラズマ原子と基板表面の原子との衝突エネルギに起因することができる。
【０００６】
それに対して、イオンスパッタリング装置は、イオン源、及び加速ユニットを有する。イオン源中でプロセスガスを電離して、加速ユニットを介して基板表面方向に加速させる。加速されたイオンは、平均直径、相応する発散又は収束及びエネルギ密度を有する、いわゆるイオンビームを形成する。この加速されたイオンは、この運動エネルギが、不純物と基板表面との間の結合エネルギより大きいか又は少なくとも同じ大きさである場合に、基板表面から不純物を剥離させることができる。このプロセスの際に、イオンの運動エネルギは、もちろん基板表面自体にも影響を及ぼしかねない。この影響は、基板表面の微細構造の変化、点欠陥の形成、結晶格子中に組み込まれたイオン、塑性変形などに現れる。
【０００７】
不純物の除去は、スパッタともいわれる。完全を期すために、表面への原子の堆積過程もスパッタと言うことができることを指摘する。更なる過程で、スパッタリングとは、もちろん常に原子の取り去りだけであると解釈される。
【０００８】
この技術的課題は、所与の周囲条件下で基板上の除去されるべき不純物とイオンとの間で反応が生じることがあり、この場合に不純物が基板表面から除去されないという点にある。更に、このイオンは、大抵は、除去されるべき不純物の下側に存在する、清浄化されるべき基本材料とも反応する。これは、不均一な除去及びそれによる表面粗さが増す結果となる。
【０００９】
更に、頻繁にガス原子及び／又はプラズマ原子が基板の表面に吸着する。
【００１０】
殊に水素を用いた不純物の除去は、先行技術に従って、主に次の方法の使用下で行われる：
プラズマ法
１．  基板表面に水素プラズマを照射する。この場合、表面の温度は、大抵はプラズマによって極めて著しく上昇する。一般に、多様な材料に対して多様なプラズマプロセスも使用される。ＩｎＰのために、例えばいわゆるＥＣＲ（英語：electron cyclotron resonance）プラズマが使用される（出典：A. J. Nelson, S . Frigo, D. Mancini及びR. Rosenberg著、J. Appl. Phys. 70, 5619 (1991)）。ＧａＡｓの全ての表面不純物の除去は、３８０℃の温度でのＲＦ（英語：radio-frequency）プラズマを用いて水素照射によって約３０分後に観察された（出典：S. W. Robey及びSinniah著、J. Appl. Phys. 88, 2994 (2000)）。ＣｕＩｎＳｅ2について、例えば２００℃の試料温度での水素−ＥＣＲ−プラズマの使用による表面酸化物の除去が記載されている（出典：A. J. Nelson, S. P. Frigo及びR. Rosenberg著、J. Appl. Phys. 73 , 8561 (1993)）。
【００１１】
２．  基板表面は、分子状水素の作用下で真空中で５００℃より高く加熱される。ＧａＡｓの場合には、このために例えば２時間までの清浄化時間が必要である（出典：独国特許出願公開第１００４８３７４号明細書）。
【００１２】
３．  基板表面は、原子状水素の適用下で真空中で加熱される。ＧａＡｓの場合に、これは、例えば好ましくは３５０℃〜４００℃の温度範囲で行われる。この方法は、文献箇所（出典：Y. Ide及びM. Yamada著、J. Vac. Sei. Technol. A 12, 1858 (1994)又はT. Akatsu、A. Ploessl、H. Stenzel及びU. Goesele著、J. Appl. Phys. 86, 7146 (1999)及び独国特許出願公開第１００４８３７４号明細書）に詳細に記載されている。
【００１３】
イオンビーム法
イオンビーム法の不活性ガス（Ａｒ、Ｎ2、キセノン、…）を用いた表面不純物の除去は、主に、純粋なスパッタリング除去を基礎とする（出典：J. G. C. Labanda, S . A. Barnett及びL. Huitman著、「Sputter cleaning and smoothening of GaAs(001) using glancingangle ion bombardment」、Appl . Phys. Lett. 66, 3 1 14 (1995)）。反応性ガス（Ｈ2、Ｏ2、Ｎ2、ＣＦ5）の使用は、それに対して主に、プロセスガスと表面不純物との化学反応及び引き続くこの反応生成物の除去に基づく（脱着、部分的に熱的又はイオン衝撃によって促進）。この場合、水素は、半導体の表面上の多様な表面酸化物及び炭化水素不純物の除去のために好ましいプロセスガスであることが判明した（出典：独国特許出願公開第１０２１０２５３号明細書）。
【００１４】
表面清浄化の先行技術に挙げられた方法は、一般に、後続のプロセス用の基板表面の前処理のために利用される。後続のプロセスは、例えば、フォトレジストによる被覆、気相堆積プロセス、例えばＰＶＤ（英語：physical vapor deposition）又はＣＶＤ（英語：chemical vapor deposition）による１種以上の原子又は分子の堆積である。
【００１５】
このイオンにより、特に半導体材料において表面欠陥が生成され、この表面欠陥は素子の電気的機能を決定的に損ないかねない。更に、先行技術の場合に、プラズマ装置及びスパッタリング装置が基板表面を基本的に常に改質し、従って大抵は損なってしまうという基本的問題が生じる。
【００１６】
例えばＳｉ、ＳｉＣ、石英又は３Ａ−５Ｂ半導体表面の清浄化又は活性化のためにプラズマプロセス又はイオンスパッタリングプロセスを使用する場合、本質的な欠点として、半導体の表面の付加的な損傷が生じる（例えば粗面化、金属相の形成、酸化物層の成長、薄い水膜の形成）。このプラズマ装置によって、大抵の不純物の場合に、検出可能な有効な表面清浄化が行われるが、特に有機成分の場合には、この有機化合物を完全に除去するために、この清浄化法は十分でないことは明らかである。
【００１７】
プラズマ装置による損傷の発生についての主要な原因は、主にプラズマが半導体表面と直接接触すること、及びそれにより生じる、プラズマ成分（例えばイオン、ラジカルの及び高励起された分子／原子、電子及びＵＶ光子）と基板表面の原子との間の相互作用である。殊に、プラズマの高励起された、それにより高エネルギの粒子又はイオン、又はイオンスパッタリング装置の粒子又はイオンは、高確率で、基板表面、殊に高度に敏感な半導体表面の不利な損傷プロセスを引き起こす。
【００１８】
酸素、窒素、希ガス又は比較的複雑なガス状の有機化合物によって生成される低温プラズマは、イオン衝撃によっても、並びにプラズマ中に存在するラジカルによる表面反応によっても、基板表面を改質する（出典：K. Harth, Hibst,H.著、Surface and Coatings technology (1993) vol. 59, no. 1-3, 350）。更に、ガス原子は表面に吸収される（出典：K. Scheerschmidt, D. Conrad, A. Belov, H. Stenzel著、「UHV-Silicon Wafer Bonding at Room temperature: Molecular Dynamics and Experiment」、Proc. 4. Int. Symp. on Semiconductor Wafer Bonding, September 1997, Paris, France, p. 381）。
【００１９】
真空雰囲気での原子状又は分子状の水素の作用下で半導体表面を清浄化する場合の決定的な欠点は、通常少なくとも４００℃〜５００℃の高い温度が必要な点である（参照：独国特許出願公開第１００４８３７４号明細書）。この高いプロセス温度は、水素と不純物との効果的な反応を可能にしかつ生じる反応生成物の粒子の脱着を可能にするために必要である。
【００２０】
分子状及び／又は原子状の水素を用いて半導体表面を清浄化する、先行技術に記載された方法の別の欠点は、長いプロセス時間であり、この時間は分子状水素の場合に少なくとも２時間である（参照：独国特許出願公開第１００４８３７４号明細書）。
【００２１】
特許文献の独国特許出願公開第１０２１０２５３号明細書からの発明の実施態様の使用は十分に有効ではない、というのも、水素イオンを用いて純粋に化学的プロセスによる、Ｓｉ、ＳｉＯ2、ＳｉＣ、石英及びゼロデュア（Ｚｅｒｏｄｕｒ）からの不純物の除去は、完全な除去を引き起こさないためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
従って、本発明の課題は、基板表面の最少の損傷で、基板表面での又はバルク内での付加的な障害（例えば表面粗さの向上、化学量論の変化及び結晶格子の障害）を生じることなく、基板、殊に半導体の表面上での化学的不純物又は有害な基板表面層（例えば、自然酸化物を含めた酸化物、炭素及び炭素化合物）の除去を可能にする新規方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
この課題は、請求項１の特徴によって解決される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。明細書、特許請求の範囲及び／又は図面に記載された特徴の少なくとも２つからなる全ての組み合わせも、本発明の範囲に含まれる。記載された値の範囲は、限界値としての記載された限界にある値内にも明らかに通用し、かつ任意の組み合わせも利用することができる。
【００２４】
本発明の基本思想は、基板の基板表面を後続の加工の前にプロセスチャンバ中で指向性のイオンビームを用いて不純物を除去し、ここで、このイオンビームは第１の成分、殊にガス状の第１の成分を含み、かつ第２の成分、殊にガス状の第２の成分又は作業ガスをプロセスチャンバ内に導入することである。第２の成分は、剥離された不純物の結合のために利用される。好ましくは、第２の成分は、プロセスチャンバから不純物を搬出するために、プロセスチャンバに一定の流動速度で導通される。
【００２５】
第１の成分又は第２の成分には、本発明の場合に、特にガス混合物又は純粋なガス、特に純粋な希ガスが含まれる。
【００２６】
本発明は、換言すると、室温（ＲＴ）で又は極めて低い温度で、イオンスパッタリング、殊に低エネルギイオンスパッタリング及び／又はフォーミングガスを用いて、多様な材料、殊に半導体材料の表面清浄化する方法及び装置に関する。この場合、温度は、５００℃未満、好ましくは３００℃未満、更に好ましくは１００℃未満、最も好ましくは室温である。
【００２７】
フォーミングガスは、好ましくは２０パーセントより多くの水素割合を含む。この場合、フォーミングガスとは、好ましくは、アルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ2）とのガス混合物、又は窒素（Ｎ2）と水素（Ｈ2）とのガスイオン混合物であると解釈される。しかしながら、このフォーミングガスは、単独のガス成分だけからなる、特にアルゴンだけからなる又は水素だけからなることも考えられる。
【００２８】
従って、本発明は、特に基板表面を損なうことなく、できる限り低い温度で、好ましくは室温で基板表面から不純物を除去する方法及び装置に関する。この方法は、好ましくは半導体又は半導体構造の低コストの清浄化のために使用することができる。好ましくは、本発明による装置及び方法は、引き続く接合のため、殊に持続的な接合のために基板表面を準備する目的に使用される。
【００２９】
好ましい実施形態は、基板表面の表面清浄化のために広帯域イオンビームを使用する。
【００３０】
好ましい実施形態の場合に、この表面清浄化は、全面に行うのではなく、位置選択的に実施される。この実施形態は、殊に、基板表面の定義された／所定の領域だけを清浄化するために、光学、光電子工学及びセンサ工学の分野で使用される。この場合、位置選択的表面清浄化は、直接集束により生じる狭帯域イオンビームによるか又は広帯域イオンビームから絞りを用いて生じる狭帯域イオンビームによって行われる。本発明による別の可能性は、相応して照射される及び化学的に処理されるフォトレジストを用いた基板のマスキングである。フォトレジストを、ポジ型マスク又はネガ型マスクとして利用する。本発明による別の可能性は、機械的シャドーマスクの使用である。
【００３１】
本発明による思想は、殊に、第１の成分のイオンをイオン源により、殊に広域ビームイオン源により、基板表面に向けて加速させる点にある。このプロセスチャンバは、付加的に、第２の成分としてフォーミングガス、又は好ましくは純水素によってパージされる。基板を、殊にサンプルホルダと接触を介して、加熱、好ましくはできる限りわずかに加熱することも考えられる。広域ビームイオン源を使用する場合に、基板上の化学的汚染（自然酸化物、炭素、不純物）を低エネルギイオン（＜１０００ｅＶ）によって、基板の表面に有害な影響を及ぼすことなく除去することができる。広域ビームイオン源を使用する別の利点は、極めて大きな基板表面、極端な場合に基板表面全体を含む、基板表面の面積部分を清浄化することにある。
【００３２】
この場合、本発明は、殊に、イオンを基板表面に撃ち込む低エネルギイオンスパッタリング装置の使用に基づく。このイオンは、好ましくは、広帯域イオンビームの場合に基板表面に撃ち込まれる。広帯域イオンビームとは、その平均直径が、基板の直径のオーダーの範囲内にあるイオンビームであると解釈される。この場合、イオンビーム直径と基板の直径との比率は、殊に、１／１００より大きく、好ましくは１／１０より大きく、より好ましくは１／２より大きく、最も好ましくは１より大きい。この広帯域イオンビームは、好ましくは基板表面栓体をカバーする。
【００３３】
基板表面上でのイオンビームの直径が、基板表面の直径よりも小さい場合、本発明により、基板表面上の清浄化すべき全ての位置に達するために、殊にイオンビームと基板表面との間で相対運動が行われる。好ましくは、この相対運動は、基板サンプルホルダを、イオン源に対して相対して動かすことにより行われる。この実施形態の場合に、基板表面の、位置特異的、従って位置分解的な清浄化が可能となる。殊に、この場合、狭帯域イオンビームの使用が考えられ、この場合、イオンビームの直径と基板表面の直径との比率は１未満、好ましくは１／１０未満、更に好ましくは１／１００未満、最も好ましくは１／１０００未満に調節される。この比率が小さくなれば、清浄化過程の分解が大きくなるが、清浄化すべき基板上の相応する領域を相対運動により清浄化するためにより長い時間が必要となる。狭帯域イオンビームを、光学素子により直接集束するか又はマスク及び絞り技術によって広帯域イオンビームから作製することができる。この光学素子は、殊に電気式レンズ及び／又は磁気レンズからなり、これらは光学レンズの概念に含まれる。マスク及び絞り技術を使用する場合に、マスク又は多様な開口数を有する絞りを迅速に交換するために、好ましくは自動化ユニット、殊にロボットを使用することができる。相応して小さな断面を有するイオン源による狭帯域イオンビームの作製も考えられる。
【００３４】
本発明による観点は、使用したイオンビーム直径とは無関係に、殊に低エネルギイオンスパッタリング装置を、相応するフォーミングガス、殊に純アルゴン又は純水素ガス（第２の成分）と関連して使用することにある。このフォーミングガスは、この場合に、イオン生成のためのプロセスガスとしてイオンスパッタリング装置のイオン源内で、及び／又はパージガスとしてプロセスチャンバ内で使用される。低エネルギイオンスパッタリング装置と相応するフォーミングガスとの本発明による組み合わせによって、基板表面から不純物は除去されるが、基板表面は改質されず又は全く損傷されないことが保証される。従って、本発明による観点は、低エネルギイオンをイオンスパッタリング装置によって基板表面に向けて加速するが、このエネルギは、基板の特記すべき改質又は損傷を引き起こすためには十分でない点にある。この損傷は、せいぜい極めてわずかであり、かつ基板のマイクロ構造の変化が検出可能である深さ領域によって示される。この深さ領域は、本発明による方法及び装置の適用によって、殊に１０μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、更に好ましくは１００ｎｍ未満、より好ましくは１５ｎｍ未満、更により好ましくは７ｎｍ未満、更により好ましくは３ｎｍ未満、更に好ましくは１．５ｎｍ未満、最も好ましくはゼロである。つまり、理想的な場合にイオン衝撃によって全く損傷が生じない。
【００３５】
不純物及び／又は基板表面に対して特別に合わせた第１の成分（殊にフォーミングガス）は、不純物のスパッタリングされた原子／分子と反応し、それにより本発明の場合に、基板表面への新たな堆積は抑制される。このように形成された、第１の成分により結合された化合物は、好ましくは真空系により吸引されるか又は沈積によりプロセスチャンバ内に結合するので、基板表面への新たな堆積は阻止される。プロセスチャンバを第２の成分（殊にフォーミングガス、好ましくはイオン源で電離されるフォーミングガスと同じフォーミングガス）で付加的にパージすることにより、本発明によるプロセスを最適化及び支援することができる。殊に好ましくは、全面の清浄化を実施するために、広帯域イオンビームを使用することができる。
【００３６】
本発明による実施形態及び装置は、表面不純物、殊に炭素含有不純物を除去するために有効な低コストの可能性を示す。本発明による実施形態は、基本的に全ての種類の基板表面に適用することができるが、特に極めて低い粗さを示す基板表面の場合に、特に効果的である。この粗さは、算術平均粗さ、二乗平均平方根高さ、又は十点平均粗さとして示される。算術平均粗さ、二乗平均平方根高さ及び十点平均粗さについての平均値は、一般にその測定区域又は測定面について区別されるが、同じオーダーの範囲にある。従って、粗さについての次の数値範囲は、算術平均粗さ、二乗平均平方根高さ又は十点平均粗さについての値として解釈される。この粗さは、本発明の場合に、殊に１００μｍ未満、好ましくは１０μｍ未満、より好ましくは１μｍ未満、更に好ましくは１００ｎｍ未満、最も好ましくは１０ｎｍ未満である。本発明による実施形態は、殊に、光学素子に仕上げられる基板の清浄化のためにも適している。更に、比較的複雑なトポグラフィーを示す機能素子、例えば回折格子、フレネルレンズ、ＭＥＭデバイス、ＬＥＤの収容のためのキャビティを備えた基板の清浄化も可能である。
【００３７】
同時に、イオンの十分に低い運動エネルギの選択により、半導体材料中での損傷の発生は抑制される。
【００３８】
本発明による第１の実施形態の場合に、本発明による装置は、付加的に接続されたカウフマン（Kaufmann）型の広域ビームイオン源又はＲＦ−広域イオン源を備えた少なくとも１種の高真空チャンバを含む（出典：K. Otte、A. Schindler、F. Bigl及びH. Schlemm著、Rev. Sei. Instrum., 69, 1499 (1998)）。広帯域イオン源の直径は、本発明の場合に、殊に１０ｍｍ〜１０００ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ〜８００ｍｍ、より好ましくは３０ｍｍ〜６００ｍｍ、より好ましくは４０ｍｍ〜４００ｍｍである。
【００３９】
本発明によるイオン装置は、一実施形態の場合に、完全に排気されることができる。プロセスチャンバのこの種の排気は、殊に作業ガス又は第２の成分の導入の前に行われる。このイオン装置は、１ｂａｒ未満、好ましくは１０-3ｍｂａｒ未満、より好ましくは１０-5ｍｂａｒ未満、更に好ましくは１０-7ｍｂａｒ未満、最も好ましくは１０-8ｍｂａｒ未満の圧力に排気されることができる。この排気後に、作業ガスを用いたイオン装置のパージが行われる。このパージは、作業圧力に達するまで行われる。
【００４０】
イオンチャンバ内の作業圧力は、この場合、殊に、１０-8ｍｂａｒ〜１ｂａｒ、好ましくは１０-6ｍｂａｒ〜１ｂａｒ、更に好ましくは１０-6ｍｂａｒ〜１ｍｂａｒ、最も好ましくは１０-5ｍｂａｒ〜１ｍｂａｒである。
【００４１】
第２の成分又は作業ガスの作業圧力は、殊に１×１０-3ｍｂａｒ〜８×１０-4ｍｂａｒである。基板表面の清浄化のために使用される広域ビームイオン源中に、ガス混合物（水素を含むアルゴン）、（水素を含む窒素）のガス混合物、又は純水素の、１〜１００ｓｃｃｍ／ｍｉｎ（「標準ｃｍ3／ｍｉｎ」＝「標準条件でのｃｍ3／ｍｉｎ」）の制御されたガス流束を導入する。特別な実施形態の場合に、水素、殊に純水素を使用する。
【００４２】
特に好ましい第１の実施形態の場合に、基板サンプルホルダは、テーブル上に取り付けかつ固定されていて、このテーブルは少なくとも１つの回転自由度、好ましくは少なくとも２つの回転自由度、最も好ましくは、殊に相互に垂直に配置された３つの回転自由度を提供する。
【００４３】
好ましい第２の実施形態の場合に、基板サンプルホルダは、テーブル上に取り付けかつ固定されていて、このテーブルは複数の並進自由度及び回転自由度を提供する。このテーブルは、少なくともＸ方向と、このＸ方向に対して垂直のＹ方向に沿って運動することができる。好ましくは、このテーブルは、Ｘ方向及びＹ方向に対して垂直に延びるＺ方向の自由度も有する。特に好ましい実施形態の場合に、このテーブルは、更に別の回転自由度、殊に精確に３つの別の回転自由度を有する。従って、基板サンプルホルダは、プロセスチャンバ内で、全ての方向に走行することができかつ全ての方向に合わせることができる。イオン入射角は、イオンビーム（より正確には、イオンビームの中心軸又は対称軸）と、基板表面上での法線との間の角度として定義される。イオン入射角は、０°（垂直方向の入射）から９０°（基板表面に対して平行方向の入射）の間で自由に調節可能である。イオン入射角は、殊に９０°未満であり、好ましくは７０°未満であり、より好ましくは５０°未満であり、更に好ましくは３０°未満であり、最も好ましくは０°である。イオン源は好ましくはプロセスチャンバに対して静止固定されているので、イオン入射角は基板の回転によって、殊に基板サンプルホルダの傾きによって調節される。本発明の場合に、好ましくない場合でも、運動可能なイオン源も、かつそれによりイオン源の運動によって相応するイオン入射角の調節も考えられる。
【００４４】
特別な広帯域イオン源の使用、及びこの種のイオン源により基板の全面を比較的均質にイオンで照射できるという事実によって、特別な実施形態の場合に、静止基板サンプルホルダ及び／又は静止テーブルも考慮される。
【００４５】
基板サンプルホルダとイオン源の出口開口部との間の距離は、殊に１００ｃｍ未満、好ましくは８０ｃｍ未満、より好ましくは６０ｃｍ未満、最も好ましくは４０ｃｍ未満である。全く特別な実施形態の場合に、基板表面でのイオンのエネルギは、イオン源の出口開口部に対する基板の距離によって、精確に調節されるフォーミングガス密度との関連で調節することができる。殊に、このために、この距離を測定するための測定手段が設けられている。
【００４６】
基板サンプルホルダは、清浄化プロセスの間に、少なくとも１つのヒータ、殊に複数のヒータによって、０℃〜５００℃の温度に加熱することができる。基板温度は、殊に温度センサとの関連で、０℃〜５００℃、好ましくは０℃〜４００℃、更に好ましくは０℃〜３００℃、より好ましくは０℃〜２００℃、最も好ましくは０℃〜２５０℃に調節される。
【００４７】
この基板サンプルホルダは、好ましくは、コンピュータ及び／又はマイクロコントローラ及び／又はファームウェア及び／又は相応するソフトウェアによって制御可能である。
【００４８】
特に好ましくは、始動位置をプログラミングすることができるので、基板サンプルホルダは基板表面の所与の領域を全自動で走査することができる。従って、最適な走査技術を記憶し、ボタンを押すことで再び呼び出すことができる。この可能性は、特に、狭帯域イオン源を使用する場合に、基板表面の清浄化すべき全ての位置に達するために合目的である。広帯域イオン源を使用する場合に、イオンの照射の間の基板サンプルホルダの移動、殊に線形移動及び／又は回転移動は、本発明による効果の均質化に寄与することができる。この場合、特に、高周波数の線形運動及び回転運動が好ましい。基板サンプルホルダの周波数、つまり基板サンプルホルダが１秒当たり１つの任意の方向へ行う振動数は、この場合、殊に１／１００より大、好ましくは１／１０より大、更に好ましくは１より大、より好ましくは１０より大、最も好ましくは１００より大である。基板サンプルホルダの１分当たりの回転数（英語：rounds-per-minute rpm）は、１／１０より大、好ましくは１より大、更に好ましくは１０より大、最も好ましくは１００より大である。
【００４９】
イオン源
本発明により好ましく使用されるイオン源の内部構造は、例えばカウフマン型に相当する。相違点は、殊に、引き出しグリッドシステム（Extraktionsgittersystem）にある。プラズマチャンバから引き出されたイオンは、付加的なグリッドシステム中で、ＨＦ交番電場（２０ＭＨｚ）の印加によって分離される。この場合、全体の透過率は約＜２０％である。これは、１〜１００μＡ／ｃｍ2のイオン電流密度に相当する。質量分離なしで大きな電流密度を使用することができる所定の適用のために、いわゆるＩＳモード（英語：Ion-Source-Mode）を利用することができる。
【００５０】
イオン源は、ＲＡＨモードで、イオンビーム中の不純物の抑制の他に、所定の電荷状態を示す特有のイオン種の適切な選択が可能である。この欠点は、低いイオンエネルギーｅＶ及び低いイオン電流密度（質量分離しないＩＳモードでＥion＜８００ｅＶ及びＪion＜５００μＡ／ｃｍ2又は質量分離するＲＡＨモードでＥion＜５００ｅＶ及びＪion＜５０μＡ／ｃｍ2）である。イオン源の機能様式の精確な記載については、相応する文献（出典：K. Otte、A. Schindler、F. Bigl及びH. Schlemm著、Rev. Sei. Instrum., 69, 1499 (1998)）を指摘する。
【００５１】
本発明による一実施形態の場合に、イオン源からの出口直後のイオン電流についてのイオン電流密度は、１０-5μＡ／ｃｍ2〜１０5μＡ／ｃｍ2、好ましくは１０-3μＡ／ｃｍ2〜１０3μＡ／ｃｍ2、更に好ましくは１μＡ／ｃｍ2〜５００μＡ／ｃｍ2が示される。基板表面での相応するイオン電流密度は、好ましくはこの密度のイオン電流密度と同じである。一般に、確かに、殊にイオン電流の発散によっても、意図した又は意図しない減少が生じる。基板表面でのイオン電流のイオン電流密度は、１０-5μＡ／ｃｍ2〜１０5μＡ／ｃｍ2、好ましくは１０-3μＡ／ｃｍ2〜１０3μＡ／ｃｍ2、更に好ましくは１μＡ／ｃｍ2〜５００μＡ／ｃｍ2である。
【００５２】
作業ガス（第１の成分及び／又は第２の成分）
作業ガスとして、殊に次の種類の原子又は分子を使用する：
・  フォーミングガスＦＧ（アルゴン＋水素）及び／又は
・  フォーミングガスＲＲＧ（水素＋アルゴン）及び／又は
・  フォーミングガスＮＦＧ（アルゴン＋窒素）及び／又は
・  水素、殊に純水素、及び／又は
・  アルゴン、殊に純アルゴン
【表１】
2019062228.tif 000003
【００５３】
本発明による装置
この章では、フォーミングガスＲＦＧｘ（０％〜５０％のＡｒを含む水素割合１００％〜５０％）を用いた基板表面の清浄化方法を記載する。本発明による装置は、イオンビーム源と、任意のヒータを備えた基板サンプルホルダとを有する。基板は、基板サンプルホルダに固定される。イオン源を作動するために、制御された量のフォーミングガスを導入する。
【００５４】
このガス流は、殊に０．００１〜１０００００ｓｃｃｍ／ｍｉｎ、好ましくは０．０１〜１００００ｓｃｃｍ／ｍｉｎ、更に好ましくは０．１〜１０００ｓｃｃｍ／ｍｉｎ、最も好ましくは１〜１００ｓｃｃｍ／ｍｉｎに調節される。プロセスチャンバ内の圧力は、使用するガスの種類並びに使用するポンプシステムに依存するが、１０-8ｍｂａｒ〜１ｂａｒ、好ましくは１０-7ｍｂａｒ〜１０-2ｂａｒ、更に好ましくは１０-6ｍｂａｒ〜１０-3ｂａｒに調節される。イオン源と基板表面との間の電位差は、殊に１Ｖ〜５０００Ｖ、好ましくは３０Ｖ〜２５００Ｖ、最も好ましくは５０Ｖ〜８００Ｖに調節される。基板でのイオンビーム電流密度は、殊に、０．００１〜５０００μＡ／ｃｍ2、好ましくは０．０１〜２５００μＡ／ｃｍ2、更に好ましくは０．１〜１０００μＡ／ｃｍ2、最も好ましくは１〜５００μＡ／ｃｍ2の範囲内にある。好ましくは５０°未満、好ましくは４０°未満、更に好ましくは３０°未満、より好ましくは２２°未満のイオン入射角を使用する。基板表面の照射時間及び加熱は、殊に、使用する半導体材料の種類及び表面の汚染層の厚さに依存する。イオン源に対する基板の距離は、殊に１〜１００ｃｍ、好ましくは１０〜８０ｃｍ、更に好ましくは２０〜５０ｃｍ、最も好ましくは約３０ｃｍ（イオン源の出口開口部から測定）に調節される。所定の温度への基板表面の加熱は、使用する半導体材料の種類にも依存する。水素の不動態化作用は、一般にかつ最も簡単な場合に、次の化学反応により記載される（出典：A. J. Pearton及びJ. W. Lee著、vol. 61、N. H. Nickel編(Academic press, San Diego) p. 442 (1999)）：
【化１】
2019062228.tif 000004
式中、Ｄ+は、電離した供与体を表し、かつＡ-は、電離した受容体を表す。
【化２】
2019062228.tif 000005
【００５５】
本発明による特別な実施形態の場合に、プロセスチャンバ、殊に高真空イオンチャンバに複数の、殊に１より多くの、好ましくは２より多くの、更に好ましくは３より多くのイオン源を接続することができる。複数のイオン源の使用により、一方で基板の表面でのイオン密度を高めかつ良好に制御することができる。更に、複数のイオン源は、複数の異なるイオン種を使用することもでき、この異なるイオン種は、製造の間では互いに別々に存在し、イオン源を離れた後に初めて、殊に基板表面で初めて又は基板表面の直前で初めて出会う。本発明による方法は、全ての種類の基板表面の清浄化のために使用することができる。殊に好ましくは、この方法は、もちろん、次の材料／材料の組み合わせからなる基板表面の清浄化のために適している：
・  ケイ素、熱により酸化されたケイ素、石英、ゼロデュア（Ｚｅｒｏｄｕｒ）、炭化ケイ素、モリブデン及び／又は３Ａ−５Ｂ半導体材料、
・  特別な適用のため：
○  ウェハの直接的接合の際の同種半導体構造及び／又は
○  ＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＰ／ＩｎＰ、Ｇｅ／Ｇｅ、Ｓｉ／Ｓｉ、Ｓｉ、ＳｉＯ2及び／又は
○  ウェハの直接的接合の際の異種半導体構造及び／又は
○  ＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＧａＡｓ／Ｇｅ、ＧａＡｓ／Ｓｉ、Ｇｅ／Ｓｉ、Ｇｅ／ＩｎＰ、ＩｎＰ／Ｓｉ及び／又は
○  金属及び／又は
○  Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｏ及び／又は
○  合金及び／又は
○  任意の、殊に上述の材料の組み合わせ
【００５６】
基板表面を本発明により清浄化した後、これを後続のプロセス工程に供給することができる。リソグラフィープロセス、例えばインプリンティングプロセス又はフォトリソグラフィー、被覆プロセス、エッチングプロセス、湿式化学清浄化プロセス及び／又は真空堆積プロセスが考えられる。本発明による好ましい真空堆積プロセスには、殊に次のものが挙げられる：
・  物理蒸着（ＰＶＤ）、
・  化学蒸着（ＣＶＤ）、
・  分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、
・  プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、
・  プラズマ物理蒸着（ＰＥＰＶＤ）、
・  原子層堆積（ＡＬＤ）。
【００５７】
特に好ましくは、本発明による方法は、第２の基板の第２の基板表面との引き続く接合作業のための準備の目的で、基板表面を清浄化するために適している。特に、金属接合プロセス又は融合接合プロセスのような持続的接合プロセスの場合、両方の基板表面は、この両方の基板表面の良好な結合を可能にするために、好ましくは極端に高い純度及び平坦度を示す。いかなる種類の不純物も、この接合プロセスを決定的に妨害する。第２の基板表面は、好ましくは同じ方法で清浄化される／清浄化されている。直接的接合が特に好ましい。本発明により処理された２つの金属表面の接触時に、好ましくは自動的に持続的接合が行われる。例えばケイ素又は酸化ケイ素のような基板表面の場合には、まずいわゆる予備的接合を行い、この予備的接合を引き続く熱処理プロセスにより持続的接合に変換することもできる。予備的接合の作製は、好ましくは室温で行われる。更に特に好ましい実施形態の場合には、基板表面は、持続的接合の製造のために必要な温度を最低にまで低減することができるほどの純度である。理想的な場合には、持続的接合の作製は、全ての種類の基板表面に対して、即座にかつ予備的接合工程なしで、殊に付加的熱処理工程なしで行われる。
【００５８】
直接的接合とは、この場合、２つの基板表面の、（原子の）共有結合によるだけの結合であると解釈される。最初の段階で、いわゆる予備的接合の形成を行い、この予備的接合は、両方の基板表面の間で、ファンデルワールス力により生じる、いまだに可逆的な、従って解除可能な結合により特徴付けられる。両方の基板表面を、まず一度予備的接合により相互に結合する場合、少なくともこれらの基板表面の更なる又は新たな汚染はもはや不可能である。この予備的接合は、その後で熱処理によって、持続的、つまり不可逆な、もはや解除不能な直接的接合に変換することができる。この直接的接合は、殊に基板表面間の共有結合の形成により特徴付けられる。この共有結合は、殊にＳｉ−Ｓｉの又はＳｉ−Ｏの共有結合である。従って、記載された本発明による実施形態及び装置は、特に、２つの基板を相互に少なくとも一度で接合なければならないプロセスのために使用される。従って、特に好ましくは、本発明による装置は、真空クラスタ、好ましくは高真空クラスタ、更に好ましくは超高真空クラスタの一部であり、かつ、この中で、相応するプロセス中で基板を清浄化しかつ接合用に準備するために、特にアライメント装置及び／又は接合装置との関連で使用される。上述の真空クラスタ内の圧力は、殊に１ｂａｒ未満、好ましくは１０-1ｍｂａｒ未満、更に好ましくは１０-3ｍｂａｒ未満、より好ましくは１０-5ｍｂａｒ未満、最も好ましくは１０-8ｍｂａｒ未満である。
【００５９】
本発明による方法は、金属接合、殊に拡散接合、共晶接合、陽極接合又は任意の他の接合によって相互に結合する基板の表面清浄化のためにも用いることができる。従って、殊に、本発明による方法は、金属及び／又はセラミック表面の清浄化のためにも使用することができる。
【００６０】
本発明による装置は、殊に好ましくは、同じ真空クラスタ内でアライメント装置（英語：aligner）によって相互にアライメントし、かつ接合装置により相互に結合させる基板の表面を清浄化するために使用される。アライメント装置は、この場合、例えば、オーストリア国特許発明第４０５７７５号明細書、特許協力条約／欧州特許出願第２０１３／０６２４７３号又は特許協力条約／欧州特許出願第２０１３／０７５８３１号に挙げられたようなアライメント装置であることができ、この点でこれらの文献が指摘される。特に好ましくは、基板はアライメント装置と接合装置との間で磁気的部材によって固定される。この種の固定装置は、特許文献の特許協力条約／欧州特許出願第２０１３／０５６６２０号に詳細に述べられていて、この点でこの文献が参照される。
【００６１】
清浄化されるべき表面の例
次の章では、言及された基板表面の場合に不純物、殊に炭素含有不純物及び自然酸化物の完全な除去が生じる複数の最適なパラメータセットを示す。
【００６２】
ＧａＡｓ基板表面
本発明によるプロセスは、ＧａＡｓ表面の場合に、専らではないが主に酸化物除去のために利用される。
【００６３】
ＧａＡｓ表面のために使用される作業ガスは、フォーミングガスＲＦＧ１（水素１００％）又はＲＦＧ２（表１参照）である。イオンエネルギーは、この場合、１００ｅＶ〜５００ｅＶ、好ましくは２００ｅＶ〜４００ｅＶ、最も好ましくはちょうど３００ｅＶである。電流密度は、２．５μＡ／ｃｍ2〜６．５μＡ／ｃｍ2、好ましくは３．５μＡ／ｃｍ2〜５．５μＡ／ｃｍ2、より好ましくはちょうど４．５μＡ／ｃｍ2である。基板表面の温度は、１００℃〜２００℃、好ましくは１２５℃〜１７５℃、より好ましくはちょうど１５０℃である。基板表面の処理時間は、１０ｓより長く、好ましくは５０ｓより長く、更に好ましくは１００ｓより長く、最も好ましくは３００ｓより長い。イオンのイオン線量は、１０12イオン／ｃｍ2ｓ〜１０16イオン／ｃｍ2ｓ、より好ましくは１０13イオン／ｃｍ2ｓ〜１０15イオン／ｃｍ2ｓ、最も好ましくはちょうど１．５・１０14イオン／ｃｍ2ｓである。
【００６４】
Ｈイオンの衝撃によるＧａＡｓ表面の酸化物除去のメカニズムは、恐らく、水素イオン又はラジカル水素とヒ素酸化物との間の化学反応に基づく。生じるヒ素酸化物は真空下で蒸発する。相応する化学反応を次に示す：
【化３】
2019062228.tif 000006
【００６５】
この場合、χ＝３又は５、これはＧａＡｓ表面のヒ素の多様な酸化物に応じる。この電子は、「無電位の試料」の中和又は伝導帯に由来する（出典：E. Petit、F. Houzay及びJ. Moison著、J. Vac. Sei. Technol. A 10, 2172 (1992)）。
【００６６】
相応する事象は、酸化ガリウムの清浄化の際に期待される。
【化４】
2019062228.tif 000007
【００６７】
Ｇａ2Ｏの昇華は、同様に、基板表面からのＧａ酸化物の除去のために重要な工程である。低い温度で、殊に２００℃未満の温度では、Ｇａ2Ｏの昇華は行われず、原子状の水素によるヒ化ガリウムの還元が行われることも考慮できる。それにより、ガリウムと水とが生じ、この水は相応して蒸発する。
【化５】
2019062228.tif 000008
【００６８】
Ｇｅ基板表面
本発明によるプロセスは、ゲルマニウム表面の場合に、主に酸化物除去及び有機化合物の清浄化のために利用される。
【００６９】
Ｇｅ表面のために使用される作業ガスは、フォーミングガス混合物ＲＦＧ１、ＲＦＧ３、ＲＦＧ４及びＲＦＧ５（表１参照）である。イオンエネルギーは、殊に、１００ｅＶ〜８００ｅＶ、好ましくは１５０ｅＶ〜４００ｅＶ、最も好ましくはちょうど３５０ｅＶ、２００ｅＶ、４００ｅＶ（表２参照）である。電流密度は、４．５μＡ／ｃｍ2〜８．５μＡ／ｃｍ2、好ましくは５．５μＡ／ｃｍ2〜７．５μＡ／ｃｍ2、最も好ましくはちょうど６．５μＡ／ｃｍ2である。基板表面の温度は、２７５℃〜３５０℃、好ましくは３００℃〜３２５℃、最も好ましくはちょうど３００℃である。基板表面の処理時間は、殊に１０ｓより長く、好ましくは３００ｓより長く、更に好ましくは６００ｓより長く、最も好ましくは１２００ｓより長い。プラズマのイオン線量は、殊に１０12イオン／ｃｍ2ｓ〜１０16イオン／ｃｍ2ｓ、より好ましくは１０13イオン／ｃｍ2ｓ〜１０15イオン／ｃｍ2ｓ、最も好ましくはちょうど５×１０14イオン／ｃｍ2ｓである。
【表２】
2019062228.tif 000009
【００７０】
Ｇｅ表面からの自然酸化物及び炭素の完全な除去が、プロセスチャンバ中の不純物が要因となり得る相対的に低い割合（＜１％）を除き、表２のプロセスパラメータによるイオン衝撃によって実現された。表面温度を室温から約３５０℃に高める場合、炭素及び酸化膜は、ゲルマニウム基板表面から完全に除去することができる。水素イオンビームによる酸化ゲルマニウムの除去のための可能な化学反応を、次に記載することができる：
【化６】
2019062228.tif 000010
【００７１】
ＩｎＰ基板表面
本発明によるプロセスは、ＩｎＰ表面の場合に、専らではないが主に酸化物除去のために利用される。
【００７２】
ＩｎＰ表面のために使用される作業ガスは、フォーミングガス混合物ＲＦＧ１、ＲＦＧ３及びＮＦＧ５（窒素５０％＋アルゴン５０％）である。イオンエネルギーは、１００ｅＶ〜５００ｅＶ、好ましくは２００ｅＶ〜４００ｅＶ、最も好ましくはちょうど３００ｅＶである。電流密度は、２．５μＡ／ｃｍ2〜６．５μＡ／ｃｍ2、好ましくは３．５μＡ／ｃｍ2〜５．５μＡ／ｃｍ2、より好ましくはちょうど４．５μＡ／ｃｍ2である。基板表面の温度は、１２５℃〜２２５℃、好ましくは１５０℃〜２００℃、より好ましくはちょうど１７５℃である。基板表面の処理時間は、１０ｓより長く、好ましくは１００ｓより長く、更に好ましくは３００ｓより長く、最も好ましくは６００ｓより長い。プラズマのイオン線量は、１０12イオン／ｃｍ2ｓ〜１０16イオン／ｃｍ2ｓ、より好ましくは１０13イオン／ｃｍ2ｓ〜１０15イオン／ｃｍ2ｓ、最も好ましくはちょうど１．５×１０14イオン／ｃｍ2ｓである。
【表３】
2019062228.tif 000011
【化７】
2019062228.tif 000012
【００７３】
Ｓｉ基板表面
ケイ素表面のために使用される作業ガスは、フォーミングガス混合物ＦＧ０、ＦＧ１、ＦＧ３、ＲＦＧ５、ＮＦＧ３（表１参照）である。イオンエネルギーは、１５０ｅＶ〜８００ｅＶ、好ましくは１５０ｅＶ〜５００ｅＶ、最も好ましくはちょうど５００ｅＶである。電流密度は、２０μＡ／ｃｍ2〜７０μＡ／ｃｍ2、好ましくは３０μＡ／ｃｍ2〜６０μＡ／ｃｍ2、より好ましくは４０μＡ／ｃｍ2〜５０μＡ／ｃｍ2である。基板表面の温度は、３００℃〜４００℃、好ましくは３２５℃〜３７５℃、より好ましくはちょうど３５０℃である。基板表面の処理時間は、１０ｓより長く、好ましくは５０ｓより長く、更に好ましくは１００ｓより長く、最も好ましくは３００ｓより長い。プラズマのイオン線量は、１０13イオン／ｃｍ2ｓ〜１０17イオン／ｃｍ2ｓ、より好ましくは１０14イオン／ｃｍ2ｓ〜１０16イオン／ｃｍ2ｓ、最も好ましくはちょうど１．５・１０15イオン／ｃｍ2ｓである。
【表４】
2019062228.tif 000013
【００７４】
酸化ケイ素の除去は、好ましくは次の反応式によって記載される：
【化８】
2019062228.tif 000014
【００７５】
ＳｉＯ2基板表面
熱による酸化ケイ素のために使用される作業ガスは、フォーミングガス混合物ＦＧ０、ＦＧ２、ＦＧ５（表１参照）である。イオンエネルギーは、１５０ｅＶ〜８００ｅＶ、好ましくは４７５ｅＶ〜５２５ｅＶ、最も好ましくはちょうど５００ｅＶである。電流密度は、２０μＡ／ｃｍ2〜７０μＡ／ｃｍ2、好ましくは３０μＡ／ｃｍ2〜６０μＡ／ｃｍ2、より好ましくは４０μＡ／ｃｍ2〜５０μＡ／ｃｍ2である。基板表面の温度は、３００℃〜４００℃、好ましくは３２５℃〜３７５℃、最も好ましくはちょうど３５０℃である。基板表面の処理時間は、１０ｓより長く、好ましくは５０ｓより長く、更に好ましくは１００ｓより長く、最も好ましくは３００ｓより長い。プラズマのイオン線量は、１０13イオン／ｃｍ2ｓ〜１０17イオン／ｃｍ2ｓ、より好ましくは１０14イオン／ｃｍ2ｓ〜１０16イオン／ｃｍ2ｓ、最も好ましくはちょうど１．５・１０15イオン／ｃｍ2ｓである。
【表５】
2019062228.tif 000015
【００７６】
酸化ケイ素の除去は、好ましくは次の反応式によって記載される：
【化９】
2019062228.tif 000016
【００７７】
ゼロデュア（Ｚｅｒｏｄｕｒ（ＡｌＳｉＯ2））表面
酸化アルミニウムケイ素のために使用される作業ガスは、フォーミングガス混合物ＦＧ５（アルゴン５０％及び水素５０％）である（表１参照）。イオンエネルギーは、４５０ｅＶ〜５５０ｅＶ、好ましくは４７５ｅＶ〜５２５ｅＶ、最も好ましくはちょうど５００ｅＶである。電流密度は、５μＡ／ｃｍ2〜５００μＡ／ｃｍ2、好ましくは３０μＡ／ｃｍ2〜６０μＡ／ｃｍ2、最も好ましくはちょうど５００μＡ／ｃｍ2である。基板表面の温度は、室温〜４００℃、最も好ましくはちょうど室温である。基板表面の処理時間は、１０ｓより長く、好ましくは５０ｓより長く、更に好ましくは１００ｓより長く、最も好ましくは１２０ｓより長い。プラズマのイオン線量は、１０13イオン／ｃｍ2ｓ〜１０17イオン／ｃｍ2ｓ、より好ましくは１０14イオン／ｃｍ2ｓ〜１０16イオン／ｃｍ2ｓ、最も好ましくはちょうど１．５・１０15イオン／ｃｍ2ｓである。
【００７８】
本発明による処理前及び処理後の基板表面の定量化を、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって行った。
【００７９】
本発明によるプロセスの一般的記載
本発明によるプロセスを、殊に次のように制御することができる：
第１のガス、殊にフォーミングガス、更に好ましくは２つの成分だけからなるフォーミングガス、最も好ましくはアルゴンからなるフォーミングガスを、イオン源中で電離し、加速ユニットにより基板表面の一点に加速する。広帯域イオンビームの好ましい使用の場合には、このイオンビームは、殊に基板全体をカバーする。第１の成分は、基板表面の汚染されていない箇所に当たり、かつ柔軟に制御され、従って基板表面中での改質／損傷の原因とはならず、かつそれにより物理的及び／又は化学的変化を引き起こさない。第２の考えられる場合には、第１の成分は不純物に当たる。不純物と基板表面との間の結合エネルギは、本発明の場合に、基板表面自体の変化のために必要なエネルギよりも低く、殊にその数分の一に調節される。これとは別に又はこれに対して付加的に、不純物と基板表面との間の結合エネルギは、第１の成分の運動エネルギよりも低く、殊に数分の一に調節される。従って、第１の成分は、基板表面自体を損なうことなく不純物を基板表面から除去することができる。第２の本発明による段階では、第２のガス、殊にフォーミングガス、更に好ましくは１つの成分だけからなるフォーミングガス、好ましくは水素が、雰囲気中に存在するスパッタリングされた不純物を、あまり害のない、もはや容易には基板表面に堆積しない化合物に変換するために使用する。この化合物は、好ましくは、相応する周囲環境中で気体の状態で存在しかつ従ってプロセスチャンバから搬出することができる化合物である。イオン源中で生じたガスは、特別な実施形態の場合では、不純物を、あまり害のない、もはや容易には基板表面に堆積しない化合物に変換する第２のガスと同じであってもよい。
【００８０】
更に、本発明による方法をできる限り有効に適用することができる本発明による装置が示される。本発明による装置は、少なくとも１つのイオン源、少なくとも１つのプロセスチャンバ、作業ガスをプロセスチャンバ内へ導入するための少なくとも１つのバルブ、並びに基板の固定のため及び殊に運動のための基板サンプルホルダからなる。本発明による装置は、好ましくはクラスタの一部、より好ましくは高真空クラスタの一部、更に好ましくは超高真空クラスタの一部である。上述の真空クラスタ内の圧力は、殊に１ｂａｒ未満、好ましくは１０-1ｍｂａｒ未満、更に好ましくは１０-3ｍｂａｒ未満、より好ましくは１０-5ｍｂａｒ未満、最も好ましくは１０-8ｍｂａｒ未満である。更に特に好ましい実施態様の場合に、本発明による装置は、基板を相互に貼り合わせるために、特に接合装置及び／又はアライメント装置と一緒に使用される。
【００８１】
更に、本発明による製品として、極端に高い表面純度及び極めて低い損傷表面範囲により特徴付けられる基板が示される。この表面純度は、この場合、好ましくは不純物原子の、基板表面原子の数に対する比率により表される。この表面純度は、従って無次元の比の数である。好ましくはこの数は、極めて小さな数となり、従ってｐｐｍ（英語：parts per million）、ｐｐｂ（英語：parts per billion）又はｐｐｔ（英語：parts per trillion）で表される。本発明による清浄化プロセスの前に、基板表面全体を不純物が覆い、それにより、上記に規定された表面単位は、１以上であってもよい。本発明による方法によって、この表面純度は相応して低減される。基板表面の不純物は、本発明による方法を適用した後で、１（１０6ｐｐｍ）未満、好ましくは１０-3（１０００ｐｐｍ）未満、更に好ましくは１０-6（１ｐｐｍ）未満、より好ましくは１０-9（１ｐｐｔ）未満、殊に好ましくはゼロである。
【００８２】
損傷の強度は、最も好ましくは、基板のマイクロ構造の変化がまだ検出可能である深さ領域により示される。この深さ領域は、本発明による方法及び装置の適用によって、１０μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、更に好ましくは１００ｎｍ未満、より好ましくは１０ｎｍ未満、より好ましくは１ｎｍ未満、最も好ましくはゼロである。つまり、理想的な場合にイオン衝撃によって全く損傷が生じない。このような損傷の検出は、本発明による方法により処理された第１の基板の表面又は表面近傍領域のマイクロ構造を、本発明による方法により処理していないが、好ましくは同じバッチに由来する第２の基板の表面又は表面近傍領域のマイクロ構造と比較することにより行うことができる。マイクロ構造は、この場合、好ましくはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）及び／又はＡＦＭ（英語：atomic force microscopy）及び／又はＳＥＭ（英語：scanning electron raicroscopy）及び／又はＸ線散乱及び／又は電子散乱によって調査される。
【００８３】
本発明の他の利点、特徴及び細部は、好ましい実施例の次の記載から並びに図面により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明による第１の実施形態の略図を表す。
【図２】本発明による第２の実施形態の略図を表す。
【図３】本発明による第３の実施形態の略図を表す。
【図４】本発明による第４の実施形態の略図を表す。
【図５】複数の原子の、処理時間による濃度依存性の学術的グラフを表す。
【図６ａ】ＸＰＳ信号の、ケイ素材料についての波長による強度依存性の学術的グラフを表す。
【図６ｂ】本発明による処理前の基板表面の顕微鏡による表面写真を表す。
【図６ｃ】本発明による処理後の基板表面の顕微鏡による表面写真を表す。
【図７】ＸＰＳ信号の、酸化ケイ素材料についての波長による強度依存性の学術的グラフを表す。
【図８】ＸＰＳ信号の、ゼロデュア（Ｚｅｒｏｄｕｒ）材料についての波長による強度依存性の学術的グラフを表す。
【図９】ＸＰＳ信号の、金材料についての波長による強度依存性の学術的グラフを表す。
【発明を実施するための形態】
【００８５】
図中で、同じ特徴又は同様に作用する特徴は、同じ符号で表されている。
【００８６】
図１は、イオンビーム３、殊に広帯域イオンビームを作製するイオン源２を備えたイオンスパッタリング装置１からなる本発明による好ましい第１の実施形態を示す。このイオンビーム３は、基板サンプルホルダ５に固定された基板７の基板表面７ｏに当たる。この基板サンプルホルダ５は、テーブル４に固定されていて、かつ好ましくは交換可能である。基板７は、ロボットによって、ゲート９を介してプロセスチャンバ８内へ導入することができる。バルブ６を介してプロセスチャンバ８を排気することができ及び／又はプロセスガスでパージすることができる。テーブル４は、ｘ方向及び／又はｙ方向及び／又はｚ方向への並進移動及び／又はｘ軸及び／又はｙ軸及び／又はｚ軸を中心とする回転移動ができることによって、基板表面７ｏは、イオンビーム３に対して各々の任意の位置及び任意の方向にすることができる。
【００８７】
プロセスガスは、好ましくは、イオンビーム３を作製するためにイオン源２により使用されるものと同じフォーミングガスが使用されている。
【００８８】
図２は、第２のイオン源２′を拡張した、第２の実施形態を示す。この第２のイオン源２′は、第２のフォーミングガスをプロセスチャンバ８内へ導入するために使用できるか又はこの第２のイオン源２′は、イオンビーム３のイオンビーム３′による適切な操作のために利用できる。例えば、第２のイオンガスを第２のイオン源２′中で作製し、この第２のイオンガスが第１のイオン源２のイオンビーム３中のイオンを還元又は酸化することにより、イオンビーム３中のイオン密度をイオンビーム３′により操作することが考えられる。第２のイオン源２′が電子源であり、この電子源を用いて電子をイオンビーム３に向けて撃ち込むことも考えられる。次いで、このイオンビーム３′の電子は、イオンビーム３の正電荷のイオンを低減する。高い電子密度によって、イオンビーム３のイオンの酸化状態を高めることもでき、従って、このイオンは負電荷となる。
【００８９】
図３は、図１に類似する、本発明による第３の実施形態を示し、ここでは、イオン源２″は、狭帯域イオンビーム３″を使用して、基板表面７ｏの本発明による清浄化を実施する。基板表面７ｏでの全体の望ましい位置に達するために、基板サンプルホルダ５を基板７と共に、イオンビーム３″に対して相対運動させる。この実施形態の場合でも、少なくとも１つの他のイオン源２′の使用が考えられる。
【００９０】
図４は、図２及び図３に類似する、本発明による第４の実施形態を示し、ここでは、イオン源２は絞り１０の上側で広帯域イオンビーム３を作製する。絞り１０は、この広帯域イオンビーム３を狭帯域イオンビーム３″に変換する。第２のイオン源２′は、この本発明による実施形態の場合に、イオンビーム３″の操作のためだけでなく、殊に好ましくは、特に絞り１０から剥がれる不純物と結合する。そうでないと、この不純物は、基板７に堆積し、基板７を汚染しかねないためである。図４中に示された、イオン源２、広帯域イオンビーム３及び絞り１０の組み合わせは、相応する狭帯域イオンビーム３″の作製のために極めて頻繁に使用されるため、この本発明による実施形態も、相応して高い技術的意義及び高い経済的意義がある。絞り１０は、殊に、炭素又は炭素含有材料から作製され、従って、基板７の汚染、特に有機物による汚染に相応して深く関与する。しかしながら、本発明によるこの実施形態によって、殊にイオン銃として構成された第２のイオン源２′及び／又は導入されたフォーミングガスによって、絞り１０による不純物の堆積を十分に抑制できるか、又はそれどころか完全に排除できる。第２のイオン源２′のイオンビーム３′は、絞り１０の相応する位置決めの際に、絞り１０と第１のイオン源２との間でも、つまり広帯域イオンビーム３の範囲でも使用することができる。更に特に好ましい実施形態の場合に、イオン源２′は、イオンビーム３′が絞り１０の上方及び下方で使用することができるように変向することができる。もちろん、イオンビーム３′は、更に基板表面７ｏの方向に向けて使用することもできる。基板表面７ｏでの全体の望ましい位置に達するために、また、基板サンプルホルダ５を基板７と共に、イオンビーム３″に対して相対運動させることができる。
【００９１】
図５は、実施されたＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）測定の学術的グラフを示し、このグラフは、ＧａＡｓ基板表面７ｏでのガリウム、ヒ素、炭素及び酸素の原子濃度の、本発明によるイオンスパッタリング装置及び本発明によるフォーミングガス混合物を用いた衝撃時間の関数として記載されている。酸素濃度及び炭素濃度の低減及びそれと関連してガリウム濃度及びヒ素濃度の増大を明らかに認識することができる。この場合に、ここに示された清浄化プロセスは、基板表面の特記すべき程の損傷なしで、極端に低い温度でかつ極めて短時間でこのような結果を可能にすることが考慮される。殊に、特記すべき程の損傷とは、深さ領域内でのマイクロ構造の変化であると解釈する。この深さ領域は、殊に１５ｎｍ未満、好ましくは７ｎｍ未満、更に好ましくは３ｎｍ未満、最も好ましくは１．５ｎｍ未満である。
【００９２】
図６ａは、２つの強度スペクトルの、実施したＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）測定の学術的グラフを示す。上側の強度スペクトルは、特徴的な強度プロフィールにより、酸素及び炭素、並びにケイ素の存在を示す。ケイ素表面の本発明による清浄化後に記録された下側の強度スペクトルでは、特徴的な酸素プロフィール及び炭素プロフィールが消失している。図６ｂ及び６ｃは、調査した基板表面の、本発明による方法の適用前後のＡＦＭ（英語：atomic force microscopy）写真を示す。炭素不純物の除去並びに酸化物の除去による粗さの低減を明らかに認識できる。本発明による方法は、イオンスパッタリング技術を使用するのにも係わらず、表面の粗面化を引き起こさず、不純物を除去し、かつ基板表面を、後続のプロセス工程のために最適に準備する。
【００９３】
図７は、３つの強度スペクトルの、実施したＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）測定の学術的グラフを示す。上側の強度スペクトルは、炭素並びに二酸化ケイ素の酸素の存在を示す。第１の試験において、炭素を純アルゴンによって除去することを試した。純アルゴンを用いたイオン衝撃後に、第２の、中央の強度プロフィールが記録された。第２の強度プロフィールの場合には、炭素濃度の上昇を明らかに認識することができる。この炭素濃度の上昇は、多くの原因がある。ただし、この炭素がプロセスチャンバ８に由来することが重大である。この炭素は、プロセスチャンバ８に集まり、壁部に堆積し、イオンスパッタリング装置の部材を介して又はゲートを通して持ち込まれる。本発明によるフォーミングガスとの関連での本発明の技術による基板表面７ｏの本発明による処理により初めて、同じ波長で、第３の下側の強度プロフィールで、炭素プロフィールの不存在を明らかに認識することができるような炭素不含の基板表面が提供される。
【００９４】
同様の考察が、図８により、ゼロデュア（Ｚｅｒｏｄｕｒ）で実施した試験についても当てはまる。
【００９５】
図９は、最後に、金表面での炭素の除去を示す。これにより、本発明による装置及び方法が、金属表面の清浄化のためにも極めて適していることを示すことができる。特に好ましくは、本発明による方法は、次のプロセス工程で接合するために、銅のような金属表面の清浄化のためにも使用できる。
【符号の説明】
【００９６】
１  イオンスパッタリング装置
２，２′，３″  イオン源
３，３′，３″  イオンビーム
４  テーブル
５  基板サンプルホルダ
６  バルブ
７  基板
７ｏ  基板表面
８  プロセスチャンバ
９  ゲート
１０  絞り
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2019062228.tif 000020
【図５】
2019062228.tif 000021
【図６ａ】
2019062228.tif 000022
【図６ｂ】
2019062228.tif 000023
【図６ｃ】
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【図７】
2019062228.tif 000025
【図８】
2019062228.tif 000026
【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年12月17日(2018.12.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の基板表面を表面処理する方法であって、前記方法は、
前記基板表面をプロセスチャンバ内に配置する工程と、
前記基板表面から不純物を剥離するために、前記基板表面にイオンビームを撃ち込む工程であって、前記イオンビームは、１０００ｅＶ未満のイオンエネルギーを有し、第１の成分を含み、また、前記イオンビームは、イオンビーム源により作製され、前記基板表面に向けられている、工程と、
前記剥離された不純物の結合のために、前記プロセスチャンバに第２の成分を導入する工程とを含み、
前記基板表面にイオンビームを撃ち込むことに起因したマイクロ構造の変化を検出可能な、前記基板の深さ領域が１０μｍ未満である、方法。
【請求項２】
前記深さ領域が１５ｎｍ未満である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記深さ領域が１．５ｎｍ未満である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
基板の基板表面を表面処理する装置であって、前記装置は、
基板を中に配置するためのプロセスチャンバと、
１０００ｅＶ未満のイオンエネルギーを有するイオンビームを作製し、当該イオンビームを前記基板表面に向けるように構成されたイオンビーム源であって、前記イオンビームは、前記基板表面から不純物を剥離するために、前記基板表面に撃ち込まれるように構成されており、その結果、前記基板に対する検出可能なマイクロ構造の変化が１０μｍ未満の深さ領域に限定され、かつ、前記イオンビームが第１の成分を含む、イオンビーム源と、
前記剥離された不純物の結合のために、前記プロセスチャンバに第２の成分を導入するための手段と
を備えている、装置。
【請求項５】
前記深さ領域が１５ｎｍ未満である、請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記深さ領域が１．５ｎｍ未満である、請求項４記載の装置。
【請求項７】
基板の基板表面を表面処理する装置であって、前記装置は、
基板を中に配置するためのプロセスチャンバと、
出口開口部を有するイオンビーム源であって、前記イオンビーム源は、１０００ｅＶ未満のイオンエネルギーを有するイオンビームを作製し、当該イオンビームを前記基板表面に向けるように構成されており、前記イオンビームは、前記基板表面から不純物を剥離するために前記基板表面に撃ち込まれるように構成されており、第１の成分を含む、イオンビーム源と、
前記剥離された不純物の結合のために、前記プロセスチャンバに第２の成分を導入するための手段と
を備え、前記出口開口部と前記基板との間の距離が１ｃｍ以上１００ｃｍ以下である、装置。
【請求項８】
前記出口開口部と前記基板との間の距離が１０ｃｍ以上８０ｃｍ以下である、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記出口開口部と前記基板との間の距離が２０ｃｍ以上５０ｃｍ以下である、請求項７記載の装置。
【請求項１０】
前記プロセスチャンバの温度が１００℃未満である、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記プロセスチャンバの温度が室温である、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記プロセスチャンバの温度が１００℃未満である、請求項４記載の装置。
【請求項１３】
前記プロセスチャンバの温度が室温である、請求項４記載の装置。
【外国語明細書】
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