(57)【要約】【課題】原子スケールで表面を平滑化する方法および装置を提供する。【解決手段】本発明は、イオン源またはリモートプラズマ源で形成できる低いエネルギーのイオンまたは中性希ガスのビームを使用して表面の平滑化を実現するものである。平滑化プロセスには、多層体形成法における堆積後の原子スケールでの平滑化工程（例えば平滑化支援工程）も含まれるようにしてもよい。本発明は、比較的低い粒子エネルギー（例えば素材のスパッタ閾値を下回る）および垂直に近い入射角を組み合わせて利用するものであり、原子スケールの表面平滑化を改善することができ、表面が実質上エッチングされなくなる。【選択図】      図１
2004250778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子スケールで素材表面を平滑化する装置であって、該装置は、
前記素材を配置するチャンバと、
前記チャンバ内に配置されて、前記表面が実質上エッチングされずに該表面を平滑化させるのに有効な比較的低いエネルギーで該表面と衝突する粒子のビームを供給する供給源と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記比較的低いエネルギーは前記素材のスパッタ閾値を下回ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記比較的低いエネルギーは２０ｅＶから４０ｅＶの範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記供給源はイオン化された粒子のビームを供給することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記イオン化された粒子は希ガス分子であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記供給源が中性粒子のビームを供給することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記粒子のビームは垂直入射角に比較的近い角度で前記表面に衝突することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記衝突の角度は垂直から０〜３０度離れた範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記チャンバ内に配置されて、前記素材を保持するようになったステージをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ステージは、選択的に傾斜可能であって、前記粒子のビームが前記素材表面に衝突する角度を変更するのに有効なものであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記表面に素材層を堆積するための少なくとも１つの堆積チャンバと、
前記チャンバと前記少なくとも１つの堆積チャンバとの間で前記素材を移送するための移動可能デバイスと
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記チャンバは、前記供給源を含む第１部分と、前記素材に膜を堆積するための少なくとも一つの第２部分とを含むマルチターゲットチャンバであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記チャンバの前記第１部分および前記少なくとも一つの第２部分との間で前記素材を移送するための移動可能アームをさらに備えることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１４】
原子スケールで素材表面を平滑化する方法であって、該方法は、比較的低いエネルギーを有する粒子のビームに該表面を晒して、該表面を実質上エッチングしないで該表面を効果的に平滑化する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記比較的低いエネルギーは前記素材のスパッタ閾値を下回ることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記比較的低いエネルギーは２０ｅＶから４０ｅＶの範囲にあることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
垂直入射角に比較的近い角度で前記粒子のビームを前記表面に衝突させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記衝突の角度は垂直から０〜３０度離れた範囲にあることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記粒子はイオン化された希ガス粒子を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記粒子は中性粒子を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記表面は金属表面を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記表面は非金属の結晶表面を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
比較的低いエネルギーを有する粒子のビームに前記表面を晒して、該表面を実質上エッチングしないで該表面を効果的に平滑化する前記工程は、ナノテクノロジーでの形成プロセスの一部として実行されるものであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
金属多層体素材の形成方法であって、該方法は、
表面を有する第１の素材層を形成する工程と、
前記素材のスパッタ閾値を下回るエネルギーを有する粒子のビームを生成する工程と、
垂直入射角に比較的近い角度で粒子のビームを前記表面に衝突させて、該表面を実質上エッチングしないで該表面を効果的に平滑化する工程と、
平滑化された前記表面に第２の素材層を堆積する工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
前記第１の素材層は銅を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記粒子のビームはイオン化された希ガス粒子を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記イオン化された希ガス粒子は、Ｘｅ，Ａｒ，ＫｒおよびＮｅ粒子からなる群から選択されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記エネルギーは２０ｅＶから４０ｅＶの範囲にあることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記衝突の角度は垂直から０〜３０度離れた範囲にあることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、多層体素材の形成に関するもので、特に多層体形成プロセスにおける原子スケールでの金属表面平滑化方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多層体は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）材、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）材、極紫外線（ＥＵＶ）ミラーおよびＸ線ミラーのような様々な素材を形成する際に作られるものである。これらの多層体素材は、個別になった複数の層から構成され、これらの層の中には金属でできた層もある。個別になった各層の厚みは、原子プロセスで特徴的な長さ、例えば伝導電子の散乱長の大きさに匹敵する。その結果、多層体全体としての特性が、個々の層の特性とは全く異なるものとなる。
【０００３】
多層体素材の一般的な形成順序として、同じ真空状態で個々の層を次々に真空堆積していくというものが典型である。次の技術に限定されるものではないが、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、物理蒸着（ＰＶＤ）またはイオンビーム蒸着（ＩＢＤ）などいくつかの技術によって各層を堆積できる。汚染レベルおよび次の層を堆積するまでの待ち時間を十分に少なくして、層と層の境界での汚染を避けなければならない。多層体の形成では、各層の境界が原子レベルで平坦且つシャープに形成されるのが望ましく、これが不可欠である場合が多い。
【０００４】
完成した堆積物の低い方に位置する膜の表面形態が境界の形態に影響を及ぼす。このため、平坦な境界が得られるように、次の層を堆積する前に下側になる膜の表面をできるだけ確実に平坦にすることは重要である。
【０００５】
平滑な表面を得る先行技術の方法の一つに「イオン研摩」というものがある。このプロセスでは、ブロードビームイオン源で生成されたイオンビームで表面を露光する。この種のプロセスの例は、Ｄｅｂｌｅｙらの米国特許第５，５２９，６７１号、Ｖｅｅｒａｓａｍｙらの米国特許第６，３６８，６６４号、Ｈｏｆｆｍａｎらの「Ｉｏｎ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ（金属表面のイオン研摩）」Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．１６、ｐｐ．３３８−３４６（１９７７年７月８月）に記載されている。この種のプロセスで使用できるイオン源の例は、Ｋａｕｆｍａｎの米国特許第３，１５６，０９０号に記載されている。イオン研摩プロセスでは、イオンが数百から数千電子ボルト（ｅＶ）の範囲のエネルギーに加速され、斜角（つまり面の法線に対して４５度を上回る角度）でターゲット面へ入射する。この種の処理をすれば、表面の粗さが著しく減少することが分かっている。このプロセスで使用されるエネルギーは「スパッタ閾値」よりも高いので、これらのプロセスによってターゲット面から著しい量の素材が削られてしまう。
【０００６】
イオン研摩は金属多層体の形成に適用されてきた。これらの適用例はＭｉａｙａｍｏｔｏらの「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ＧＭＲ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒＮｉ８１Ｆｅ１９／Ｃｕ  Ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ａｒ  Ｉｏｎ  Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ  ｏｎ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ（境界上のＡｒイオン衝突によるＮｉ８１Ｆｅ１９／Ｃｕ多層体のＧＭＲ特性および結晶構造の研究）」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．５、ｐｐ．４７１９−４７２１（１９９６年９月）、およびＴｓｕｎｅｋａｗａらの「Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｐｌａｓｍａ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｏｎｔｈｅ  ＧＭＲ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＰｔＭｎ−ｂａｓｅｄ  ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｓｐｉｎ−ｖａｌｖｅｓ（ＰｔＭｎベースの合成スピンバルブのＧＭＲ特性に対するプラズマ処理の影響）」、ＢＤ−０４、２００１年１１月１２−１６日ワシントン州シアトルで行われたＭａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓの第４６回会議、に記載されている。多層体形成の上記先行技術の教示によれば、構成層を新しく形成すると、真空を維持しながらその表面にイオン衝突させて、表面の形態を改善する。Ｍｉａｙａｍｏｔｏらの引例では、表面の形態を改善（つまり金属表面の平滑化）するために、比較的高いビームエネルギー（例えば１００ｅＶ以上）のイオンビームを非垂直角で使用することが記載されている。Ｔｓｕｎｅｋａｗａらの引例では、スパッタ閾値よりも上回る比較的高いイオンエネルギーを使用することも含め、「ＲＦスパッターエッチング法」を使用することが記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記平滑化方法のどれを用いてもサンプルまたは基板から素材が削り取られてしまうので、上記先行技術の方法を用いる多層形成法では多層体素材を形成する各層の所望の厚みと除去されてしまう厚みとの間に生じる差を補う必要がある。例えば、目標値より厚い層または膜を最初に堆積して平滑化工程で除去される素材を補っておいて、エッチング後に目標値に達するようにしてもよい。しかし、このような補償法は多層形成において望ましい処理ではない。例えば、この例だけというわけではないが、極薄の膜を形成する場合、除去式平滑化プロセスを大量形成プロセスに用いると不適切な変形の原因になることが多い。更に、エッチングされた表面は、多層体の形成プロセスで必要なまたは望ましいとされる正確なレベルの平坦度に欠けることが多い。精度の欠如または「エラー」が各境界で生じると、最終的に得られる多層体の全体的な特性および再現性に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００８】
このため、素材が実質上エッチングまたは除去されることなく正確な平滑化を提供し、多層形成プロセスで使用可能な原子スケールの表面平滑化の改良方法および装置が求められている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、原子スケールの表面平滑化方法および装置を提供する。本発明の一実施の形態によれば、イオン源またはリモートプラズマ源で形成される低エネルギーイオンまたは中性希ガスビームを使用して原子スケールの表面平滑化を行う。この平滑化プロセスには、多層体形成法の中で堆積後に行う原子レベルの平滑化工程（例えば平滑化支援工程）が含まれてもよい。本発明は、粒子エネルギーおよび入射角を組み合せて利用するもので、これによって金属表面のような表面の原子スケールでの平滑化を改善でき、実質上エッチングされないようになる。これらの条件、すなわち垂直に比較的近い入射角で低エネルギー粒子を使用するという条件は、先行技術で用いられる条件とは著しく異なり、先行技術よりも著しい効果をもたらす。
【００１０】
本発明の一効果は、多層体の形成プロセスで使用される原子スケールの表面平滑化方法および装置を提供し、これにより、表面が実質上エッチングされず表面平滑化を改善できるというものである。なお、効果はこれに限られるものではない。
【００１１】
本発明の別の効果は、堆積後工程である表面平滑化を堆積プロセスと同じ機械の中で実行できることで、これにより、素材が汚染される機会が減り、全体的な生産時間が短縮し、多層形成プロセスの処理能力が増す。なお効果はこれに限られるものではない。
【００１２】
本発明の別の効果は、比較的低エネルギーのイオンビーム処理プロセスを垂直に近い入射角で利用する原子スケールの金属表面平滑化方法および装置を提供し、これによって表面がエッチングされず金属表面の平滑化を改善できるというものである。なお、効果はこれに限られるものではない。
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、原子スケールで素材表面の平滑化を行う装置が提供される。本装置は、素材を収容するチャンバと、チャンバ内に配置されて、表面が実質上エッチングされないように表面を平滑化するのに適した比較的低いエネルギーで表面と衝突する粒子のビームを供給する供給源とを含む。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、原子スケールで素材表面の平滑化を行う方法が提供される。本方法は、比較的低いエネルギーを有する粒子のビームを表面に露光して、表面を実質上エッチングしないで表面を適切に平滑化することを含む。ビームを表面に衝突させるときの角は、垂直入射に近いことが好ましい。
【００１５】
本発明の第３の態様によれば、金属の多層体素材を形成する方法が提供される。本方法は、表面を有する第１の素材層を形成する工程と、素材のスパッタ閾値を下回るエネルギーを有する粒子のビームを生成する工程と、垂直入射角に比較的近い角度で粒子のビームを表面に衝突させて、表面を実質上エッチングしないで表面を適切に平滑化する工程と、平滑化された表面に第２の素材層を堆積する工程とを含む。
【００１６】
本発明の上記特徴および他の特徴、態様ならびに効果については、以下に続く明細書を参照し、且つ以下に続く図面を参照すれば明らかとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を参照しながら詳細に記載する。これは、当業者が本発明を実施できるように本発明の具体例として提供するものである。原子スケールの表面平滑化方法および装置の好ましい実施の形態について、多層体形成法における金属表面を対象にして記載する。しかし、当業者ならばわかることであるが、本発明は他の種類の表面および処理法に等しく適用できるものである。例えば、当業者であれば当然のことであるが、非金属表面、例えばこれに制限されるものではないがダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）面、ガラス面、Ａｌ２Ｏ３面、ＳｉＯ２面、その他同様の表面の原子スケールでの平滑化にも本発明を適用できることは当然のことである。
【００１８】
これ以降、以下の順序で本発明を記載する。（ｉ）セクションＩで、原子スケールでの表面平滑化に使用できる本発明の一実施の形態による典型的な装置について記載する；（ｉｉ）セクションＩＩで、本発明の一実施の形態による原子スケールの表面平滑化方法について記載する；（ｉｉｉ）セクションＩＩＩで、好ましい方法および装置のモデル実験の結果を示す。
【００１９】
１．典型的な装置
図１は、原子スケールの表面平滑化の実行に適した本発明の一実施の形態による典型的な装置１００を示す。後述するように、堆積または「ビーム処理」装置１００はスタンドアロン型モジュールまたはアセンブリであってもよく、あるいはクラスタツールの一部またはモジュールを含んでもよい。以下、装置１００について述べていくが、他の適切な堆積デバイス、コンポーネントおよび部品を使用して本発明を実行できることは、当業者であれば明らかなことであり、また、添付図面および後述する実施例は本発明の範囲を制限することを意味するものではない。さらに、公知のコンポーネントを使用して本発明のあるエレメントを部分的または完全に実行できる場合について、本発明を理解するのに必要な既知のコンポーネントの該当部分だけ記載する。また、本発明を不明瞭にしないよう、このような公知のコンポーネントの他の部分の詳細な記載は省略する。
【００２０】
装置１００は、リモートプラズマ源またはイオン源１０４のような粒子ビーム源を有する真空チャンバ１０２、および金属膜または多層体素材といった基板または素材１０８を保持するのに適したサンプルステージまたはキャリア１０６を含む。装置１００は、さらに１つ以上の既存のコリメーションデバイス、アセンブリまたは部材、例えばこれに限定するわけではないが物理コリメータ１１４を含んでもよい。コリメーションデバイス、アセンブリまたは部材は、プラズマまたはイオンビーム源１０４から放射された粒子の平行化を支援できるもので、これによってイオンまたは粒子が予め決めておいた角（例えば実質上垂直な角）で素材１０８上に入射する。一実施の形態では、サンプルステージ１０６は軸１１０の周りを矢印１１２の方向に傾斜、回転および／または配置が選択的にできるようにしてもよい。傾斜可能なステージ１０６は、既存のコントローラ１１６（例えばサーボコントローラ）を使用するなどして、素材１０８の表面上での放射イオンの入射角を選択的に制御できる。具体的には、既知のモータまたは他の制御できる移動可能デバイスを含んでもよい傾斜可能なステージ１０６に制御信号をコントローラ１１６が送信して、これによって効果的に入射角を垂直（および／または垂直に比較的近い角度）入射に固定したり、変化させたりする（例えば矢印１１２の方向へステージ１０６を移動させる）ことができる。
【００２１】
一実施の形態では、リモートプラズマまたはイオン源１０４は下流式の高密度プラズマまたはイオン源、例えば高周波誘導結合プラズマ（ＲＦ−ＩＣＰ）源または電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）源を備える。源１０４は、制御可能なエネルギー範囲の様々な荷電粒子またはイオン、例えば以下に限定されるものではないが希ガスイオン（例えばＡｒ，Ｘｅ，Ｋｒ，Ｎｅイオン）の放射に適したイオン源であってもよい。重要なことは、イオン源１０４は比較的低エネルギー、例えばこれに限定されるものではないがターゲット素材１０８のスパッタ閾値を下回るエネルギーをもつイオンを放射するのに適したものである。限定されない一実施の形態では、２０ｅＶから４０ｅＶの範囲のエネルギーをもつ粒子を源１０４が放射するようにしてもよい。イオン源１０４は、さらに低いエネルギーまたははるかに高い（例えば、スパッタリングまたはエッチング）エネルギーでイオンを放射できるものであってもよい。別の実施の形態では、リモートプラズマ源、つまりステージ１０６から比較的近い位置に離して配置されて、実質上垂直入射角および比較的垂直に近い別の入射角で素材１０８に衝突する粒子ビームを提供するのに有効なプラズマ源を源１０４が備えるようにしてもよい。他の別の実施の形態では、源１０４が実質上垂直入射角で素材１０８に衝突する中性粒子（例えば中性希ガス分子）のビームを提供するのに適した供給源であってもよい。中性粒子ビームの供給源は当該技術で公知である。このような供給源の限定されない一例が、Ｎｏｎａｋａらの「Ｌａｓｅｒ  Ａｂｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｏｚｏｎｅ（固体オゾンのレーザアブレーション）」、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、ｖｏｌ．６１７、ｐｐ．Ｊ１．３．１−Ｊ１．３．６（２０００年）に記載されており、その内容を参照により本明細書に完全に引用したものとする。これらの実施の形態のどの形態でも、源１０４によって放射または供給される粒子ビームは、比較的低いエネルギー（例えば素材１０８のスパッタ閾値を下回る値）であって、実質上垂直入射角または垂直入射角に比較的近い角度で素材１０８に衝突することになる。
【００２２】
図２は、イオン源１０４としての使用に適用可能な本発明の一実施の形態によるＲＦ−ＩＣＰ源装置２００を示す。源装置２００はソースインレット２０２、ガス粒子を導入排出する排出用石英チャンバ２０４、ＲＦヘリカルコイル２０６、および粒子ビーム２１０がソースインレット２０２から放射されるときに粒子ビームを所望のエネルギーまでチャージまたはエネルギー付与することを支援するための複数のグリッド２０８を含む。ビーム２１０中のビーム粒子が比較的低いエネルギー（例えば素材１０８のスパッタ閾値を下回るエネルギー）を有するように任意のポテンシャルにグリッド２０８を効果的にチャージさせ、装置２００および／またはグリッド２０８に制御信号を供給するのに適したコントローラ２１２を装置２００が含んでもよい。当業者であればわかるような方法でコントローラ２１２および／またはグリッド２０８をプログラムまたは操作して、ビーム２１０の粒子に比較的低いエネルギー（例えば素材１０８のスパッタ閾値を下回るエネルギー）を持たせるようにする。
【００２３】
一実施の形態では、マルチチャンバクラスタツールのモジュールとして堆積装置１００を組み込むようにしてもよい。図３は、金属表面の平滑化を含む多層体形成プロセスの実行に使用できる本発明の一実施の形態による典型的なクラスタツール３００を示す。クラスタツール３００は、ツール３００内にウエハを取り込むための真空カセットエレベータ３０２、および複数のモジュールまたはプロセスチャンバ３０６、３０８および３１０間でウエハを真空条件下で移送する中央ハンドリングアセンブリ３０４を含む。各プロセスチャンバ３０６〜３１０は、多層体形成法の堆積工程、処理工程および／または研摩工程のような任意の工程に相当するものであってよい。基板を中央ハンドリングアセンブリ３０４に載せ、チャンバからチャンバへと移して、当業者に公知の方法によって多層体形成を行うことができる。好ましい実施の形態では、モジュール３０６は既知のマルチターゲット遊星型物理蒸着（ＰＶＤ）モジュールを備え、モジュール３０８は既知のイオンビーム蒸着モジュールを備え、モジュール３１０は本発明の平滑化プロセスの実行に適した平滑化モジュールを備える。特に、モジュール３１０は、図１に示される装置１００と実質上同様のビーム処理または平滑化装置を含んでもよい。素材膜または層を基板に堆積した後、次の材料層を基板に堆積する前に正確に素材表面を平滑化できるように、基板を平滑化モジュール３１０に送ってもよい。平滑化処理、および形成または堆積処理がすべて同じツール内で行えるので、処理能力は望ましいように増加し、基板への汚染や損傷が生じる機会も望ましいように減少する。
【００２４】
別の実施の形態によれば、本発明の平滑化またはビーム処理の方法は、図４に示す典型的なマルチターゲット堆積モジュール４００のようなマルチターゲット堆積モジュール内で実行できる。モジュール４００は、低エネルギー粒子またはイオン源４２０が既存の方法によってモジュール４００の一部内に搭載される以外は、図３のＰＶＤモジュール３０６のような既知のマルチターゲット堆積モジュールに構造的に実質上類似している。モジュール４００は、基板またはウエハ４０６を配置できるキャリアまたはステージ部４０４を含む回転可能な「Ｊ」−アーム４０２、および複数のプロセスセクションまたはプロセス部４０８〜４１６を含む。プロセス部４０８、４１０、４１２、４１４はそれぞれ、ウエハ４０６上に素材膜を堆積するための既知のスパッタ陰極４１８を含んでもよい。一方、セクション４１６では、スパッタ陰極４１８の代わりに、源１０４と実質上同一としてもよい低エネルギー粒子またはイオン源４２０を設ける。このようにすれば、モジュール４００のビーム処理または平滑化プロセス部分をプロセス部４１６が提供できることになる。別の実施の形態では、別のプロセス部や、任意の複数のプロセス部４０８〜４１６、さらに追加されたプロセス部が源４２０を含み、ビーム処理または平滑化プロセスセクションを備えるようにしてもよい。
【００２５】
作動している間、プロセス部４０８〜４１４の１つ以上が、基板またはウエハ４０６上に１つ以上の素材層を堆積できる。（一つ以上の）堆積処理の後、Ｊ−アーム４０２によってウエハ４０６をモジュールのプロセス部４１６に移してから、本発明によるビーム処理または平滑化を行う（つまり、新しく形成された表面は、実質上垂直入射角で比較的低エネルギーの粒子がその表面に衝突することによりエッチングされることなく平滑化される）。表面の平滑化が終わると、ウエハ４０６をモジュールの他の部分４０８〜４１４に移送して、追加の素材層１つ以上を積層させることができる。所望の多層体素材が形成されるまで、この処理を繰り返し行うことができる。本実施の形態には、基板またはウエハの処理時間を最小限にできるという長所がある。
【００２６】
ＩＩ．原子スケールの金属表面平滑化方法
図５は、本発明の一実施の形態による原子スケールの表面平滑化の一般的な方法論を示すフローチャート５００である。本方法は、機能ブロックすなわちステップ５１０、平滑化する表面を用意することから始まる。上述したように、表面には、金属の多層体素材の部分または層を形成する金属表面（例えばＣｕ（１１１）面）が含まれる。厳密な平面の形成が望まれているのであれば、表面は他の適切な非金属または結晶素材表面を含んでもよい。機能ブロックすなわちステップ５２０では、比較的低エネルギーの粒子のビームを生成する。上述したように、このビームには比較的低いエネルギーを有するイオン化または中性希ガス粒子のビームが含まれ、任意の適切な方法で生成できる。例えば、一実施の形態では、ビームは図２に示される源２００を使用して生成され、グリッド２０８を使用して所望レベルのエネルギーが付与される。好ましい実施の形態では、粒子の平均エネルギーが表面素材のスパッタ閾値を下回り、一実施の形態では、粒子エネルギーが２０〜４０ｅＶの範囲にある。Ｃｕ面の場合、好ましい粒子は、２０〜４０ｅＶの範囲のエネルギーを有するイオン化されたＸｅ，Ｋｒおよび／またはＡｒガス粒子を含むものとすることができる。Ｃｕ面の場合、ＸｅおよびＫｒ粒子が、Ａｒ粒子より効果的であることもわかった。機能ブロックすなわちステップ５３０では、表面の垂直入射角に比較的近い角度で比較的低エネルギーの粒子のビームをターゲット面に衝突させる、または衝突できるようにしむける。好ましい実施の形態では、衝突角度を垂直から０〜３０程度ずれた範囲にするとよい。最適な平滑化が達成できるターゲット面のビーム露光時間の長さは、処理に用いられる素材、粒子およびエネルギーの種類に依存することになる。一実施の形態では、表面粗さが時間とともに減少し、あるレベルになると飽和状態が続く。具体的には、予め決定された所定期間が経過した後、所望のまたは厳密なレベルの平滑度の表面を得られることになる。この期間は、例えば一実施の形態では１００〜２００秒の範囲としてもよい。この予め決定された期間の後、最小限の平滑化だけを付加的に表面に施して、ステップ５３０を終えるようにしてもよい。
【００２７】
平滑化方法５００を多層体形成法の一部として使用する場合、表面を平滑にした後（例えばステップ５３０の後）、堆積処理を素材に施して別の層または膜をその表面に堆積できる。本方法５００は新しく形成された表面上で実行できるもので、多層体が形成されるまで、この処理全体を繰り返すことができる。
【００２８】
なお、他のタイプの表面処理法で「スタンドアロン」アプリケーションとして本平滑化方法および／または装置を使用できることも認識しておかなければならない。例えば、本方法および装置は金または白金のような貴金属表面（または空気中で酸化しない金属表面）を平滑化するために使用してもよく、厳密な平面の形成が必要または望ましい場合、ナノテクノロジー形成プロセスのような任意の形成プロセスの表面処理工程を担うものとすることもできる。
【００２９】
また、様々な金属および非金属表面に対してスパッタ閾値をわずかに下回る粒子エネルギーを選択したり、イオン／粒子種および入射角を変えたりすることによって、希ガスと粒子の組み合せを変えれば同様の平滑作用が得られることは当業者であればわかることであろう。最も効果的なイオン／粒子エネルギーの質量および角度の組み合せは、対象となる金属（例えば単体または合金）または非金属の結晶表面に応じて様々である。上述した方法および装置、ならびに後述の試験モデルを使用して、対象に即して上記の条件を決定できる。
【００３０】
ＩＩＩ．モデル実験の結果
本発明によって提供される結果を確認するためにモデル実験を行った。モデル実験は、銅の（１１１）面上で行ったが、当業者であれば、他の金属、素材および結晶配向にした場合でも結論が予測できるであろう。モデル実験では、再現精度およそ１％で金属薄膜を堆積できるマルチチャンバ物理蒸着（ＰＶＤ）ツールと、グリッド型ＲＦ−ＩＣＰイオン源および基板上の粒子ビームの入射角を選択的に変更できる傾斜可能なステージを含むイオンビーム（ＩＢ）モジュールとを含んだ真空一体化クラスタツールを使用した。
【００３１】
最初の実験では、２５オングストローム（２．５ｎｍ）Ｔａ／２００オングストローム（２０ｎｍ）Ｃｕからなる積層物をＰＶＤモジュール内のウエハ上に堆積した。次に積層物をＩＢモジュールに送り、３種類のイオンアシスト処理またはビーム処理のどれかを施した。
【００３２】
ケース１．  プラズマのみ
第１のケースすなわち「プラズマのみ」のケースでは、イオン源内でＡｒプラズマを衝突させ、グリッドを接地電位で維持した。その結果、プラズマ電位と等しいエネルギー（この場合およそ２５ｅＶ）のほかプラズマ温度による寄与（この場合およそ７．５ｅＶ）も有するイオンをイオン源が生成した。
【００３３】
ケース２．  ４０Ｖ／４０ｍＡ
第２のケースすなわち「４０Ｖ／４０ｍＡ」のケースでは、イオン源内でＡｒプラズマを衝突させ、グリッドを活性化して、４０Ｖのビームエネルギーおよび４０ｍＡのビーム電流を有する粒子ビームを生成させた。その結果、平均粒子またはイオンエネルギーがこの場合およそ６５ｅＶだった。
【００３４】
ケース３．  ７５Ｖ／７５ｍＡ
第３のケースすなわち「７５Ｖ／７５ｍＡ」のケースでは、イオン源内でＡｒプラズマを衝突させ、グリッドを活性化して、７５Ｖのビームエネルギーおよび７５ｍＡのビーム電流を有する粒子ビームを生成させた。その結果、平均粒子またはイオンエネルギーがこの場合およそ１００ｅＶだった。
【００３５】
どのケースでもビームの露光または処理の後に、ウエハを堆積チャンバに送って、２５オングストローム（２．５ｎｍ）Ｔａのキャップ層で被った。
【００３６】
次にウエハを大気中に移して、４端子プローブを用いてシート抵抗を、原子間力顕微鏡を用いて表面粗さを測定した。ＴａがＣｕよりもはるかに高い比抵抗を持つ（１８０μΩｃｍ対３μΩｃｍ）ので、大部分の電流がＣｕ層によって流れ、いずれの抵抗変化もＣｕの厚み変化に直接関連づけることができる。与えられた厚み変化が小さい（例えば＜１０％）場合、銅の比抵抗が一定であると仮定することが適切である。
【００３７】
各ケースの実験結果を要約したものを、図６および図７のグラフで示す。具体的には、図６は、様々な入射角および粒子エネルギーに対する膜平滑化の実験結果を示し、図７は、様々な入射角および粒子エネルギーに対する膜エッチング速度の実験結果を示す。ＲＭＳ粗さの初期値はおよそ７．６オングストローム（０．７６ｎｍ）である。図６に示された結果から明らかなように、最適な平滑化を行える角度はどのエネルギーでも同じであるというわけではない。高い方のエネルギーを用いたプロセスでは垂直角からかなりずれると最高の成果（最も効果的な平滑化）が得られ、これは先行技術とも一致している。
【００３８】
一方、本発明の教示に該当するデータ（つまり垂直入射に近くて、低い方のエネルギーのデータ）をみると、本発明は従来の平滑化プロセスを超える効果および利点のあることがわかる。特に、比較的低エネルギーの粒子ビームを使用することによって、垂直入射角付近で最適な平滑化がすぐに得られ、また、図７に示すように、結果として起きてしまうエッチングの速度が実質上０（例えば、測定０というエラーの範囲または無視できる程度）である。
【００３９】
無視できる程度にしかエッチングが起きないｉｎ−ｓｉｔｕ平滑化を提供する本発明のビーム処理方法および装置は、重要で実用的な意味合いをもつ。例えば、このようなビーム処理または平滑化工程をＧＭＲ材の堆積の一連の方法に適用すると、その磁気抵抗効果比の著しい改善（例えば＞１０％）および層間結合の減少につながることが実験データに示されている。
【００４０】
モデルシステムの分子動力学的シミュレーションを用いて本発明の根本的な機構をさらに評価することもできる。Ｋａｌｙｐｓｏの分子動力学パッケージを用いてこのようなシミュレーションを実行した。シミュレーションでは、ポテンシャルの斥力部分がＺｉｅｇｌｅｒ−Ｂｉｅｒｓａｃｋ−Ｌｉｔｔｍａｒｋ（ＺＢＬ）の遮蔽クーロンポテンシャル・タイプのものである。絶好のＣｕ−Ｃｕポテンシャルはｔｉｇｈｔ−ｂｉｎｄｉｎｇ多体項ポテンシャルである。
【００４１】
シミュレーションでは、図８に示されているように、基板は、二層になった島状部分が上側に位置する１７×１７×９原子の（１１１）Ｃｕ晶子である。島状部分は、最初の段で２５原子を有し２番目で９原子を有する。シミュレーションシーケンスは、所定のエネルギーおよび極角での連続６００飛跡の計算からなる。衝突点は１０オングストローム（１ｎｍ）×１０オングストローム（１ｎｍ）平方グリッドでサンプリングし、島状部分と一部重複している。６つの方位角を平均した。次のパラメタを計算から抽出した：
【００４２】
スパッタ収率：Ｙ
原子レベルでの数ｎの平均変化：δｎ
平滑化効率ν、νは次のように定義される：ν＝（δ２−δ０）ｃｏｓθ  （１）
式中θは粒子ビームの入射角である。
【００４３】
図９および図１０は、イオンエネルギーが２０、４０、６０、８０および１００ｅＶのときのシミュレーションの結果を示す。図９で示されているように、エッチング速度データによれば、いわゆるスパッタ閾値が約４０ｅＶとなっていることがわかる。したがって、イオンエネルギーがこの値を下回れば、生じるエッチングは無視できる程度のものとなる。一方、平滑化効率νは４０ｅＶで限界値を示す。エッチング速度はイオンエネルギーとともに減少し、２０ｅＶ付近のイオンエネルギーでは実質上存在しなくなる。
【００４４】
図１０に示されている結果には、さらに、最大の平滑化効率が得られる角度はエネルギーとともに変化することが示されており、イオンエネルギーが２０〜４０ｅＶの範囲で垂直入射付近の角度であれば、エッチングが無視できる程度になり平滑化が改善されることが示され、よって本発明の効能が確認できる。
【００４５】
イオンエネルギーを６０ｅＶに固定して異なる希ガスを衝突させたときの平滑化効率への影響をみるために新たに一連のシミュレーションを行った。上記シミュレーションの結果を図１１に示す。上記のシミュレーションから以下の結論が得られる。最適の衝突角度または入射角は、イオンの質量に依存する。６０ｅＶでは、Ｘｅの最適角度は、Ａｒに比べて直角からさらにずれている。また、平滑化効率はイオン質量に強く依存する。例えば、Ｃｕに対してＮｅを使うとＣｕに対してＡｒを使ったときよりも効率的でなく、さらにＣｕに対してＸｅおよびＫｒを使うとさらに効率的であることが明らかとなる。
【００４６】
したがって、上記の発見から考えると、当業者であれば明らかなことではあるが、わずかにスパッタ閾値を下回る粒子エネルギーを選択し、平滑化を受ける金属または非金属表面の種類に基づいてイオン／粒子種および入射角を変えることによって、希ガスおよび粒子を様々に組み合わせれば最適の平滑作用が得られる。イオン／粒子エネルギー質量および角度を様々に組み合せることで、任意の金属（例えば単体または合金）または非金属の結晶表面に対して最も効果的なものが得られる。これらの条件は、上述の方法、装置およびモデル実験法を用いれば各対象に即して決定できる。
【００４７】
上記記載は本発明の特定の実施の形態に関して行ったものであり、当業者であれば本発明の原理および精神から逸脱することなく、これらの実施の形態を変形できることは明らかであり、本発明の範囲は添付した請求項によって定義されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】原子スケールの表面平滑化に使用可能な本発明の一実施の形態による典型的な装置の概略図である。
【図２】図１に示される装置で使用可能なイオン源または粒子源を部分的に切断した斜視図である。
【図３】原子スケールの金属表面平滑化装置を組込み可能な本発明の一実施の形態による典型的なクラスタツールの平面図である。
【図４】金属表面平滑化に使用可能な本発明の別の実施の形態による典型的なマルチターゲット装置の概略図である。
【図５】本発明の一実施の形態による原子スケールの表面平滑化方法を示すフローチャートである。
【図６】様々な入射角および粒子エネルギーに対する試験用膜の平滑度の結果を示すグラフである。
【図７】様々な入射角および粒子エネルギーに対する実験用膜のエッチング速度の結果を例示するグラフである。
【図８】本発明のシミュレーションで用いるＣｕ（１１１）面のモデルを例示する。
【図９】イオンエネルギーを変えてＣｕ（１１１）面にＡｒ粒子ビームを露光する場合のエッチング速度対入射角を示すグラフである。
【図１０】イオンエネルギーを変えてＣｕ（１１１）面にＡｒ粒子ビームを露光する場合の入射角を関数とする平滑化効率を示すグラフである。
【図１１】イオンエネルギーを６０ｅＶとし、Ｃｕ（１１１）面に様々な希ガスを衝突させる場合の平滑化効率を示すグラフである。
【符号の説明】
１００      堆積またはビーム処理装置
１０２      真空チャンバ
１０４      イオン源
１０６      キャリア
１０８      素材
１１０      軸
１１２      矢印
１１４      物理コリメータ
１１６      コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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