(57)【要約】  多くの薄膜用途において、層がその上に形成されることになる表面は、電気的に絶縁するものや導電するものもあるいくつかの異なる材料、および／またはいくつかの異なる微細構成を含み得る。そのような表面は表面の電荷効果に影響を及ぼし、それにより、荷電粒子を含む入来粒子ビームとの、異なった、かつおそらく未知の相互作用を引起こす可能性がある。現在利用されているプロセスは、電子ビームをイオンビームと組合せることによってビームを構成する荷電粒子を補償するにすぎず、それによりゼロの正味電荷を有することを求める。
2015517170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層を形成する方法であって、前記方法は、
その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、
前駆イオンビームを供給することとを含み、前記前駆イオンビームはイオンを含み、さらに、
前記前駆イオンビームのイオンの少なくとも一部分を中性化して、中性粒子ビームを形成することを含み、前記中性粒子ビームは中性粒子を含み、さらに、
基板の表面に向かって前記中性粒子ビームを送ることを含み、
前記中性粒子は１００ｅＶ以下の注入エネルギを有し、前記粒子ビームの前記中性粒子は、基板上に層を形成する、方法。
【請求項２】
前記前駆イオンビームのイオンの少なくとも一部分を中性化するステップは、前記前駆粒子ビームを金属表面に向かって送ることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記前駆イオンビームのイオンの少なくとも一部分を中性化するステップは、前記前駆イオンビームをイオン光学グリッドに向かって送り、変更された前駆粒子ビームを形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記イオン光学グリッドは３つの別個のグリッドを含み、第３のグリッドには、電気的にバイアスがかけられている、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記変更された前駆粒子ビームを高アスペクト比グリッドに向かって送ることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記前駆イオンビームのイオンの少なくとも一部分を中性化するステップは、前記変更された前駆粒子ビームを形成するための質量選択技術を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記変更された前駆粒子ビームを高アスペクト比グリッドに向かって送ることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記高アスペクト比グリッドには、電気的にバイアスがかけられる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
粒子は炭素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
層を形成する方法であって、前記方法は、
その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、
前駆イオンビームを供給することとを含み、前記前駆イオンビームはイオンを含み、さらに、  
前記前駆イオンビームをイオン光学グリッドに送ることによって、前記前駆イオンビームのイオンの少なくとも一部分を中性化して、変更された前駆粒子ビームを形成することを含み、さらに、
前記変更された前駆粒子ビームを高アスペクト比グリッドに向かって送り、中性粒子ビームを形成することと、
前記中性粒子ビームを基板の表面に向かって送ることとを含み、
前記中性粒子は１００ｅＶ以下の注入エネルギを有し、前記粒子ビームの前記中性粒子は、基板上に層を形成する、方法。
【請求項１１】
前記高アスペクト比グリッドには、電気的にバイアスがかけられる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
粒子は炭素を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記高アスペクト比グリッドに向かって送る前に、前記前駆イオンビームを、加速減速モジュールおよび／またはビーム整形モジュールに向かって送ることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記前駆粒子ビームのイオンの少なくとも約９５％が中性化されて、前記中性粒子ビームを形成する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
層を形成する方法であって、前記方法は、
その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、  前駆イオンビームを供給することとを含み、前記前駆イオンビームはイオンを含み、さらに、
前記前駆イオンビームを質量選択技術に向かって送り、変更された前駆粒子ビームを形成することと、
前記変更された前駆粒子ビームを高アスペクト比グリッドに向かって送り、中性粒子ビームを形成することと、
前記中性粒子ビームを基板の表面に向かって送ることとを含み、
前記中性粒子は１００ｅＶ以下の注入エネルギを有し、前記粒子ビームの前記中性粒子は、基板上に層を形成する、方法。
【請求項１６】
前記イオン源は、狭ビームイオン源である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記高アスペクト比グリッドには、電気的にバイアスがかけられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記前駆イオンビームのイオンおよび前記中性粒子ビームの前記中性粒子の両方が約１００ｅＶ以下の注入エネルギを有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記前駆粒子ビームのイオンの少なくとも約９５％が中性化されて、前記中性粒子ビームを形成する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
粒子は炭素を含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
背景
多くの薄膜用途において、層がその上に形成されることになる表面は、電気的に絶縁するものや導電するものもあるいくつかの異なる材料、および／またはいくつかの異なる微細構成（topography）を含み得る。そのような表面は表面の電荷効果に影響を及ぼし、それにより、荷電粒子を含む入来粒子ビームとの、異なった、かつおそらく未知の相互作用を引起こす可能性がある。現在利用されているプロセスは、電子ビームをイオンビームと組合せることによってビームを構成する荷電粒子を補償するにすぎず、それによりゼロの正味電荷を有することを求める。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
概要
層を形成する方法であって、当該方法は、その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、前駆イオンビームを供給することとを含み、前駆イオンビームはイオンを含み、さらに、前駆イオンビームのイオンの少なくとも一部分を中性化して、中性粒子ビームを形成することを含み、中性粒子ビームは中性粒子を含み、さらに、基板の表面に向かって中性粒子ビームを送ることを含み、中性粒子は１００ｅＶ以下の注入エネルギを有し、粒子ビームの中性粒子は、基板上に層を形成する。
【０００３】
層を形成する方法であって、当該方法は、その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、前駆イオンビームを供給することとを含み、前駆イオンビームはイオンを含み、さらに、前駆イオンビームをイオン光学グリッドに送ることによって、前駆イオンビームのイオンの少なくとも一部分を中性化して、変更された前駆粒子ビームを形成することを含み、さらに、変更された前駆粒子ビームを高アスペクト比グリッドに向かって送り、中性粒子ビームを形成することと、中性粒子ビームを基板の表面に向かって送ることとを含み、中性粒子は１００ｅＶ以下の注入エネルギを有し、粒子ビームの中性粒子は、基板上に層を形成する。
【０００４】
層を形成する方法であって、当該方法は、その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、前駆イオンビームを供給することとを含み、前駆イオンビームはイオンを含み、さらに、前駆イオンビームを質量選択技術に向かって送り、変更された前駆粒子ビームを形成することと、変更された前駆粒子ビームを高アスペクト比グリッドに向かって送り、中性粒子ビームを形成することと、中性粒子ビームを基板の表面に向かって送ることとを含み、中性粒子は１００ｅＶ以下の注入エネルギを有し、粒子ビームの中性粒子は、基板上に層を形成する。
【０００５】
本開示の上記の概要は、本開示の開示される各実施形態またはあらゆる実装例について説明するものとは意図されていない。以下の記載は、例示的な実施形態をより特定的に例証する。出願書類全体にわたるいくつかの場所において、実施例のリストによって案内が提供され、その実施例は多様な組合せで使用することができる。各インスタンスにおいて、列挙されるリストは、代表的なグループとして機能するだけであり、排他的なリストとして解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】典型的なシステムの概略的な例示を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示されるシステムの一部分のより接近した図である。
【図２】特定の典型的なシステムにおけるイオン光学グリッドの第３のグリッドのバイアスに対するビーム広がり（°）のグラフである。
【図３】典型的な開示されるシステムの概略図である。
【図４】挿入および変位効果によってどのように表面注入が表面密度を変調することができるかを例示する図である。
【図５】典型的な分子イオンのビーム拡大を示す図である。
【０００７】
図は必ずしも縮尺通りではない。図で用いられる同じ数字は同じ構成要素を指す。しかしながら、所与の図の構成要素を参照するための数字の使用は、同じ数字が付されている別の図の構成要素を限定することを意図するものではないことが理解されるであろう。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
詳細な説明
以下の説明では、この文書の一部を形成し、例示のためにいくつかの具体的な実施形態を示す添付の図面の組を参照する。本開示の範囲または精神から逸脱することなく他の実施形態が企図され、なされ得ることが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味に取られるべきではない。
【０００９】
特に他に記載のない限り、明細書および請求項で用いられる特徴寸法、量、および物性を表わすすべての数字は「約」という用語によりすべての例において変更されると理解すべきである。したがって、特に反対の記載のない限り、上記の明細書および添付の請求項で述べる数値パラメータは、本明細書中に開示される教示を利用して当業者が得ようとする特性に依存して変動することができる概算値である。
【００１０】
終点による数値範囲の記載は、その範囲内に包摂されるすべての数字を含み（たとえば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、および５を含む）、その範囲内の一切の範囲を含む。
【００１１】
本明細書および添付の請求項で用いられる限りにおいて、内容がそうではないことを明示していない限り、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単数形は複数の参照対象を有する実施形態を包含する。本明細書および添付の請求項で用いられる限りにおいて、「または」という用語は、内容がそうではないことを明示していない限り、「および／または」を含むその意味で一般的に用いられる。
【００１２】
「含む」、「含み」または同様の用語は、包含するが限定されないことを意味し、すなわち含んでいるが排他的ではないことを意味する。「上部（ｔｏｐ）」および「底（ｂｏｔｔｏｍ）」（または「上方（ｕｐｐｅｒ）」および「下方（ｌｏｗｅｒ）」のような他の語）が、関連する記載のために厳密に利用されるが、記載された要素が配置される部品の全体的な配向を示唆するものではないことに留意すべきである。
【００１３】
ここで利用される限りにおいて、「層」とは、基板の表面上の材料、基板の界面における材料（つまり、表面に部分的に注入されるだけでなく、表面上にあるかのように露出した材料）、基板内の材料（つまり基板に注入され、基板の表面において露出していない材料）、またはその任意の組合せを指すことができる。したがって層の形成は、、基板の大部分における材料の注入（典型的に、表面下わずか数ナノメートル以下の深さまで）、基板の表面における材料の注入（たとえば、基板に部分的に埋め込まれる）、基板の表面上への（または開示される方法によってすでに形成されている材料上への）材料の堆積、またはその組合せを含むことができる。層が形成されるにつれて、表面が基板から連続して上方に移動していることにも留意するべきである。ここで利用される限りにおいて、「膜」は、基板の表面上に存在する材料を指すことができる。層はしたがって、膜のみ、または基板内の膜および材料を含み得る。ここに開示される方法は、層を形成するために利用することができる。開示される方法を利用する層の形成は、表面改質、材料合成、構成上の変更、またはその組合せを含むことができる。層の形成は、ここに開示される限りにおいて、表面層原子に、または表面から数結合長内に制限され得るプロセス相互作用を含むことができる。開示される方法を利用した層の形成は、表面サブプランテーション（ＳＳＰ）と称することもできる。
【００１４】
表面ナノ工学技術を展開し向上させるための方法、プロセスおよびシステムがここに開示される。開示される方法は、たとえば中性粒子ビームを含む多様な方法および技術を用いた表面サブプランテーション（ＳＳＰ）および界面工学を呈示する。開示される方法およびシステムでは、準単分子層から、表面から数結合長までの範囲の深さ規模において処理が生じる。用途は、表面から数ナノメートル延在する深さ規模での表面改質、材料合成および構成上の変更、エッチング、ならびに界面工学を含む。炭素および水素化炭素層の両方が具体的にここで議論されるが、開示される方法および考察は、準安定の表面組成物または表面層を含む他の材料に適用可能である。この明細書を読んだ当業者は、開示される方法は炭素および水素化炭素以外の材料に適用可能であると理解するであろう。
【００１５】
たとえばデータ記憶におけるスライダトランスデューサ技術、マイクロエレクトロニクス、またはバイオ医学用途などの多くの重要な薄膜用途において、表面は、サブミクロン未満からセンチメートルの範囲の規模で、電気的に絶縁するものや半導体や導電するものもある（たとえば電気的浮構造に接地され得る）いくつかの異なる材料を含み得る。エッジ付近に位置する膜微細構成および／または構造もあり得る。これらの要因のすべては、他のものと同様に、電荷効果に影響を及ぼし得る。絶縁および／または導電表面の電荷または差動電荷は、入射荷電粒子フラックス、エネルギ、および到来角分布に影響する可能性があり、それらのいずれかまたはすべてが表面ナノ工学プロセスにとって有害であり得る。
【００１６】
さらに、多くのイオンビームおよびプラズマベースのプロセスは、プラズマ表面相互作用を伴う。いずれかの表面がプラズマに接していると、シース境界を横断する荷電粒子のフラックス、エネルギ、および入射角分布に影響を及ぼす可能性があるシースが表面上に形成される。平坦で、均質であり、半無限の基板表面上の均一な入射荷電粒子フラックスにおいて、シース厚さは均一であり、その電界線は基板表面に垂直である。つまり、シースは、荷電粒子がそれを横切って流れるため、本質的に一次元である。シース電界の歪みは、材料界面に入射する粒子のフラックス、エネルギ、および角度分布に付随的に影響を及ぼす可能性がある。いくつかの要因は、プラズマシース歪みを引起こす可能性がある。例は、絶縁材料と導電材料との間の界面を含むことができる。平面の形状においてすら、シース厚さの差は、界面のいずれかの側に生じたシース電位の差に起因する可能性がある（絶縁体は所与のプラズマ特徴について浮遊電位に到達し、たとえばバイアシング等によって導体電位を可変とすることができる）。界面の両端に結果として生じる電位差は、表面法線方向から電界を局所的に歪ませる可能性があり、したがってイオンが電界を横切って流れる。微細構成的特徴および基板／ウェハエッジも、プラズマシースを歪ませる可能性がある。歪みの程度は、微細構成的特徴の長さ規模に対するシース厚さの相対的な寸法に依存し、シース幅が、入射荷電粒子束、エネルギ、および角度分布の付随する歪みを有する特徴寸法に匹敵するかまたはそれより小さい場合に有意となる。
【００１７】
上記の問題、表面の電荷効果およびプラズマ表面相互作用により、本開示は、中性粒子ビームを利用して表面と相互作用する。中性ビームを使用することにより、プラズマシースとの相互作用をなくし（またはプラズマシースの形成を一層最小化し）、かつ基板および形成された層の表面上の電圧または電荷の生成を最小化するかもしくは一層妨げ得る。そのような電圧はある用途では問題となる可能性があることから、これは利点となり得る。たとえば、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）ヘッドは、製造中の電荷の形成によって不利益に影響を受ける可能性がある。さらに、層の形成中に電荷が表面上に形成されなければ、層を形成する粒子をより確実に制御することができる。これは、より均一な特性を有する層の製造をもたらすことができる。
【００１８】
従来の堆積、エッチング、および注入プロセスは、荷電プロセス粒子との静電気的および／または電磁的相互作用を用いて、粒子の特徴および粒子輸送を制御する。基板において表面電荷を中性化するための方法は、電子ビーム照射によるビームパルス化およびフラッディングを含む。前者は、再結合後に表面電荷バランスを実現することによって、パルスと後者との間の電荷の表面拡散散逸に依存する。基板における電荷効果を低減するように試みるためのより一般的で、実行可能な先行技術の方法は、ｅ−ビーム源によって、またはたとえばプラズマブリッジ中和器によって、（たとえば正イオンビームについて）電子をイオンビームに「結合する」ことによる。しかし、イオンと電子との再結合は、ビーム輸送中にはほとんど生じず、状況は、基板に到着する反対の電荷（粒子）の量を「釣合わせる」ものである。それゆえ、あらかじめ利用される中性化されたイオンビーム処理は、（上述した）プラズマビームによる処理との類似点を有する。結果的に、電荷効果は、あらかじめ利用されるプロセスおよびシステムにおいて完全には排除されない場合がある。
【００１９】
一方、開示される方法およびシステムは、中性粒子の高度に制御された低エネルギビームを利用する。中性粒子は、その後、真の中性粒子として基板と相互作用する。これは、上述した不利益な相互作用を排除するか、または少なくとも低減することができる。概して、開示される方法は、粒子が所望の特性を有する荷電粒子ビームを作成し、次いで、粒子の特性を不利益に変更することなく粒子を中性化しようとするものである。
【００２０】
開示される方法は概して、基板を供給するステップと、前駆イオンビームを供給するステップと、中性粒子ビームを形成するステップと、中性粒子ビームを基板に向かって送り、層を形成するステップとを含むことができる。
【００２１】
基板の供給
基板の供給は、たとえば、基板をシステム内に配置するか、構成するか、または他の方法で設置することによって行うことができる。層がその上に形成されることになる基板は、いずれかの種類の材料または構造とすることができる。いくつかの実施形態では、典型的な基板は、層形成がその上で行なわれることになる少なくとも１つの表面を有することができる。そのような表面は「層形成に適合化されている」と称することができ、少なくとも所望の表面上に層が形成されることになるように、処理室に単に配置されることを含むことができる。いくつかの実施形態では、基板は、その上にまたはその中に形成された構造または装置を含むことができる。ある実施形態では、ここに開示される方法を利用して、多様な構造上にオーバーコートを形成することができ、そのような実施形態では、オーバーコートがその上に形成されることになる装置は、基板と考えることができる。
【００２２】
前駆イオンビーム
開示される方法は、前駆イオンビームを供給するか、作成するか、または他の方法で取得するステップも含む。前駆イオンビームは、所望の特性を有し得るイオンまたは荷電粒子を含む。イオンビームが中性化されると、中性粒子、元の荷電粒子またはイオンは、依然として所望の特性を有している。所望の特性は、たとえば、エネルギ、速度、角度の広がり分布、およびその組合せを含むことができる。いくつかの実施形態では、前駆イオンビーム中のイオンは、その中性化されたイオンビームが所望の特性を有するように選択された１つ以上の特性を有することができる。荷電粒子は、正または負のいずれかに帯電することができる。この明細書を読んだ当業者は、正に帯電したイオンに関して具体的に議論され得るより具体的に議論される概念を、負に帯電したイオンの使用に応用することができる。
【００２３】
前駆イオンビームの供給は、市販の機器を利用することによって行われ得る。たとえば、広ビームイオン源または狭ビームイオン源の両方を利用することができる。前駆イオンビーム源の種類の例は、たとえば、誘導結合ＲＦイオン源および直流（ＤＣ）広ビームイオン源を含むことができる。
【００２４】
前駆イオンビームの中性化
前駆イオンビームが形成された後、次いで、前駆イオンビームが中性化される。（多ステップ様式で行われても行われなくてもよい）このステップは、前駆イオンビームのイオンを中性粒子ビームの中性粒子に変化させる。「前駆イオンビームのイオンを中性化する」という語句（および／または同様の語句）は、概してイオンのうち少なくともいくつかが中性化されたことを示唆する。したがって、ここで用いられる限りにおいて、中性化された粒子ビームという語句は、前駆イオンビームのイオンのうち少なくともいくつかが中性化されている粒子ビームを指す。それゆえ、中性化された粒子ビームは、部分的に中性化された粒子ビームと、十分に中性化された粒子ビームとを含む。いくつかの実施形態では、実質的にすべてのイオンが中性化されている。いくつかの実施形態では、少なくとも約５％のイオンが中性化されている。いくつかの実施形態では、少なくとも約２０％のイオンが中性化されている。いくつかの実施形態では、少なくとも約５０％のイオンが中性化されている。いくつかの実施形態では、少なくとも約７５％のイオンが中性化されている。いくつかの実施形態では、少なくとも約９５％のイオンがが中性化されている。いくつかの実施形態では、約１００％のイオンが中性化されている。
【００２５】
いくつかの実施形態では、表面中性化技術を用いて前駆イオンビームを中性化することができる。そのような表面中性化技術は、入射イオンビームのエネルギ特性および方向特性（「所望の特性」）を主として維持するように設定することができ、あらかじめ調整された前駆イオンビームから、高度に制御された中性粒子のビームを生成することが可能となる。
【００２６】
たとえば、イオンを中性化する１つの方法は、荷電粒子のビームを表面、たとえば金属表面に送ることを含むことができる。たとえば共振またはオージェ効果によって、表面に接近するイオンを中性化することができる。イオンが斜入射で表面に密接に接近した場合、散乱プロセスの運動学により、非常に低い運動エネルギ損失で低角度（近正反射）前方散乱がもたらされることになり、エネルギおよび指向性（つまり「所望の特性」）が入射イオンビームのそれに類似した中性粒子が生じる。そのようなかすり衝突を用いた前駆イオンビームの中性化は、表面粗さおよび表面汚染物質の存在などの要因によって、より困難になるかまたは機能できなくなる可能性がある。
【００２７】
代替的に、高アスペクト比グリッドへの直接イオン注入によるプラズマ境界からのイオン抽出によって、中性粒子を前駆イオンビームから生成することができる。そのような場合、接地されたグリッドの高アスペクト比ホールを通ってイオンが進行するにつれて、側壁相互作用によって中性化が生じる。先の方法は、そのような制御を試みているが、グリッドオリフィスとのプラズマメニスカス境界の不十分に制御された相互作用のために、かすり中性化衝突に対して限定された制御を示しており、メニスカスの表面から発するイオンの形状と、それによって指向性とを決定する。さらに、原料ガス圧力は、たとえばその広がったエネルギ分布によってビームの品質を緩和し、中性成分を減少させることができる高速イオンと低速中性との電荷交換衝突をもたらし得る。
【００２８】
いくつかの実施形態では、開示されるシステムおよび方法はしたがって、イオン光学素子を利用して視斜角側壁衝突を制御し、それによって中性変換プロセスへのイオンに対する制御を向上させる。いくつかの実施形態では、４グリッドシステムを利用することができる。たとえば、広ビームイオン源では、高アスペクト比グリッドは、開示される方法およびシステムにおける典型的に利用される３グリッドシステムを補足する第４のグリッドを形成することができる。
【００２９】
典型的なシステムの概略図は、図１Ａに見ることができる。図１Ａに例証されるシステムは、広ビームイオン源システムの一例である。図１Ａに見られるシステム１００は、（前駆イオンビームを供給するための）イオン源１１０を含む。イオン源１１０は、たとえば、広ビームイオン源または狭ビームイオン源を含むことができる。イオン源の具体的な例は、誘導結合ＲＦイオン源である。システムは、イオン、たとえばイオン光学グリッド１２０および高アスペクト比グリッド１３０を中性化するための構成要素を含むこともできる。イオン光学グリッド１２０は、たとえば一般に利用されるイオン光学システムを含むことができる。イオン光学グリッド１２０は、概して３組のグリッド、第１のグリッド、第２のグリッドおよび第３のグリッドを含み、第１のグリッドはイオン源に最も近く、第３のグリッドはイオン源から最も遠いものである。開示される方法またはシステムにおいて利用されるイオン光学グリッド１２０では、第３のグリッドは電気的にバイアスがかけられ、先行技術システムのように接地されていない。システム１００は、高アスペクト比中性化グリッド１３０を含むこともできる。高アスペクト比中性化グリッドは、接地するかまたはバイアスをかけることができる。第３のグリッドのバイアス電位は、高アスペクト比中性化グリッドへのイオン注入角度を制御することができる。
【００３０】
図２は、供給源、ビーム、ならびにグリッド形状およびバイアスパラメータの所与の組についての具体的な例示的な例を示し、たとえば第３のグリッドバイアス電位のイオン光学パラメータの変動をどのように用いて、高アスペクト比グリッド１３０へのイオンの注入の角度に有意に影響を及ぼすことができるかを示す。多くの要因がビームの最終的な広がり限界を決定することが注目されるべきである。この特に例示的な例では、およそ２０度の広がりを有する発散ビームをもたらすように操作される接地された第３のグリッド光学素子を有する３グリッドシステムに関して、第３のグリッドバイアスの大きなウィンドウは、ビーム広がりを低減するのに有効である。低ビーム広がり（約５度未満）をもたらすであろう第３のグリッドバイアスの比較的狭いウィンドウが存在し、高アスペクト比グリッドにおいて直接対応する視斜角側壁入射をもたらして、中性粒子ビームを生成する。
【００３１】
イオン光学グリッドのバイアスがかけられた第３のグリッドは、高アスペクト比グリッド１３０に入るためにほとんど広がらない粒子のビームをもたらすように機能することができる。これは、荷電ビーム粒子に対するその静電界の作用によって行われる。付随的に、粒子は、より低い入射で高アスペクト比グリッドのプレートに達し、したがって、形成されたかまたは変更された時と同じままである（つまりそれらの「所望の特性」を保持する）。これは、所望の特性を有する粒子の、より制御されたビームをもたらすことから利点となり得る。
【００３２】
前駆イオンビームがイオン光学グリッドを通り抜けると、変更された前駆イオンビームと称することができる。変更された前駆イオンビームは、次いで、高アスペクト比グリッドを通って送られることができる。前駆イオンビームおよび／または変更された前駆イオンビームは、他の構成要素を通って送られることができ、かつ／または、イオン光学グリッドを通って送られる前および／または送られた後で他の工程をそれに対して実行することができることが注目されるべきである。いくつかの実施形態ではシステムが２つ以上のイオン光学グリッドまたは異なるイオン光学素子を含むことができることも注目されるべきである。
【００３３】
図１Ｂは、イオン光学グリッド１２０の第３のグリッドおよび高アスペクト比中性化グリッド１３０の拡大した部分を示す。ビーム広がり（α）および垂直線に対する側壁視射角（９０−α）が図に見られる。図１Ｂには、高アスペクト比中性化グリッド１３０の側壁に達する前、かつ側壁に達し、それによって中性（ｎ０）粒子１４５になった後の、帯電した（ｎ＋）粒子１４０も例示されている。
【００３４】
所与の広がりおよび直径を有するビームについては、グリッドのアスペクト比の形状上の留意点は、（壁に達する少量のビーム粒子および壁を通って輸送される間に粒子が壁と相互作用することになる回数に関する）壁とのビーム粒子の視斜角相互作用の所望の程度と、したがって高アスペクト比中性化グリッド１３０から出るときのビームの中性化（代替的にイオン化）の程度とに影響を及ぼすように設定することができる。
【００３５】
中性粒子ビームを基板に送る
前駆イオンビームが中性化されて中性粒子ビームを形成した後、中性粒子ビームは次いで基板に送られる。一般に、イオンおよび最終的には中性粒子が基板と相互作用するように、イオン源、イオン光学グリッド、高アスペクト比グリッド、および任意に基板ホルダ（または単に基板）などの構成要素をシステム内に構成することができる。この明細書を読んだ当業者は、そのようなシステムをどのように構成すべきかを理解するであろう。部分的に中性化されたビームについては、プロセスウインドウにおける堆積速度の適切な制御と共に、基板台への「投写」距離についての適切な検討が計器設計においてなされない場合、（プロセス制御の蓋然的な損失がある）ビームによってビーム広がりを示すことができることが注目されるべきである。
【００３６】
層の形成
開示される方法を利用して、いずれかの材料の層を形成することができる。換言すると、表面層に挿入される中性粒子は、いずれかの同一性を有することができる。いくつかの実施形態では、開示される方法を利用して、炭素を含む層を形成することができる。いくつかの実施形態では、開示される方法を利用して、炭化水素（たとえば水素化炭素）として炭素を含む層を形成することができる。しかし、炭素および炭化水素は単に一例であり、開示される方法は、炭素および／または炭化水素層または膜の形成に限定されないことが理解されるべきである。
【００３７】
ここで利用される限りにおいて、「層」とは、基板の表面上の材料、基板の界面における材料（つまり、表面に部分的に注入されるだけでなく、表面上にあるかのように露出した材料）、基板内の材料（つまり基板に注入され、基板の表面において露出していない材料）、またはそのいずれかの組合せを指すことができる。層の形成は、したがって、基板の大部分における材料の注入（典型的に、表面下わずか数ナノメートル以下の深さまで）、基板の表面における材料の注入（たとえば、基板に部分的に埋め込まれる）、基板の表面上への（または開示される方法によってすでに形成されている材料上への）材料の堆積、またはその組合せを含むことができる。層が形成されるにつれて、表面が基板から離れて連続的に上方に移動していることも注目されるべきである。ここで利用される限りにおいて、「膜」は、基板の表面上に存在する材料を指すことができる。層はしたがって、膜のみ、または膜および基板内の材料を含み得る。ここに開示される方法を利用して、層を形成することができる。開示される方法を利用した層の形成は、表面改質、材料合成、構成上の変更、またはその組合せを含むことができる。層の形成は、ここに開示される限りにおいて、表面層原子に、または表面から数結合長内に制限され得るプロセス相互作用を含むことができる。開示される方法を利用した層の形成は、ＳＳＰとも称することができる。
【００３８】
中性粒子ビームを構成する材料は、形成される層の材料の構成要素となる。いくつかの実施形態では、中性粒子ビームからの材料が基板に挿入されることになり、その場合、中性粒子ビームからの材料と基板材料との混合物が形成されることになる。いくつかの実施形態では、（たとえば）炭素を含む層が形成される。他のいくつかの実施形態では、水素化炭素（炭素および水素の両方）を含む層が形成される。形成される層は、様々な厚さを有することができる。層の厚さは、当該語句がここで利用される限りにおいて、厚さの基準を指す。たとえば、厚さの基準は平均厚さを示してもよいし、層の厚さまたは平均厚さと関係付けることができる特性を与えてもよい。たとえば、ほぼ準単分子層（材料の単分子層未満）〜約３０Åの厚さであり得る。いくつかの実施形態では、層は約１５Å〜約２５Åの厚さであり得る。いくつかの実施形態では、層は約１５Å〜約２０Åの厚さであり得る。
【００３９】
開示される方法を利用して、層の組成を設計することができる。たとえば、開示される方法を利用して、炭素を含む層を設計することができる（なお、炭素を含む層は一例として利用されるだけであり、複合工学はいずれの種類の材料でも企図することができる）。また、複合工学を利用して、炭素を含む層および／または水素化炭素を含む層を形成することができる。開示されるプロセスまたは方法を、炭素を含む層の堆積に適用することで、層のｓｐ３／ｓｐ２比を設計することが可能となる。「ｓｐ３」および「ｓｐ２」は、（たとえば）炭素原子が含み得る混成軌道の種類を指す。ｓｐ３炭素原子は、４つのｓｐ３軌道を含むことから、４つの他の炭素原子などの４つの他の原子に結合され、ｓｐ３軌道は、たとえば別の炭素原子への非常に強いσ結合を形成する。ｓｐ２炭素原子は、３つのｓｐ２軌道を含むことから、３つの他の炭素原子などの３つの他の原子に結合され、ｓｐ２軌道は、σ結合より弱いπ結合を形成する。磁気記録ヘッドおよび媒体において用いられる炭素オーバーコートを含む多数の用途では、炭素がより安定している（つまりより強い結合を含む）ことから、ｓｐ２結合よりも多くのｓｐ３結合を有する炭素が多くの場合所望であり得る。いくつかの実施形態では、開示されるプロセスまたは方法によって、より安定している、つまりｓｐ２結合より多くのｓｐ３結合を有する炭素を含む層の形成を可能にすることができる。そのような炭素層は、より高い熱弾力性、より良好な機械的特性、より良好な化学的特徴、またはその組合せを有することができる。
【００４０】
上述のように、層は、基板の表面上の材料、基板の界面における材料（つまり、表面に部分的に注入されるだけでなく、表面上にあるかのように露出した材料）、基板内の材料（つまり基板に注入され、基板の表面において露出していない材料）、またはそのいずれかの組合せを指すことができる。実施形態では、ここに開示される方法は、核形成メカニズムに基づいて層を形成しない。核形成メカニズムは、連続した膜の最小厚さを基本的に限定する。
【００４１】
いくつかの開示される方法は、注入の望ましくない効果を最小化するために低エネルギ粒子を処理するかまたは堆積することを含む。粒子のエネルギについて説明するために、以下の構成物をここで利用することができる。接地されたビーム粒子源の典型的な場合には、入射粒子が単原子の単独荷電イオンであると仮定すると、バイアスされていない非荷電基板表面とのその相互作用の直前の粒子の入射エネルギ（Ｖｉｎｃ）は、ビーム電圧（またはスクリーンバイアス）Ｖｂとプラズマ電位Ｖｐとの和によって与えられる。このインスタンスでは、注入エネルギ（Ｖｉｍｐ）は、記載された入射エネルギ（Ｖｉｎｃ）と同じである。単独荷電分子イオンまたはクラスタの場合については、基板表面における原子との相互作用後、分子軌道オーバーラップによって、その構成要素の原子種への分子（またはクラスタ）の完全なフラグメンテーションがもたらされると想定される。入射運動エネルギ（Ｖｂ＋Ｖｐ）から分子またはクラスタ解離エネルギを引いたものを、次いで、当初の入射分子またはクラスタ質量の質量分率（massatomic component/masstotal molecule or cluster）に従って各原子「フラグメント」上で分割し、各フラグメントのＶｉｍｐを与える。
【００４２】
表面へのイオン投影飛程を数結合長の最大値未満に制限するように、粒子の注入エネルギを選択することができる（最大値が選択される）。粒子の注入エネルギは、表面エネルギ障壁の侵入によって表面への粒子の取込みを可能とするために少なくとも十分であるように選択することもできる（最小値が選択される）。（基板への粒子の侵入を可能にするのに十分な）選択された最小エネルギにより、層の成長は、典型的な核形成メカニズムによって行われない。注入粒子エネルギの選ばれた範囲は、目標原子への運動エネルギ移動が、変位をもたらすのに不十分であるか、または平均して概ね１つもしくは２つの変位反応のみをもたらすか、または表面への、もしくは表面から数結合長内の距離への挿入を可能にするのに十分であるかのいずれかであるようなものである。
【００４３】
粒子は、基板の表面に接触すると、より小さな粒子に分解され得る。そのようなインスタンスでは、粒子自体、そのような入射粒子のフラグメント、またはそのいくつかの組合せが、エネルギ、つまり１００ｅＶ以下の注入エネルギを有し得る。注入エネルギをここで論じる場合、そのようなエネルギは、入射粒子、表面とのそれらの相互作用によって生じるそのような入射粒子のフラグメント、またはそのいずれかの組合せを指すことができると理解されるべきである。いくつかの実施形態では、開示される方法は、数十電子ボルト（ｅＶ）の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約１００ｅＶ未満の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約８０ｅＶ以下の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約６０ｅＶ以下の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約４０ｅＶ以下の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約２０ｅＶ以下の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態において、方法は、約２０ｅＶ〜約１００ｅＶの注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約２０ｅＶ〜約８０ｅＶの注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約２０ｅＶ〜約６０ｅＶの注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約２０ｅＶ〜約４０ｅＶの注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。
【００４４】
開示される方法は、表面移動度効果に依存する核形成の根本的な成長メカニズムを変更することができる。核形成に基づく方法は、約２０ｅＶ未満である入射エネルギを利用するプロセスにおいて典型的である（たとえば、典型的なスパッタ堆積法は約７〜約１５ｅＶであり、蒸着法は約１ｅＶ未満である）。開示される方法は、近傍表面領域への注入によって移動度を抑制する。注入領域は、極薄の変更された表面領域をもたらすために浅く保たれる。これを行うために、使用可能なビームフラックスで製造するのが実際には困難である低エネルギ入射粒子が利用される。従来の低エネルギ注入は、商業的に実施可能なビーム電流を実現するためにＫｅＶエネルギを有する粒子を依然として利用する。利用される粒子は比較的大きな分子またはクラスタであり、したがってフラグメントは低エネルギを有する。たとえばシリコンドーピング。ナノメートル規模の膜の機能工学については、このフラグメンテーションプロセスは十分な制御を可能にしない。開示される方法は、したがって、小分子上での分割による非常に低い入射エネルギを利用して、制御可能な非常に低い注入エネルギ粒子を実現する。
【００４５】
粒子エネルギ、ビーム電流、ビーム広がり、電荷状態、およびイオン質量のプロセス制御は、従来のプロセス技術においては典型的に静的である。しかし、選択されるビームパラメータの変動を用いて、たとえば、サンプル角度測定動作の有無に関わらず、界面、構成もしくは損傷中心濃度プロファイルを調整し得る。関連して、可変的にドープした多層ナノストラクチャまたは選択的な深さまたは表面ドーピングは、たとえば潤滑油工学用途における膜成長中または膜成長後の質量フィルタパラメータの適切な切換によって実現され得る。
【００４６】
任意のステップ
開示される方法は、他の任意のステップを含むこともできる。そのような任意のステップは、様々な技術を利用して低エネルギ処理技術を向上させることができる。そのような任意のステップは、上述の「所望の特性」をイオンに与えるために利用することもできる。そのような任意のステップを利用してイオン／中性粒子所望特性を与えるいくつかの実施形態では、それらは、イオンが高アスペクト比グリッドを通って送られる前に概ね行われる。イオンが中性化されると、制御と、したがって特性変更とが、不可能ではないまでも困難となる可能性がある。
【００４７】
任意のステップの一例は、イオンの加速および／または減速であり、ここでは「イオン加速減速」手法と称することができる。そのような任意の方法および／またはステップは、粒子ビームが中性化される前に行うことができる。そのようなイオン加速減速手法は、角運動学的処理（（ビーム軸に関する）目標処理表面の角度測定の（角度）配置による粒子ビームパラメータの調整されたリアルタイム変動）と併せた質量選択、ビーム調整、および整形によって、プロセス現象の制御をもたらす要因、たとえばナノ物質および準安定の表面物質のエッチング、界面ナノ工学、ナノドーピング、表面ナノ工学を制御することができる。イオン加速減速手法は、低エネルギ（たとえば使用不可能に低いビーム電流）における低エネルギイオンビーム輸送効果および不十分なイオン源性能特徴を回避して、プロセス制御を向上させることができる。イオンは高エネルギで加速および調整され、次いで基板との衝突直前に衝撃エネルギまで減速させることができる。しかし、低エネルギプロセスについての存在範囲は、極めて狭く、容易に損なわれる可能性がある。
【００４８】
別の実施形態では、ビームを任意に整形し得る。ビームの整形は、たとえばイオン源において、またはたとえば質量選択後に生じることができる。いくつかの実施形態では、狭い矩形または線形状ビームが有利な形状であり得る。別の有利な局面は、中性粒子ビーム自身が静的であり、基板をビームに関して機械的に走査することができる点である。整形、静的な入射および独立した基板走査の両方は、運動角度測定（kinogoniometric）中性粒子処理における重要な局面である。
【００４９】
典型的なシステム
方法およびシステムの両方がここに開示される。概して、開示されるシステムは、開示される方法ステップのうち１つ以上を実行する構成要素を取得することによって構成することができる。いくつかの実施形態では、開示されるシステムは、イオン源、イオン光学グリッド、および高アスペクト比グリッドを含むことができる。いくつかの実施形態では、システムは、任意の基板ホルダを含むこともできる。同様に、いくつかの開示されるシステムは、イオン加速減速、質量選択、ビーム整形、ビーム走査、ビームパルス化、またはその多様な組合せに影響を及ぼすための構成要素を任意に含むことができる。
【００５０】
典型的な基本的要素を含むが、開示される方法を実行するために利用することができる典型的なシステムまたは開示されるシステムの詳細な構成要素を図３に見ることができる。図３に見られる典型的なシステム３００は、たとえばガスおよび／または固体イオン源とすることができ、イオン衝撃電位（浮動状態）にバイアスをかける（＋ｖｅ）ことができるイオン源３１０と、この場合イオン光学レンズとして例証される２つのイオン光学素子３２０ａおよび３２０ｂと、高アスペクト比グリッド３３０とを含む。この典型的なシステムは、任意の構成要素：高電圧（ＨＶ）イオン抽出レンズ３１５、質量フィルタ３２５、ビーム減速および整形イオン光学アセンブリ３２７、および基板ホルダ３４０も含む。バイアスがかけられたビーム線３４５を用いて、システムを通るイオンの適切なビーム輸送を可能にすることができる。
【００５１】
この開示されるシステムでは、空間電荷拡張から生じるビーム輸送障害を克服するために、所望の目標（基板）衝突電位にバイアスがかけられ、バイアスがかけられたビーム線３４５アセンブリを通じて輸送されるイオン源（３１０）から低エネルギイオンが（３１５によって）抽出され、加速されて、ビーム輸送中に空間電荷拡張効果を制御する。（３２５による）質量フィルタリング後、イオンは（３２７によって）衝突電位まで減速され、制御された低広がり角ビームが高アスペクト比中性化装置（３３０）に注入される。前駆イオンビームのエネルギおよび指向性を有効に保持する中性粒子（原子、分子、またはナノクラスタ）の結果として生ずるビームは、次いで基板（３４０）に送られる。イオン偏向板の任意の組を基板組立前に高アスペクト比中性化装置の後に位置させてもよい。そのようなイオン偏向板は、たとえば、いずれかのイオン化粒子をビーム経路から偏向させるように静電気的に帯電されてもよい。
【００５２】
利点／効果
開示される方法は、成長が進行するにつれて、処理効果を層の頂部の数結合長に連続的に限定するように努める。これは、（入射角が単に変更されても存在し得る）基板原子との注入粒子の非線形原子相互作用の影響を最小化するかまたは排除することができる。図４は、表面注入が挿入および変位効果によってどのように表面密度を変調することができるかを例示する。炭素を含む膜が形成されているいくつかの実施形態では、これはｓｐ３結合混成を調整することもできる。
【００５３】
図４に見られるように、表面注入は、スパッタエッチング、表面エネルギ障壁の侵入およびイオン反射を含むいくつかのメカニズムによって複雑となり得る。これらの効果の算出推定値からプロセスエネルギウィンドウを推定することができる。炭素または炭化水素基板表面に注入された炭素の場合については、サイズ効果が、侵入のための最小エネルギを効果的に決定する。これは、衝突断面積の推定値から約２０〜２５ｅＶであると推定される。これは、イオンビーム蒸着（ＩＢＤ）スパッタ堆積技術の高エネルギテールに対応する典型的な原子変位エネルギに近い。起こり得る表面原子放出メカニズムの研究から、たとえば垂直入射からの最大到着エネルギを算出して、成長中の膜の過度なスパッタリングを回避し、スパッタリング係数のエネルギ依存性に基づいた予測と比較することができる。スパッタリングは、表面サブプランテーション（ＳＳＰ）技術についての（ある実施形態における）エネルギ上限を部分的に規定する。両方のモデルは、約４０〜４２ｅＶ未満の最小原子放出を予測する。実際には、スパッタリング歩留りのエネルギ依存性からの予測は、いくつかの実施形態においてプロセス上限について効果的な「ゼロ」スパッタリング損失推定値を設定すると、約６０ｅＶでわずか約１０％の表面スパッタリング損失を示す。他の実施形態では、より大きなスパッタリング損失、たとえばこの例では８０ｅＶの注入エネルギでおよそ３０〜４０％が許容され得るか、または所望ですらあり得る。上述した具体的な値は炭素の場合に該当するが、考察はいずれの材料の注入にも該当することが注目されるべきである。
【００５４】
開示される方法およびシステムは、２０１２年４月５日付けで提出され「層を形成する方法（"METHODS OF FORMING LAYERS"）」と題された米国特許出願番号第１３／４４０，０６８号および２０１２年４月５日付けで提出され「層を形成する方法（"METHODS OF FORMING LAYERS"）」と題された米国特許出願番号第１３／４４０，０７３号に開示されたものなどの、角運動学的処理技術のための適切なビーム電流を有する、制御された低エネルギの、質量がフィルタリングされ、電荷比が制御された平行ビーム粒子源を有利に提供することができる。これら出願の開示を引用によってここに援用する。さらに、ここに開示される方法およびシステムは、たとえば、表面衝突プロセスを駆動して、表面、界面、および近傍表面領域の制御されたナノ工学を可能にするために有利であり得る。用途は、たとえばドーピング、欠陥形成、エッチング、応力制御、ｓｐ３／ｓｐ２比工学、および界面工学を含むことができる。
【００５５】
角運動学的プロセスは、（ビーム軸に関する）目標処理表面の角度測定配置による粒子ビームパラメータの調整されたリアルタイム変動を利用することができる。そのような方法は、たとえば、入射粒子が表面または準表面原子を識別し、それによって表面の原子間電位もしくは内部「バルク」原子間電位または双方によって目標原子または原子「鎖」と相互作用するかどうかを選択的に制御するのに役立つことができる。これは、さらには、所望の表面衝突もしくは表面衝突シーケンスが実現されるか、表面反応に対する電位障壁が克服されるか、または準表面の侵入が実現されるかどうかを決定し得る。たとえば、選択値に相関する入射粒子エネルギの特定のプロファイルまたは衝突角度の範囲を用いて、たとえばドーピング濃度プロファイルもしくはたとえばｓｐ３／ｓｐ２深さプロファイルにおいて注入原子の深さプロファイルを制御してもよいし、表面のエッチングプロセスを制御してもよい。角運動学的処理では、プロセス制御アルゴリズムに従ってプロセス制御変数を変動させて、たとえば粒子ビーム軸（たとえばチルトまたは極角度等）を有する、基板の形状的配置に関する粒子ビームパラメータ（たとえばエネルギ、ビーム粒子密度等）またはその逆の変動を制御してもよい。
【００５６】
狭イオンビームで基板表面上を典型的に静電気学的に走査し、均一なイオン線量をもたらす。これは、入来イオンの、目標原子との位置変動可能な角度位置合わせと、したがって、固定された基板位置および原子的に平滑な表面についても衝突運動学における変動とをもたらすことができる。さらに、ビーム走査は、静止基板上のイオン源におけるビームエネルギおよびビームイオン電流の固定値についても、位置入射エネルギ、運動学的エネルギ交換変動、および位置変動可能なビーム電流密度を生じさせることができる。これらの効果の多くは、走査された中性粒子ビームにも該当する。ビーム整形方法と組合せられた機械走査技術は、スポット粒子ビームの走査によって引起されるいくつかの起こり得る角運動学的プロセス変動効果を改善することができる。例は、均一な強度のプロファイルのような細長い「スロット」に形成された粒子ビームと、基板領域に対する全体的な均一照射を実現するためにビーム軸に関して垂直または水平な軸に走査された基板とを含む。いくつかの走査システムは、より低速な横方向または縦方向の走査運動と共に基板の高速方位回転と組合せられた整形された静止ビームプロファイルを用いて、基板領域に対する粒子照射の均一な電界を実現し得る。そのような技術は、基板が傾けられても、ビーム走査技術とは対照的に基板電界に対する一定の入射領域の粒子密度処理を可能にすることができる。低エネルギナノ工学イオンビーム処理では、空間電荷効果が特に悪化する。分子イオンについてもたらされるビーム拡大の一例が、所与の無電界ビームドリフト長およびビーム電流について図５に示される。ビーム走査によってもたらされる無電界ドリフト経路（ＦＦＤＰ）の長さの変動は、粒子入射角を変更するだけでなく、入射ビーム広がりに対する（可変経路長および空間電荷効果による）相当な変更ももたらすことができ、材料処理面全体にわたって一貫しない臨界の角運動学的プロセス変数に影響を及ぼす。これは、（一定のビーム電流での）位置変動可能な面粒子密度によってさらに複雑となる可能性がある。これらの効果は、一定のＦＦＤＰおよび入射粒子面密度での基板の角度測定可変処理を可能にするように設計された基板動作を用いて、静的な、整形された粒子ビームによってある程度まで改善することができる。しかし、短いＦＦＤＰに起因する低い、場合によっては非実用的に低いビーム電流密度および形状上の制約は、低エネルギイオンビーム処理の商業的用途を抑制することができる。開示される方法およびシステムは、これらの空間電荷誘導制限を受けず、実行可能なビーム粒子（フラックス）密度での実行可能な低エネルギ粒子処理の鍵となり得る低エネルギ中性ビーム粒子処理を提供することができる。
【００５７】
開示される方法および処理は、表面からの第１の数原子層への層形成の「望ましくない効果」も最小化または限定し得る。ここに開示される方法および処理は、処理粒子（注入されているもの、堆積されているもの、または両方）の、下地の準表面との相互作用を、表面からわずか数結合長に制限するものと見なすことができる。成長が進行するにつれて、「数結合長」は（表面に向かって）連続的に移動する。ここに開示される方法および処理は、下地材料が不利益に影響を受けないように、処理粒子（堆積されているもの）からのエネルギの、表面または近傍表面領域への交換または結合を制御するものと特徴付けることもできる。
【００５８】
ここに開示される方法およびプロセスは、代替的に、表面から３０Å以内までの原子の表面層への入射種の挿入を可能にするものと特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、開示される方法およびプロセスは、表面から２０Å以内までの原子の表面層への入射種の挿入を可能にするものと特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、開示される方法およびプロセスは、表面から１５Å以内までの原子の表面層への入射種の挿入を可能にするものと特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、開示される方法およびプロセスは、表面から１０Å以内までの原子の表面層への入射種の挿入を可能にするものと特徴付けることができる。「表面から第１の数原子層」または表面からの特定の測定値（たとえば「表面から３０Å以内」）という語句は、堆積／注入表面に最も近い、近傍表面層の頂部原子層を指すことが意図されている。
【００５９】
開示される方法およびシステムを用いて回避するかまたは最小化することができる望ましくない効果は、たとえば損傷中心、またはより具体的には変位された原子と、欠陥生成および再結合と、空孔および反跳と、準表面層を有する堆積された層の界面にとって有意な規模の反跳混合と、層から所望の特性（たとえば炭素を含む膜におけるｓｐ３中心）をアニールすることができる、堆積されたイオンからの運動エネルギの熱放散と、スパッタリングと、入射粒子反射と、発熱と、層から所望の特性（たとえば炭素を含む層におけるｓｐ３中心）をアニールすることができる欠陥中心移動による局所的な誘起歪の熱緩和を高めることができる注入（および固有）誘起欠陥と、そのいずれかの組合せと、を含むことができる。開示されるプロセスおよび方法は、そのような効果を回避するかまたは最小化することができるか、それらを表面から第１の数原子層に制限することができるか、またはその両方である。
【００６０】
入射高熱粒子は、既存の原子間の部位における挿入によって、および／または再結合しない反跳原子の生成によって既存の原子を変位させることによって、表面電位障壁に侵入して、原子密度の局所的な増大を引起すことができる。局所的な原子再構成およびｓｐ３結合混成が生じて、非平衡高熱の、かつ変位された粒子の存在と、結果として生じる局所化されたねじれ／歪み（distortion/strain）とを吸収することができる。開示される方法は、表面の数結合長内に含まれる非常に薄い層においてこれを実現することができる。その上、エネルギ特性を調節して、ｓｐ３中心をそれぞれ消滅させるかまたはアニールアウトするように作用する可能性がある瞬間的な再結合および熱エネルギの生成を最小化するよう試みることができる。
【００６１】
表面への粒子投影飛程を数結合長の最大値未満に制限するように、粒子の注入エネルギを選択することができる（最大値が選択される）。粒子の注入エネルギは、表面エネルギ障壁の侵入によって表面への粒子の取込みを可能とするために少なくとも十分であるように選択する（最小値を選択する）こともできる。（基板への粒子の侵入を可能にするのに十分な）選択された最小エネルギにより、典型的な核形成メカニズムによって層の成長は行われない。注入粒子エネルギの選択範囲は、目標原子への運動エネルギ移動が、変位をもたらすのに不十分であるか、または平均して概ね１つもしくは２つの変位反応しかもたらさないか、または表面への、もしくは表面から数結合長内の距離への挿入を可能にするのに十分であるかのいずれかであるようなものである。
【００６２】
このように、層を形成する方法の実施形態が開示される。上記の実装例および他の実装例は、添付の請求項の範囲内である。当業者は、開示されたもの以外の実施形態で本開示を実行することができると認識するであろう。開示された実施形態は、限定ではなく例示の目的で提示されている。
【図１Ａ−１Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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