(57)【要約】ガスクラスタイオンビーム「ＧＣＩＢ」（１５４）内のクラスタイオンサイズの分布を測定し、磁気又は静電気による質量分析を行うことなくクラスタイオンの質量分布及び質量流量を決定する方法及び装置。飛行時間質量分析ユニット（４００）の一部をなすファラデーエンクロージャ（２２２）は、クラスタイオンのサイズ分布を監視する。【選択図】図３
2004507037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）によるワークピースの加工を改良するために、ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズを診断する装置であって、
真空容器と、
真空容器内に収容されて、ガスクラスタイオンビームを生成するガスクラスタイオンビーム供給源と、
第一の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを加速させる加速器と、
前記第一の軌道から所定のオフセット角だけ逸れた第二の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させるビーム偏向器と、
前記第一の軌道に沿って前記ビーム偏向器から所定の距離Ｄを隔てた位置に配設されたビーム検出手段と、
第二の軌道に沿って配設され、ガスクラスタイオンビームで加工されるワークピースを保持するワークピース保持手段と、
前記ビーム偏向器に偏向信号を供給して前記第一の軌道と前記第二の軌道との間でガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させる制御手段と、
前記距離Ｄを飛行するガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定する飛行時間測定手段と、
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報を提供するために、ガスクラスタイオンビームの成分の前記飛行時間を分析する飛行時間分析器と、
を備え、
前記出力情報が、ワークピースのガスクラスタイオンビーム加工で使用される装置。
【請求項２】
更に、ガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を表示する表示手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
更に、前記出力情報に基づいてガスクラスタイオンビームのクラスタ成分のサイズ又は質量分布の推定値を表示する表示手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
更に、前記飛行時間分析器に動作可能に接続され、出力情報を受信してワークピースに対するガスクラスタイオンビーム加工を制御するシステム制御手段を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
ビーム検出手段が、ビーム電流信号を収集するためのファラデーエンクロージャを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
偏向信号が、前記距離Ｄを飛行するガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定するために前記第一の軌道に沿ったビームパルスの切り替えを行うビーム切り替え信号を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
加速器が、約１ｋｅＶ乃至約５０ｋｅＶの範囲のエネルギまでガスクラスタイオンビームを加速させる、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ビーム切り替え信号の存続時間が、サイズＮが５００以上のイオンの飛行時間の１０％未満である請求項７に記載の装置。
【請求項９】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が以下の数式から得られる、請求項１に記載の装置。
【数１】
2004507037.tif 000006
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢのエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝１＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000007
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
【請求項１０】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が以下の数式から得られる、請求項１に記載の装置。
【数１】
2004507037.tif 000008
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢのエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000009
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
及び、
【数３】
2004507037.tif 000010
ここで、ｑ＝クラスタの帯電状態
【請求項１１】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）によるワークピースの加工を改良するために、ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズを診断する装置であって、
真空容器と、
真空容器内に収容されて、ガスクラスタイオンビームを生成するガスクラスタイオンビーム供給源と、
第一の軌道に沿って前記ガスクラスタイオンビームを加速させる加速器と、
前記第一の軌道から所定の第一のオフセット角だけ逸れた第二の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させると共に、前記所定の第一のオフセット角よりも大きい所定の第二のオフセット角だけ前記第二の軌道から逸れた第三の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させるビーム偏向器と、
第三の軌道に沿ってビーム偏向器から所定の距離Ｄを隔てた位置に配設されたビーム検出手段と、
前記第二の軌道に沿って配設され、ガスクラスタイオンビームで加工されるワークピースを保持するワークピース保持手段と、
偏向信号を供給して前記第二の軌道と前記第三の軌道との間でガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させる制御手段と、
前記距離Ｄを飛行するガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定する飛行時間測定手段と、
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報を提供するために、ガスクラスタイオンビームの成分の前記飛行時間を分析する飛行時間分析器と、
を備え、
前記出力情報が、ワークピースのガスクラスタイオンビーム加工で使用される装置。
【請求項１２】
更に、ガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を表示する表示手段を備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
更に、前記出力情報に基づいてガスクラスタイオンビームのクラスタ成分のサイズ又は質量分布の推定値を表示する表示手段を備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
更に、前記飛行時間分析器に動作可能に接続され、出力情報を受信してワークピースに対するガスクラスタイオンビーム加工を制御するシステム制御手段を備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
ビーム検出手段が、ビーム電流信号を収集するためのファラデーエンクロージャを備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
偏向信号が、前記距離Ｄを飛行するガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定するために前記第一の軌道に沿ったビームパルスの切り替えを行うビーム切り替え信号を含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
加速器が、約１ｋｅＶ乃至約５０ｋｅＶの範囲のエネルギまでガスクラスタイオンビームを加速させる、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
ビーム切り替え信号の存続時間が、サイズＮが５００以上のイオンの飛行時間の１０％未満である請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が以下の数式から得られる、請求項１１に記載の装置。
【数１】
2004507037.tif 000011
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢのエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝１＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000012
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
【請求項２０】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が以下の数式から得られる、請求項１１に記載の装置。
【数１】
2004507037.tif 000013
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢのエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000014
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
及び、
【数３】
2004507037.tif 000015
ここで、ｑ＝クラスタの帯電状態
【請求項２１】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）によるワークピースの加工を改良するために、ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズを診断する装置であって、
真空容器と、
真空容器内に収容されて、ガスクラスタイオンビームを生成するガスクラスタイオンビーム供給源と、
第一の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを加速させる加速器と、
所定のオフセット角だけ前記第一の軌道から逸れた第二の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させるビーム偏向器と、
前記第一の軌道に沿って前記ビーム偏向器から所定の距離Ｄを隔てた位置に配設されたビーム検出手段と、
前記ビーム偏向器に偏向信号を供給して前記第一の軌道と第二の軌道との間でガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させる制御手段と、
前記距離Ｄを飛行するガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定する飛行時間測定手段と、
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報を提供するために、前記ガスクラスタイオンビーム成分の飛行時間を分析する飛行時間分析器と、
を備える装置。
【請求項２２】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が以下の数式から得られる、請求項２１に記載の装置。
【数１】
2004507037.tif 000016
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢのエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝１＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000017
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
【請求項２３】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が以下の数式から得られる、請求項１２に記載の装置。
【数１】
2004507037.tif 000018
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢのエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000019
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
及び、
【数３】
2004507037.tif 000020
ここで、ｑ＝クラスタの帯電状態
【請求項２４】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）によるワークピースの加工を改良するために、ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズを診断する装置であって、
真空容器と、
真空容器内に収容されて、ガスクラスタイオンビームを生成するガスクラスタイオンビーム供給源と、
第一の軌道に沿って前記ガスクラスタイオンビームを加速させる加速器と、
所定の第一のオフセット角だけ前記第一の軌道から逸れた第二の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させるとともに、前記所定の第一のオフセット角よりも大きい所定の第二のオフセット角だけ前記第二の軌道から逸れた第三の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させるビーム偏向器と、
第三の軌道に沿ってビーム偏向器から所定の距離Ｄを隔てた位置に配設されたビーム検出手段と、
偏向信号を供給して前記第二の軌道と前記第三の軌道との間でガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させる制御手段と、
前記距離Ｄを飛行するガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定する飛行時間測定手段と、
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報を提供するために、前記ガスクラスタイオンビーム成分の飛行時間を分析する飛行時間分析器と、
を備え、
前記出力情報が、ワークピースのガスクラスタイオンビーム加工で使用される装置。
【請求項２５】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が以下の数式から得られる、請求項２４に記載の装置。
【数１】
2004507037.tif 000021
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝１＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000022
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
【請求項２６】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が以下の数式から得られる、請求項２４に記載の装置。
【数１】
2004507037.tif 000023
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000024
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
及び、
【数３】
2004507037.tif 000025
ここで、ｑ＝クラスタの帯電状態
【請求項２７】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）によるワークピースの加工を改良するために、ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズを診断する方法であって、
ガスクラスタイオンビーム供給源を設けるステップと、
前記イオンビーム供給源によりガスクラスタイオンビームを生成するステップと、
第一の軌道に沿ってガスクラスタイオンを加速させるステップと、
前記第一の軌道と、所定のオフセット角だけ前記第一の軌道から逸れた第二の軌道との間で、ガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させるステップと、
前記第一の軌道に沿って所定の距離Ｄを画定するステップと、
前記所定の距離Ｄを隔てた位置で前記第一の軌道に沿ったガスクラスタイオンビームを検出するステップと、
前記距離Ｄを飛行するガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定するステップと、
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報を提供するために、前記ガスクラスタビームイオンの成分の飛行時間を分析するステップと、
を備える方法。
【請求項２８】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が以下の数式から得られる、請求項２７に記載の方法。
【数１】
2004507037.tif 000026
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢのエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝１＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000027
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
【請求項２９】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が以下の数式から得られる、請求項２７に記載の装置。
【数１】
2004507037.tif 000028
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢのエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000029
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
及び、
【数３】
2004507037.tif 000030
ここで、ｑ＝クラスタの帯電状態
【請求項３０】
更に、
前記第二の軌道内の所定の位置にワークピースを配置するステップと、
ワークピースの加工を改良するために、ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する前記出力情報を使用するステップと、
を備える、請求項２７の方法。。
【請求項３１】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）によるワークピースの加工を改良するために、ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズを診断する方法であって、
ガスクラスタイオンビーム供給源を設けるステップと、
前記イオンビーム供給源によりガスクラスタイオンビームを生成するステップと、
第一の軌道に沿ってガスクラスタイオンを加速させるステップと、
所定の第一のオフセット角だけ前記第一の軌道から逸れた第二の軌道と、前記第一のオフセット角よりも大きい所定の第二のオフセット角だけ前記第二の軌道から逸れた第三の軌道との間で、ガスクラスタイオンビームを制御可能に偏向させるステップと、
前記第三の軌道に沿って所定の距離Ｄを画定するステップと、
前記所定の距離を隔てた位置で前記第三の軌道に沿ったガスクラスタイオンビームを検出するステップと、
前記距離Ｄを飛行するガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定するステップと、
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報を提供するために、前記ガスクラスタビームイオン成分の飛行時間を分析するステップと、
を備える方法。
【請求項３２】
ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する出力情報が、以下の数式から得られる、請求項３１に記載の方法。
【数１】
2004507037.tif 000031
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢのエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝１＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000032
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
【請求項３３】
ＧＣＩＢ質量又はクラスタサイズに関する出力情報が、以下の数式から得られる、請求項３１に記載の装置。
【数１】
2004507037.tif 000033
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
及び、
【数２】
2004507037.tif 000034
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
及び、
【数３】
2004507037.tif 000035
ここで、ｑ＝クラスタの帯電状態
【請求項３４】
更に、
前記第二の軌道内の所定の位置にワークピースを配置するステップと、
ワークピースの加工を改良するために、ＧＣＩＢの質量又はクラスタサイズに関する前記出力情報を使用するステップと、
を備える、請求項３１の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、ガスクラスタイオンビーム内のガスクラスタのサイズ分布の測定に関し、特に、ワークピースの加工と並行してガスクラスタのサイズ分布を測定する装置及び方法に関する。
【０００２】
素材表面のエッチング、洗浄、及び平滑化にガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）を使用することは技術上公知である（例えば、出口他による米国特許第５，８１４，１９４号公報参照）。本明細書において、ガスクラスタとは標準温度及び標準気圧の条件下でガス状の、ナノサイズの材料の集合体である。このようなクラスタは、通常、数千個の分子が緩やかに結合してクラスタを形成する集合体から成る。このようなクラスタは、電子衝撃又はその他の方法によりイオン化し、方向性を有する、制御可能な既知のエネルギのビームとすることができる。サイズの大きなクラスタは、分子あたりのエネルギはごくわずかであるものの、クラスタイオンごとに大きなエネルギを搬送できることから、最も有用である。クラスタは衝撃によって分解され、個々の分子はクラスタ全体のエネルギのごく一部のみを搬送する。従って、大きなクラスタの衝撃効果は相当なものであるが、その効果は表面のごく浅い部分に限られる。このため、表面下に深い損傷を与えやすいモノマーイオンビーム加工の性質が無いこのイオンクラスタは、さまざまな表面変形加工に効果的である。
【０００３】
このようなＧＣＩＢを作成及び加速させる方法は、前述の引例（米国特許第５，８１４，１９４号公報）で説明されている。現在利用できるイオンクラスタ供給源では、幅広い分布サイズＮを有するクラスタイオンが生成される（ここでＮとは各クラスタ内の分子の数であり、本書では、単原子ガスの場合、単原子ガスの原子は分子として、イオン化された単原子ガスの原子は分子イオンと呼ばれる）。
【０００４】
一次近似では、エネルギを有するクラスタの表面変形効果はクラスタのエネルギに依存する。しかし、二次効果は、クラスタのエネルギ及び質量（従ってクラスタのサイズＮ）によって異なるクラスタの速度に依存する。ガスクラスタイオンビームを表面加工に最大限利用するには、クラスタのエネルギとクラスタのサイズ又はサイズ分布の両方を知り、制御することが有益である。特定の用途においては、表面被膜の蒸着又は増大にガスクラスタイオンビームが使用される。このように使用される際は、ワークピースへの質量の流量を知ることが重要となる。しかし、平均的なサイズ又はサイズ分布（平均質量又は質量分布）が分からなければ、ワークピースに流れる質量の合計を知ることはできない。実用的なイオン化クラスタ供給源のイオン化クラスタは、通常、必ずしもすべて同じ数の電荷量を搬送しているわけではない。一定の条件下においては、クラスタイオンが単一の電荷を搬送するようにすることができる。このような場合は、正確にそれぞれの電荷が単一のクラスタに対応すると推定することができるが、平均的なサイズ又はサイズ分布（平均質量又は質量分布）が分からなければ、ワークピースに流入する質量の合計は分からない。供給源の状態を制御し、分子イオンに対するクラスタイオンの割合及びクラスタのサイズ分布に影響を及ぼすことは可能である。しかし、クラスタのサイズ分布や分子イオンに対するクラスタイオンの比率を測定及び監視するための方法が無ければ、供給源の状態を最適に調整及び制御し、イオン化クラスタのサイズを操作することは難しい。イオン化クラスタのほぼすべてが単一又は既知の数の電荷を搬送しているのでないときは、有用な変数として電荷ごとのイオン化クラスタ質量の知識を使用し、平滑化やエッチング、又はその他の加工におけるビームの効果を制御もしくは調整することもできる。
【０００５】
これら及びその他の理由により、ガスクラスタイオンビームに関するクラスタサイズの分布情報、或いはガスクラスタイオンビームのクラスタサイズごとの電荷分布もしくはクラスタの質量ごとの電荷分布に関する情報を提供することのできる方法があれば便利である。
【０００６】
分子イオンは、現在利用可能なクラスタイオンビーム供給源でクラスタイオンとともに生成されることから、それらの分子イオンはクラスタイオンとともに加工中のワークピースに向けて加速され、移送される。その結果、小さな質量で大きなエネルギを有する分子イオンの速度が大きくなり、軽量の分子イオンが表面を透過して、加工に弊害を及ぼし得る深い損傷を生じさせる。
【０００７】
イオンクラスタビームの技術では、イオンクラスタビームから分子イオンを除去する方法をＧＣＩＢ加工機器内に組み込むことが多くのＧＣＩＢ加工にとって有益であることが知られている。重量のあるクラスタイオンから軽量のイオンを除去するために、静電式（クナウアによる米国特許第４，７３７，６３７号公報参照）及び電磁式（青柳他による米国特許第５，１８５，２８７号公報において従来技術として引用された日本国特許出願公開第０３−２４５５２３号公報参照）質量分析器が利用されている。また、静電式及び電磁式質量分析器は、幅広い質量分布のビームから限られた範囲のイオン質量を有するイオンクラスタを選別するのにも利用されている。
【０００８】
現在のところ、実用向きのＧＣＩＢ供給源では、使用できるクラスタイオン電流の限られた、広範にわたるサイズ分布のイオンクラスタが生成される。従って、単一のクラスタサイズ又は狭い範囲のクラスタサイズを選択してＧＣＩＣＢを行うのは実用的でない。そのようなビームの作用を生産的な加工で実現する可能性は低すぎるからである。これよりは、分子イオン並びに最も質量の小さなその他のイオンのみをビームから取り除き、より重量の大きな残りのイオンをすべて使用して加工を行うほうが好ましい。実際の経験では、典型的なクラスタサイズの分布特性（通常の供給源ではサイズの小さいクラスタがいくつか生成される）を頼みとし、ビーム内の小さなクラスタ（Ｎ＝２〜１０）を限定しつつ、分子イオンを除去するフィルタリングを提供すれば事足りる場合の多いことが示されている。Ｎ＞１０のクラスタは、ほとんどの加工において許容範囲の結果をもたらすのに適当なサイズである。通常のクラスタ分布には、Ｎの値が数千のクラスタが含まれており、質量が１００未満のクラスタはほとんど無いことから、分子イオンを除去する過程で１００までのサイズのクラスタがビームから取り除かれたとしても大きな影響は無い。しかし、ガスクラスタイオンビームの加工効果を的確に予測するには、ビームの質量分布又はクラスタサイズを知り、分子イオンや最小サイズのクラスタイオンが存在するかどうかを知っておくことが非常に望ましい。
【０００９】
従って、ＧＣＩＢ内のクラスタイオンのサイズ分布を測定する方法を提供することが本発明の目的である。
【００１０】
また、ＧＣＩＢ内のクラスタイオンの質量分布並びに質量流量を決定する手段を提供することも本発明の目的である。
【００１１】
更に、望ましくない分子イオンがＧＣＩＢに存在するかどうかを決定することも本発明の目的である。
【００１２】
加えて、ワークピースの加工と並行してクラスタのサイズ及び質量を測定することも本発明の目的に含まれる。
【００１３】
【発明の概要】
本発明の上述の目的並びに更に別の目的及び利点は、以下に説明する本発明の実施の形態によって達成される。
【００１４】
本発明では、好ましくは、ガスクラスタのイオン化システムによって生成される分子及びクラスタイオンのほとんどが単一の電荷を帯び、かかるイオンが既知の加速度ポテンシャルで加速されるように構成される。これにより、本発明の装置で生成されるＧＣＩＢの分子イオン及びクラスタイオンは、クラスタのサイズや、イオンがクラスタイオンか分子イオンかに関係なく、イオンごとに制御可能な既知のエネルギを有することになる。イオンはすべて純粋なガスから生成されるので、それぞれの分子の分子量は判明している。従って、既知のエネルギを有する既知のイオンが既知の距離を移動する時間を測定すれば、本発明に従い、イオンの質量及びクラスタサイズを計算することが可能となる。或いは、ガスクラスタイオン化システムで生成されるすべての分子及びクラスタイオンが単一の電荷を帯びるようにすることが現実的でないか、又は望ましくない場合、本発明では、イオンの飛行時間を測定することにより、イオンの電荷当たりの質量又はサイズを計算することができる。
【００１５】
特定のスキャン波形を提供し、従来のＧＣＩＢ加工装置に適切な検出装置を導入することにより、本発明は、その場でＧＣＩＢのイオンの質量及びクラスタサイズ分布を測定できるようにする。本発明は、加工のためのＧＣＩＢ経路と質量及びサイズ測定のためのＧＣＩＢ経路を切り離し、ワークピースの加工と並行してクラスタサイズ及び質量の測定を行えるようにする。
【００１６】
本発明並びに本発明の他の更なる目的に対する理解を深めるため、添付図面及び詳細な説明を参照するとともに、本発明の範囲を前記特許請求の範囲に示す。
【００１７】
【好適な実施の形態の詳細な説明】
図１は、一般に入手可能なＧＣＩＢ供給源で生成される典型的なイオンクラスタのサイズ分布を示す。クラスタの形成過程では、サイズの小さないくつかのクラスタ（Ｎの値は２からおよそ１０）が生成されるが、分子イオン（Ｎ＝１）は、よりサイズの大きなクラスタ（Ｎは数十から数千）同様、多量に生成されることが示されている（コフジＮ．他、「ガスクラスタ供給源の開発とその特性」、イオン供給源及びイオンを利用した技術に関する第１４回シンポジウム会報、東京（１９９１）、ｐ．１５）。山田による米国特許第５，４５９，３２６号公報から分かるとおり、クラスタ内の個々の分子は、それぞれの分子イオンが数千電子ボルトのエネルギを有する他の種類のイオンビーム加工のように、表面を透過し損傷を残すほど十分なエネルギを持たない（およそ数電子ボルト）。しかし、山田及び松尾の『Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｉ』（１９９８）、ｐｐ．２７‐４１、のクラスタイオンビーム加工によると、表面のエッチング、平滑化、又はクリーニングを効果的に行うのに十分なエネルギ（数千電子ボルト）をクラスタ自体に持たせることは可能である。
【００１８】
図２は、従来技術で公知の形式のＧＣＩＢ加工機器１００の典型的な構成を示すものであり、次のように説明できる。真空容器１０２は、供給源室１０４、イオン化／加速室１０６、及び加工室１０８という３つの連通室に分けられる。これら三室は、それぞれ真空ポンプシステム１４６ａ、１４６ｂ及び１４６ｃによって適切な動作圧に設定される。凝縮可能な供給源ガス１１２（例えばアルゴン又はＮ２）は、圧力を受けガスフィードチューブ１１４を通じて滞留室１１６に通され、適切に成形されたノズル１１０を通じて非常に圧力の低い真空室に排出される。この結果、超音速ガスジェットが生じる。ジェットの膨張によって生じる冷却作用により、ガスジェット１１８の一部は、それぞれが緩く結合した数千の分子からなるクラスタに凝縮される。ガススキマ装置１２０は、クラスタジェット化されていないガス生成物をクラスタジェットから分離させ、高い圧力が害を及ぼす下流部（例えば、イオナイザ１２２、高電圧電極１２６、及び加工室１０８）の圧力を最小化する。凝縮できる適切な供給源ガス１１２には、アルゴン、窒素、炭酸ガス、酸素が含まれるが、これらに限定されない。
【００１９】
ガスクラスタを含む超音速ガスジェット１１８が形成された後、クラスタはイオナイザ１２２でイオン化される。イオナイザ１２２は、普通、ジェットがイオナイザ１２２を通過する一つ以上の白熱フィラメント１２４から熱電子を生成し、ガスジェット１１８のガスクラスタと衝突するように電子を加速させ、方向を与える電子衝撃式イオナイザである。電子衝撃によってクラスタから電子が放出され、クラスタの一部が陽イオン化される。適切に偏向された高電圧電子１２６は、イオナイザからクラスタイオンを抽出してビームを形成した後、望まれるエネルギ（通常、１から数十ｋｅＶ）までそれらを加速し、最初の軌道１５４を有するＧＣＩＢ１２８を形成するように集中させる。フィラメント電源１３６は、イオナイザのフィラメント１２４を熱するためにＶＦの電圧を供給する。陽極電源１３４は、フィラメント１２４から放出された熱電子を加速し、ガスジェット１１８を含むクラスタに衝突させてイオンを生成するためにＶＡの電圧を供給する。抽出電源１３８は、高電圧電子を偏向させ、イオン化領域又はイオナイザ１２２からイオンを抽出し、ＧＣＩＢ１２８を形成するためにＶＥの電圧を供給する。加速器電源１４０は、イオナイザ１２２に対して高電圧電子を偏向させ、ＧＣＩＢの加速エネルギが合計ＶＡＣＣとなるようにするためＶＡＣＣの電圧を供給する。電位（例えばＶＬ１及びＶＬ２）を有する高電圧電子を偏向させ、ＧＣＩＢ１２８に集中させるために、レンズ電源（例として１４２及び１４４が示されている）が供給される場合もある。
【００２０】
ワークピース１５２としては、ＧＣＩＢで加工される半導体ウエハやその他のワークピースが考えられるが、これはワークピースホルダ１５０で保持され、ＧＣＩＢ１２８の軌道上に配置される。大抵の用途では、空間的に一律の結果となるサイズの大きなワークピースの加工が予想されるため、広範囲にわたってＧＣＩＢ１２８を均一にスキャンし、空間的に均質な結果をもたらすスキャンシステムが望ましい。加工領域全体にわたってラスタ又はその他のスキャンパターンを生成するため、直交する向きに合わせられた二組の静電スキャンプレート１３０及び１３２を使用することができる。ビームスキャンが行われる際、ＧＣＩＢ１２８は、ワークピース１５２の全表面をスキャンするスキャンＧＣＩＢ１４８に変換される。
【００２１】
図３は、本発明を実施するために変形構成を有する基本的なＧＣＩＢ装置２００を利用した、本発明の実現可能な一実施の形態を示す。この実施の形態では、初期ビーム軌道１５４とスキャンされるＧＣＩＢ１４８の中心経路２０６との間に一定のオフセット角２１０を与えるために、一定の（直流）偏向電圧がＹスキャン偏向プレート２０２を介してビームスキャン電圧波形に印加された。ここで、オフセットはスキャンプレート２０２間の領域に印加された。スキャンプレート２０２では、ＧＣＩＢはオフセット角２１０で偏向されることに加え、スキャン角２２６でスキャンされる。スキャン角２２６の半分の角度は、スキャン半角２０８と呼ばれる。ＧＣＩＢ中に存在する可能性のある荷電していない分子やクラスタは、スキャンプレート２０２間の静電界には反応せず、ワークピース１５２の加工領域から離間した領域まで延びた経路２０４に沿った直線上を進み続ける。ビーム入射口にサプレッサリング電極２１６及び接地リング電極２１８を有するファラデーエンクロージャ２２２は、初期ビーム軌道１５４の延長線上である直線経路２０４の経路上に配置される。サプレッサリング電極２１６は、偏向電源ＥＳによりファラデーエンクロージャに対して陰性に偏倚され、経路２０４を経たエネルギを有するイオン又は荷電していない粒子が最小の影響で入射できるようにしつつ、低エネルギの電子が流出するのを防ぎ、ファラデーエンクロージャ２２２で生成される可能性のあるすべての二次電子を保持できるようにする。
【００２２】
このように、荷電していない分子又はクラスタは、ファラデーエンクロージャ内で止められた場合、電気的な作用は受けないが、ファラデーエンクロージャ内で止められた帯電イオンは、導線２２０を介して飛行時間分析システム４００まで伝導される。ワークピース１５２は、スキャンＧＣＩＢ１４８の経路上に、且つ、ファラデーエンクロージャ２２２及び偏向されていない経路２０４から離間して、ワークピースホルダ１５０によって保持及び位置決めされる。
【００２３】
引き続き図３を参照すると、スキャンプレート２０２へのビーム入射口は、ドリフト距離Ｄでファラデーエンクロージャ２２２の入射口と隔てられている。この距離は任意の長さとすることができるが、スキャンプレート２０２の長さよりも大幅に長く、３０ｃｍを超えることが望ましい。スキャンジェネレータ３００は、導線２１２及び導線２１４を通じてスキャンプレート２０２にＹ軸のスキャン電圧及び偏向電圧を供給する。また、スキャンジェネレータ３００は、導線２２４を通じて飛行時間分析システム４００に同期パルスを供給する。
【００２４】
更に図３には、初期ビーム軌道１５４及びその延長線上の偏向されていない経路２０４とおよそ１５°の角度をなす、スキャンＧＣＩＢ１４８に対して一定角度の偏向を有する中心経路２０６が、例示的且つ非限定的に示されている。しかし、この偏向角は、スキャン半角２０８よりも若干大きければ、どのような角度でもスキャンＧＣＩＢ１４８と偏向されていない経路２０４とを隔てるのに実質的に十分なことは明らかである。
【００２５】
図４は、スキャンジェネレータ３００及びその生成信号について詳細に示したものである。スキャンジェネレータ３００は、Ｙ軸プレート２０２にスキャン信号、偏向信号、ビーム切り替え信号を生成するとともに、飛行時間分析システム４００で使用される同期信号を生成する。デジタルシーケンスジェネレータ３０２は、シーケンス又は二進値と、信号バス３０４を通じてデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）３０６に流れる制御信号を生成する。デジタルシーケンスジェネレータ３０２は、ＤＡＣ３０６に必要なデジタル値のシーケンスと制御信号を生成することが可能なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、小型コンピュータ、又はその他のデジタル論理システムで構成することができる。
【００２６】
デジタル及びコンピュータ論理技術の熟知者によく知られているさまざまな技術によって、デジタルシーケンスジェネレータとそれによる制御が実現可能であることは容易に理解できる。デジタルシーケンスジェネレータは、更に通信バス３２４を経てオプションのリモートデジタルシステムコントローラ３２６と通信することができる。このようなデジタルシステムコントローラは、ＧＣＩＢ加工装置の自動制御システムの一部に含めることが可能であり、利便性と効率性の観点からＧＣＩＢ加工機器の機能を統合、連携させることが望ましいが、本発明にとって必ずしも必要な部分ではない。従って、デジタルシステムコントローラ３２６及び通信バス３２４は、例示的な目的で且つ非限定的に提示されている。
【００２７】
引き続き図４を参照すると、デジタルシーケンスジェネレータ３０２で供給される二進値のシーケンス及び制御信号により、ＤＡＣ３０６は、導線２１４及び２１２によってそれぞれＹスキャンプレートに接続される、高レベルのスキャン信号３１６及び３１８を生成するために、変換増幅器３０８及び無変換増幅器３１０、そして高電圧増幅器３１２及び３１４で増幅されるＹスキャン信号を生成することができる。通常の加工工程において、スキャンジェネレータ３００は、各プレートに周期ｔｓｃｎ（例えば１から１００ミリ秒程度の周期が可能だがこれに制限されない）の周期的な鋸歯状波形と、望まれるスキャン角２２６を得るのに適した増幅を生成する。スキャン信号３１８について考えてみる。この周期的な鋸歯状波形は、ビームがスキャンプレート２０２の間を通過する際、初期ビーム軌道１５４と中心経路２０６又はスキャンＧＣＩＢ１４８との間に一定のオフセット角２１０を得るために選択された直流偏向電圧ＶＤに加えられる。
【００２８】
デジタルシーケンスジェネレータは、必要に応じてＧＣＩＢ加工の開始前に最低一度、できればＧＣＩＢの加工中に繰り返し、周期的な鋸歯状波形の間にビーム切り替えパルスを放散する。信号３１６及び３１８のプロットに示された波形セグメントのタイミングは、そのようなビーム切り替えパルスが一つ含まれるように選択されている。図示されたスキャン信号３１６及び３１８では、ビーム切り替えパルスの開始点がｔ０、そしてビーム切り替えパルスの期間がｔｐｗで示されている。ビーム切り替えパルスの期間中、Ｙスキャン信号電圧はゼロとなることから、ＧＣＩＢはオフセット角２１０で偏向されず、スキャン角２２６でスキャンされずに、初期ビーム軌道１５４の延長線となる直線経路２０４に沿って、Ｙスキャンプレートの間を偏向されないまま通過する。
【００２９】
前述の偏向されないＧＣＩＢは一直線にファラデーエンクロージャ２２２へ飛び、ここで止められ、イオンの電荷が導線２２０を通じて飛行時間分析器４００に流入する検出電流に変換される。ビーム切り替えパルスはｔ０＋ｔｐｗの時間で終了し、周期的な鋸歯状のスキャンが開始され、ビーム切り替えがワークピース１５２に向けられたオフセット経路に戻り、ＧＣＩＢ加工が再び始まる。スキャン信号３１６はスキャン信号３１８の逆であることに注意を要する。
【００３０】
スキャン信号３０８のサンプルは、パルス整形回路３２０に伝導される。パルス整形回路は、ｔ０で立ち上がり、スキャンプレート２０２へのビーム切り替えパルスの開始と同期した同期パルス信号３２２を抽出し、供給するため、スキャン信号を処理する。ｔｐｗと同じか、もしくは異なる可能性のあるｔｓｐｗに等しいパルス幅の同期パルス信号３２２が示されているが、これは例示を目的としたものであり、制限ではない。同期パルス信号３２２は、導線２２４によって飛行時間分析器４００に導かれる。ビーム切り替えパルス時間ｔｐｗの間、入射口に入る分子イオン及びクラスタイオンは偏向されず、ファラデーエンクロージャ２２２に向けられたイオンのパルスを形成する。
【００３１】
偏向されていないイオンパルスには、さまざまな質量、従ってさまざまな速度の分子イオン及びクラスタイオンが含まれている可能性がある。ファラデーエンクロージャ２２２に向かって飛行する際、速度の違いにより、イオンはファラデーエンクロージャ２２２への経路２０４に沿って放散し、イオンパルスは広がる。その結果、ファラデーエンクロージャ２２２の入射口にイオンが到達する時間は、それぞれの速度に応じて遅れることになる。
【００３２】
図５は、本発明で使用される飛行時間分析器４００の一実施の形態を示す。ファラデーエンクロージャ２２２に帯電したイオンが到着すると、それに対応する電流波形が飛行時間分析器４００への導線２２０で生じる。ｔ０の後の短時間の遅れｔｐで、最速のイオンがファラデーエンクロージャに到着し、電流信号に変換される。拡散の度合いに応じて、重量のある、速度の遅いイオンの到着は遅れ、最も重く、速度の遅いイオンがｔｓの遅れで到着する。一回のビーム切り替えパルスで生じる単一の拡散されたイオンパルスの飛行の結果、ファラデーエンクロージャで収集された電流信号の合計４０２は、例えば図５の時間増幅プロット（電流信号）のようになる。
【００３３】
原理を示すために選択されたこの例では、最速の分子イオンの到着に対応してｔｐで電流がピークに達し、速度の遅いクラスタイオンの到着に対応してｔｐからｔｓの間に幅広いピークが生じている。電流電圧変換器４０４は電流信号４０２を受信し、後に増幅器４０６で増幅される電圧信号を生成する。また、飛行時間分析器４００は、スキャンジェネレータ３００から導線２２４で伝導される同期パルス信号３２２を受信する。トリガ信号入力４１４、一つ以上の垂直信号入力４１２、ディスプレイの掃引信号を生成する時間基準ジェネレータ、そして画像ディスプレイ４１０を有するデジタル蓄積オシロスコープ４０８は、同期パルス信号３２２及び電流信号４０２から派生した増幅電圧信号を受信する。オシロスコープは垂直入力４１２で示された信号をデジタル化して蓄積し、表示するが、この信号は一回のビーム切り替えパルスで生じた単一のビームパルスのイオン飛行時間のスペクトルである。
【００３４】
更に、オシロスコープ４１０にはデータ通信機能と遠隔読み出し機能を含めることができ、また、通信バス４１６を使用してオプションのデジタルシステムコントローラ３２６で通信を行うことも可能である。このようなデジタルシステムコントローラは、ＧＣＩＢ加工装置の自動制御システムの一部に含めることが可能であり、利便性と効率性の観点からＧＣＩＢ加工機器の機能を統合、連携させることが望ましいが、本発明にとって必ずしも必要な部分ではない。従って、デジタルシステムコントローラ３２６及び通信バス３２４は、例示のみを目的としたものであり、限定的なものではない。オプションのデジタルシステムコントローラを使用する際は、多くの場合、飛行時間信号の情報をより精緻に分析し、処理できる十分な計算能力が用意される。
【００３５】
電流信号４０２の飛行時間の解像度は、与えられたビームエネルギの飛行距離Ｄとビーム切り替えパルスの時間ｔｐｗに依存する。ビーム切り替えパルスの幅は、イオンが距離Ｄを飛行する時間の十分の一以下とすることが望ましい。ｔｐｗが短ければ、電流信号４０２は真の飛行時間スペクトルに近づく。ｔｐｗの値が大きくなると、ビーム切り替えパルスの幅ｔｐｗは、数学的に飛行時間スペクトルに畳み込まれてしまう。そのような場合、満足な飛行時間の解像度のスペクトルを提供するには、畳み込みを元に戻さなければならない。ビーム切り替えパルス幅ｔｐｗは、優れた解像度が望まれる最軽量イオンの飛行時間の十分の一よりも小さくすることが好ましい。分子イオンの飛行時間に比べてｔｐｗが短いと、分子イオンの場合でさえオシロスコープ４１０の表示が優れた解像度となり、図６に示されるような飛行時間スペクトル５５０がディスプレイ４１０上で生成される。
【００３６】
ｔｐｗが飛行時間に比べて短いとき、イオン又はクラスタイオンの質量は以下のとおり飛行時間に関連付けられる。
【数１】
2004507037.tif 000003
ここで、ｍｉ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
Ｅ＝ＧＣＩＢのエネルギ
ｖ＝イオン（又はクラスタイオン）の速度
Ｄ＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行距離
ｔｄ＝ｔ−ｔ０＝イオン（又はクラスタイオン）の飛行時間
ＶＡＣＣ＝ビーム加速度の総ポテンシャル
ｑ＝クラスタの帯電状態
ｅ＝単位電荷（電荷）
また、
【数２】
2004507037.tif 000004
ここで、Ｎ＝クラスタのサイズ
ｍｌ＝イオン（又はクラスタイオン）の質量
ｍｍ＝クラスタを形成するガス分子の質量
［数２］及び［数１］のｍｉの値を使用すると、クラスタイオンの飛行時間ｔｄとクラスタサイズの関係を明らかにし、ディスプレイ４１０に示されるディスプレイ５５０のＸ軸にクラスタサイズＮの単位及び飛行時間の単位でラベルを付すことが可能となる。
【００４１】
イオン化されたクラスタのすべてが単位電荷（電荷）ｅに等しい単一の電荷を帯びていれば、ｑ＝１となり、［数１］及び［数２］でクラスタサイズＮが計算される。しかし、イオン化されたクラスタは、一般にサイズＮ、及びイオンが有する電荷数であるところの帯電状態ｑの両方で分布していることが考えられる。現在のところ、これらの分布の区分は容易でない。そのため、この場合、分布Ｎ’の測定には飛行時間の測定値が使用される。
【数３】
2004507037.tif 000005
ここで、ｑ＝クラスタの帯電状態
この一般化によって測定の効用は多少損なわれるものの、飛行時間から導き出されるＮ’の分布は、商業生産機器の一貫性を決定したり、一貫した加工を実現する機器の運用限界の設定を簡略化したりするために非常に役立つ。更に、低レベルでクラスタイオナイザを運用することによって、別々にサイズ分布を推測し、個々のクラスタが単一の電荷を超える電荷を得るようなことがほとんど起こらないようにすることができる。このような場合は、ｑ＝ｅ（イオンがややイオン化された状態）という近似が成り立つ。
【００４４】
図３に示されているＧＣＩＢ加工システム２００には、運用可能ではあるが、軽微な欠点があるとみられる可能性のある本発明の実施の形態が組み込まれている。図３に描かれているとおり、直線経路２０４はＸスキャンプレート１３２と非常に近接している。このため、スキャンプレート２０２で偏向されず、従って直線経路２０４に沿って飛ぶＧＣＩＢのパルスは、Ｘスキャンプレート１３２間のＸスキャン電界の影響を受け、プレート２０２で偏向されなかったＧＣＩＢパルスがスキャンプレート１３２で少量のスキャンを受けることになる。この状況は、ファラデーエンクロージャ２２２にＸスキャンの方向へ伸ばした形状を選択し、多少Ｘスキャン軸方向に伸張してもすべてのＧＣＩＢパルスを集められるようにすることによって許容し得る。別法として、懸案される状況、つまり直線経路２０４がＸスキャンプレートの近くを通過するという状況は、一定のオフセット角２１０を増やすか、もしくはスキャンプレート１３２をビーム中心経路２０６の下流側へ移動させ、スキャンプレート２０２とスキャンプレート１３２の間隔を広げることによって回避できる。直線経路とＸスキャンプレート１３２が近接する問題にはさまざまな対処方法があるが、図７には別の方法でこの問題を回避する本発明の実施の形態が示されている。
【００４５】
図７に示されているＧＣＩＢ加工システム２５０は、ファラデーエンクロージャ２２２が初期ビーム軌道１５４の延長線である直線経路２０４ではなく、偏向経路２５２とＸスキャンプレート１３２を分離し、偏向経路２５２上を飛ぶビームパルスがＸスキャンプレート１３２のスキャン効果を避けるのに十分な、オフセット角２１０よりも大きな分離角２５４で中心経路２０６から偏向されている偏向パス２５２上に配設されていることを除き、図３に示されたＧＣＩＢ加工システム２００に類似している。このような偏向は、図８に示されるようにスキャン信号５００を利用することによって達成される。
【００４６】
図８では、ビーム切り替えパルスが０ではなく−ＶＤ２の値で切り替わることを除き、スキャン信号５００が最初の実施の形態のスキャン信号３１８と同一であることに注意を要す。−ＶＤ２という負の値により、切り替えられるビームパルスは直線経路２０４ではなく、偏向経路２５２上を飛ぶことになる。スキャン信号５００は、導線２１２に加えられる正のスキャン信号を表す。当然、これに対応するスキャン信号５００の負のスキャン信号も存在し、この信号は生成されてから導線２１４に発信される。スキャンジェネレータ３００は、ＤＡＣ３０６、増幅器３０８、３１０、３１２、及び３１４のすべてに両極を出力する機能があり、負の値のビーム切り替えパルス幅を有する、対応するデジタルシーケンスがデジタルシーケンスジェネレータ３０２で生成されるならば、信号５００とその反転信号を生成できる。
【００４７】
上述のさまざまな実施の形態で説明されているとおり、本発明によってガスクラスタイオンビームのクラスタ質量、クラスタサイズ、電荷あたりのクラスタサイズ、電荷あたりのクラスタ質量のすべて又はいずれかが判明すれば、従来の自動制御に接続された従来型の手動オペレータ制御もしくはフィードバック回路によってＧＣＩＢ装置に適切な調整（例えば、ガス供給源の流量、イオナイザフィラメント電圧ＶＦ、又は正極電圧ＶＡの調整）を施し、ワークピースを加工する際、好ましいクラスタイオンビームのクラスタ質量、クラスタサイズ、そして電荷あたりのクラスタサイズやクラスタ質量を維持して適切な品質或いは加工レートを確保し、ワークピースの加工を改良することができる。
【００４８】
また、別法として、ワークピースの加工中にガスクラスタイオンビームのクラスタ特性を明らかにし、適切且つ継続的なワークピース加工を保証することも可能である。クラスタ特性が求められる仕様から逸脱した場合、従来の制御及び警告回路で加工を停止させ、適切な加工状況に復帰させるべくオペレータの注意を喚起することによって、ワークピースの加工を改良することができる。
【００４９】
以上、種々の実施の形態に基づき本発明を説明してきたが、本発明がその精神と前記特許請求の範囲とから逸脱することなく広範な更に別の実施の形態も可能であることは理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ＧＣＩＢ供給源の典型的なクラスタサイズ分布を示すグラフである。
【図２】
従来技術のＧＣＩＢ加工システムの基本要素を示す回路図である。
【図３】
本発明の実施の形態を利用したＧＣＩＢ加工システムを示す回路図である。
【図４】
本発明に従ったビーム切り替えを提供する、垂直走査プレートのスキャンジェネレータの回路図である。
【図５】
本発明の飛行時間分析器システムの回路図である。
【図６】
本発明の飛行時間分析器のディスプレイに表示される飛行時間のスペクトル図である。
【図７】
本発明の別の実施の形態を利用したＧＣＩＢ加工システムの回路図である。
【図８】
偏向された飛行時間分析ビーム経路を有する、本発明のＧＣＩＢ加工システムの別の実施の形態の正のスキャン信号を示す図である。
【図１】
2004507037.tif 000036
【図２】
2004507037.tif 000037
【図４】
2004507037.tif 000038
【図５】
2004507037.tif 000039
【図６】
2004507037.tif 000040
【国際公開パンフレット】
2004507037.tif 000041
2004507037.tif 000042
2004507037.tif 000043
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2004507037.tif 000082
【国際調査報告】
2004507037.tif 000083