(57)【要約】【課題】イオン化室内でのクラスター崩壊を防ぎ、大電流化を可能にする。【解決手段】ガスを電離して電子を生成するＲＦプラズマ電子源５によって中性粒子のクラスターをイオン化してガスクラスターイオンビーム１８を発生させる。イオン化室３がクラスターを加速するための電位を保ち、イオン化室３の壁に設けられた穴３ａの一部（電子導入用開口）から、イオン化室３内のクラスターにＲＦプラズマ電子源５からの電子が照射され、クラスターをイオン化する。イオン化室３の壁に設けられた穴３ａのうちで、電子導入用開口として用いるもの以外は、イオン化室３内の拡散粒子を外部へ放出する拡散粒子放出用開口となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性粒子のガスクラスターをイオン化してガスクラスターイオンビームを発生するガスクラスターイオンビーム照射装置において、ガスを電離して電子を生成する電子源と、前記電子源から電子を導入するための電子導入用開口を持つイオン化室と、を有し、前記イオン化室が、ガスクラスターを加速するための電位を保ち、前記イオン化室の壁には、前記イオン化室内の拡散粒子を外部へ放出するための拡散粒子放出用開口が配設されていることを特徴とするガスクラスターイオンビーム照射装置。
【請求項２】
前記イオン化室の外側に電圧を制御自在である電極を設けたことを特徴とする請求項１または２記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスクラスターイオンビームにより加工や表面形成を行うためのガスクラスターイオンビーム照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、イオン源としてプラズマなどから荷電粒子を引き出し、電場により加減速、またレンズ作用による集束を行い、イオンビームとして被加工物に照射するイオンビーム加工は、エッチング、成膜、ドーピングなど様々な作用が可能である。また近年では、イオンビームでは達成できない１原子当たり１００ｅＶ以下のレベルのビームエネルギーを実現させるガスクラスターイオンビーム加工が注目されている。ガスクラスターイオンビームは、高圧の気体をノズルから真空下に断熱膨張させ、その際の過冷却によりクラスター化した粒子に電子を照射してイオン化させ、電場により加減速を行って得られるイオンビームの一種である。
【０００３】
ガスクラスターイオンビームを被加工物に照射することによってなしうる処理としては、原子あたりのエネルギーが小さいために起きる極浅ドーピング作用やアシスト成膜作用がある。また、クラスターが基板に衝突する際、クラスターが崩壊し基板に沿って飛んでいくガスクラスターイオンビーム特有の現象であるいわゆるラテラルスパッタによる超平滑化作用、高エッチングレート作用がある。それぞれの作用はクラスターが何個程度の原子集団からなっているかという指標であるクラスターサイズが基本であり、クラスターサイズと作用の関係、また、必要なクラスターサイズを得る装置構成などが研究されている。
【０００４】
図４は、特許文献１や特許文献２等に開示されたガスクラスターイオンビーム照射装置の代表的な構成を示すもので、真空チャンバー１００は、３つの連通チャンバーであるクラスター生成室１０１、ビーム制御室１０２および照射室１０３に分割されている。３つのチャンバーはそれぞれ真空ポンプ１０４、１０５、１０６で適切な真空度に減圧される。原料ガスとしては、Ａｒ、ＣＯ2 、Ｏ2 、Ｎ2 、ＮＯ、ＮＯ2 、ＮＨ3 、ＳＦ6 、ＣＦ4 などが用いられる。原料ガスは、ガス供給源から、レギュレータで圧力を管理し、例えばマスフローメータで流量を測定しながらガス供給管１０７を介して加圧下でよどみ室１０８へ供給され、コニカル型、ラヴァル型などの適切な形状のノズル１０９から真空内に噴出する。
【０００５】
噴出ガスは断熱膨張により同一方向に超音速で移動するガス原子、または分子の集団になる。それらは速度分布が小さくなるために温度が下がるので、一部がファンデルワールス力により数個〜数万個の原子、または分子からなるクラスターになる。スキマー１１０はノズル１０９と軸が一致するように、また、衝撃波が発生しないように配設され、同一方向へ移動するガス原子、または分子の集団ないしはクラスターをビーム制御室１０２に導く。スキマー１１０を通過したクラスターは、続いてイオン化室１１１に入る。
【０００６】
イオン化室１１１は加速電圧Ｖａｃｃが印加されており、例えば熱電子を発生するフィラメントなどの電子源１１２と、電子をひきつけるアノード電極１１３により構成されている。電子源１１２とアノード電極１１３はクラスタービームに対して対称な位置にあり、発生した電子がクラスタービームに効率よく衝突し、クラスターを構成する一部の原子または分子を正イオン化し、クラスターイオンビームを生成させる。引き出し電極１１４はイオン化室１１１の電圧Ｖａｃｃよりも低い電圧がかかっており、イオン化室電圧との差で生じた電界によりクラスターイオンビームを引き出す。引き出されたクラスターイオンビームは、複数の電圧の異なる環状の電極からなる電極群１１５により加速やビームプロファイル形状の補正をする。
【０００７】
クラスターイオンビームはモノマーイオンも含んでおり、モノマーイオンは基板に照射されるとダメージを与えるために例えば磁気を利用した質量分離器１１６などで軌道をずらし、基板に到達させない工夫をしている。電荷に対して質量の小さいものは軌道のずれが大きいために、アパーチャー１１７等で選別することで、基板に到達させるクラスターを適切なクラスターサイズのビームとすることができる。照射室１０３では、ニュートラライザ１１８によりクラスターイオンビームを中性化する。中性化することで、照射する基板１１９に電荷がたまることを防ぎ、ビームを安定して基板に照射することができるようになる。
【特許文献１】特開２００４−１４６０８５号公報
【特許文献２】特表２００３−５２０３９３号公報
【非特許文献１】I.Yamada et al, Material Science and Engineering, R34(2001) P.255
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ガスクラスターイオンビームは、前述のように、エッチング作用、平坦化作用、成膜作用等を持っているが、産業に応用するためには、それらの作用の高速化が求められている。
【０００９】
ガスクラスターイオンビーム作用の高速化には、ガスクラスターの発生、イオン化、輸送など多くの課題があるが、イオン化についての課題は以下の３点が挙げられる。
【００１０】
第１の課題は、イオン化率が小さいことである。電子が中性粒子にあたりイオン化する割合、いわゆる電離能率は電離断面積と中性粒子の密度の積で表わされる。電離断面積は、波動力学的方法などによって解析的に求めることが可能だが、それによると電子エネルギーに強く依存し、電子エネルギーが中性粒子のイオン化エネルギーの数倍のところで最大値を示し、それ以上では漸次減少する。しかし、最大値においても電離断面積は非常に小さいことが示されている。従って、電子エネルギーを適切な値（例えば、Ａｒの場合は、５０〜１５０ｅＶ程度）にして、照射電子量を増やすことが改善策である。
【００１１】
第２の課題は、イオン化によりクラスターが崩壊することである。断熱膨張で生成した中性粒子のクラスターの結合力は、微小なファンデルワールス力であり、非常に壊れやすい。従って、電子衝撃の際のイオン化エネルギー以上の余剰エネルギーが崩壊を引き起こしていると考えられる。崩壊するとサイズの小さいモノマーや数十個レベルのクラスターが形成されると考えられる。この場合、照射エネルギーが１原子当たり１ｋＶ以上になり、照射しても表層内部まで入り込み、表面に損傷を与える可能性がある。また、クラスターイオンが減少するため、本来得たい作用も減少する。そのため、崩壊を防ぐために電子衝撃のかわりに、エネルギーを制御した軟Ｘ線や紫外線を照射してイオン化する手法などが特許文献１で提案されているが、これらの手法では電子衝撃に比べてイオン化率を大きくするのが難しく、実用化は困難である。
【００１２】
第３の課題は、反応性ガスへの対応である。電子衝撃によるイオン化では、多くの場合フィラメントからの熱電子放出を電子源とするが、高温のフィラメントの耐食性が問題となる。ガスクラスターイオンビームのエッチング作用は、反応性ガスによりエッチング速度が非常に大きくなることが非特許文献１で示されており、大電流化と反応性ガスへの耐食性の双方を満たすことが工業的にも非常に有用である。
【００１３】
これらの要件を考慮して、ガスを電離してプラズマを生成し電子を引き出すプラズマ電子源でガスクラスターイオンビームを生成したところ、中性クラスターに対してある程度以上に電子照射量を増やしてもイオンビーム電流はほとんど増えず、さらにイオン化室とスキマーの間で放電を起こす現象が起きていた。
【００１４】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、クラスターの崩壊を防ぎ、イオン化室の放電を防止するとともに、大電流化が可能なガスクラスターイオンビーム照射装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明のガスクラスターイオンビーム照射装置は、中性粒子のガスクラスターをイオン化してガスクラスターイオンビームを発生するガスクラスターイオンビーム照射装置において、ガスを電離して電子を生成する電子源と、前記電子源から電子を導入するための電子導入用開口を持つイオン化室と、を有し、前記イオン化室が、ガスクラスターを加速するための電位を保ち、前記イオン化室の壁には、前記イオン化室内の拡散粒子を外部へ放出するための拡散粒子放出用開口が配設されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
ガスを電離して電子を引き出すプラズマ電子源は、イオン化室内に向け適切なエネルギーで中性粒子のクラスターに電子を照射しイオン化する。イオン化室は電位を有しており、より低い電位、例えばアース電位の基板に対して電界によりクラスターが加速されて基板（被処理材）に照射される。イオン化室には電子源から電子を導入する電子導入用開口に加えて拡散粒子放出用開口が設けられており、プラズマ電子源から流入した中性粒子等の拡散粒子をイオン化室内から流出させる。
【００１７】
また、イオン化室の外側に電圧を制御自在である電極を設けて、イオン化室よりも低い電位に調整することにより、イオン化室内に生成された正イオンを引き出し、捕捉することができる。
【００１８】
プラズマ電子源は、反応性ガスのクラスター化においても熱フィラメント等に比べてはるかに耐食性を有する。しかし、熱フィラメントによる熱電子の電子源や、紫外線、軟Ｘ線などによるイオン化と異なり、ガスを電離して電子を生成するプラズマ電子源は、電離しなかったガスの中性粒子もイオン化室に流入する。この中性粒子はクラスタービームと速度が全く異なっているため、イオン化室内でクラスタービームと衝突しクラスターが崩壊する。イオン化室内に中性粒子が拡散粒子としてとどまり、クラスターの崩壊などで温度、圧力の上昇があると、さらに衝突回数が増加し、加速度的にクラスターの崩壊が起きやすくなる。
【００１９】
そこで、イオン化室の壁に拡散粒子放出用開口を設けることで、中性粒子の排出を促進し、衝突によるクラスターの崩壊を防ぐ。拡散粒子放出用開口を径方向に開けることにより、ビームに垂直な方向に中性粒子を拡散させ、ビームを導入する開口端での流出量を減らせるので、クラスタービームとの干渉によるクラスターの崩壊をより一層低減できる。また、電荷交換などによる放電を防ぐことができる。
【００２０】
加えて、イオン化室の外側に電極を設けて、イオン化室よりも低い電位に設定することで、イオン化室内に拡散する正イオンを引き出すことができる。あまり電位差を大きくすると、基板に照射するガスクラスターイオンもこの電極に流れるが、電極とイオン化室距離、開口部の寸法より、電位差を適切に調節して、イオン化室内外周部に電位勾配を持たせることが設計的に可能である。
【００２１】
照射方向の電流は減らさずに、イオン化室内の正イオン密度を減少させることで、イオン化室内のスキマー方向へ引き出される正イオンと、流入してくる中性クラスタービームとの干渉が減る。その結果、スキマーとイオン化室間での放電が起きにくくなり、電子源からのクラスターへの電子の照射を増やしてイオンビーム電流を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は実施例１によるガスクラスターイオンビーム照射装置の構成を示す図である。不図示のノズルに６ａｔｍのＡｒガスを供給し、断熱膨張して形成されたガスクラスターがスキマー１を通って入射し、ガスクラスタービーム２となってＳＵＳでできたイオン化室３に流入する。イオン化室３は、図２に示すような筒状あるいは箱状の形状をしており、壁には全周に渡って、網目状の穴３ａがあいている。また、イオン化室３には加速電圧２０ｋＶが直流電源４により印加されている。
【００２４】
イオン化室３に隣接してＲＦプラズマ電子源５が配設されている。ＲＦプラズマ電子源５はアルミナ等の絶縁材料からなる中空の碍子６、金メッキしたＣｕのコイル７、Ｔａからなるコレクタ電極８、プラズマ化するガスであるＡｒの導入管９、電子を引き出すグリッド電極１０を有する。
【００２５】
導入管９から中空の碍子６内にＡｒガスを２ｓｃｃｍ導入し、コイル７に１３.５６ＭＨｚの高周波をマッチングトランスを含む交流電源１１にて通電すると碍子６内のＡｒが電離してプラズマ１２が発生する。コレクタ用の直流電源１３により、コレクタ電極８に負のバイアス電圧５０〜１５０Ｖを印加すると、グリッド電極１０に向かってプラズマの電子が移動し、グリッドから電子１４が引き出され、グリッドに対向する網目状の穴３ａ（電子導入用開口）からイオン化室３に入る。また同時に、プラズマ化しなかったり、壁面や電子と電荷交換して中性化したＡｒ原子１５もイオン化室３に入る。
【００２６】
まず、電子１４の挙動について説明する。電子１４は衝突断面積に従い一部が中性のガスクラスタービーム２を形成する１つのクラスターに衝突する。そのクラスターは１原子が電子を失い正イオン原子一つを含むクラスターとなる。また、エネルギーが過剰に与えられた場合、クラスターは分解し主にＡｒモノマーイオン１６になる。その現象が各所で起こり、中性のガスクラスタービーム２は、イオンを含むビームになる。
【００２７】
このようにしてガスクラスタービーム２はイオン化され、イオン化室３よりも相対的に２０ｋＶ低いアース電位の引き出し電極１７により引き出される。中性粒子は加速されないため、イオンのみからなるガスクラスターイオンビーム１８が被処理材である基板側へと流れていく。
【００２８】
コレクタ電極８にバイアス電圧を１００Ｖかけ、コレクタ電極８とグリッド電極１０間に３００ｍＡの電流が流れた状態で、クラスターイオンビーム電流を不図示のファラデーカップで測定したところ、１２０μＡであった。また、衝突後の電子、衝突によって生じた電子、衝突しなかった電子はそれぞれ拡散粒子としてイオン化室３の壁面に衝突したり、拡散粒子放出用開口を構成する網目状の穴３ａから外部に出て装置内の部材に衝突しアースに落ちる。
【００２９】
次に、拡散粒子であるＡｒ原子１５の挙動について説明する。Ａｒ原子１５も電子１４と同様に衝突断面積に従い中性のガスクラスタービーム２と衝突する。Ａｒ原子１５は、電子１４よりもはるかに質量が大きいため、ガスクラスタービーム２と衝突するとクラスターの結合力であるファンデルワールス力が小さいため、分解する場合がある。これらを含めＡｒ原子１５は、引き出された電子１４に衝突してＡｒモノマーイオン１６になるか、もしくはそのままスキマー側の導入口１９やイオン化室３の壁面の拡散粒子放出用開口を構成する穴３ａから流出する。本実施例では、壁面の穴３ａの総面積が導入口１９の５０倍を超えているために、ほとんどのＡｒ原子１５がイオン化室３の壁面から放出され、ＲＦプラズマ電子源５からの導入ガスによるイオン化室３の真空度の劣化はほとんどない。
【００３０】
この構成の性能を評価するためにイオンビーム電流を最大にするように調整し測定した。その際、電子照射量と比例する指標であるコレクタとグリッド間の電流を５８０ｍＡにすると、最大イオンビーム電流値１６０μＡが得られた。コレクタ電圧を上げても、コレクタ／グリッド間の電流はそれ以上は上がらず、イオン化室とスキマーとの間で放電が起き、イオンビーム電流が大幅に低下してしまう。
【実施例２】
【００３１】
図３は実施例２によるガスクラスターイオンビーム照射装置を示す。図３の（ａ）に示すように、本実施例は、実施例１の構成に対して、イオン化室３の外側に電圧を制御自在であるトラップ電極２０を付加したものである。
【００３２】
図３の（ｂ）に示すように、イオン化室３の外側に配設されたトラップ電極２０は、イオン化室３の壁を覆うことが望ましい。トラップ電極２０は、電子衝突やクラスター崩壊などでできたＡｒモノマーイオン１６がスキマー側に引き出されて放電が起きることを防ぐためのものである。
【００３３】
トラップ電極２０を網目状のＳＵＳでイオン化室３の壁より２０ｍｍ離れた場所に配設し、イオン化室３に対して相対的に１０ｋＶ低い１０ｋＶの電圧を印加した。イオンビーム電流を最大にする条件を調整したところ、コレクタ／グリッド間の電流を６８０ｍＡにした時、最大電流２００μＡが得られた。実施例１と比較してやや改善しているのは、Ａｒイオンが影響しており、トラップ電極２０によりＡｒモノマーイオン１６がスキマー側への漏れ出るのを防げたものと考えられる。
【００３４】
（比較例）
比較例として、図１と同様の構成において、壁面に拡散粒子放出用開口を持たないイオン化室を設置し、同様のＲＦ電子源条件でイオンビーム電流を最大にするように調整した。コレクタ／グリッド間の電流を４８０ｍＡにした時、最大イオンビーム電流１４０μＡが得られたが、それ以上コレクタ電圧を上げると、イオン化室とスキマー間で放電が起きた。
【００３５】
また、イオンの質量を測定する手段であるＴＯＦ（Time Of Flight）法によって、クラスターサイズの分布を調べた。コレクタ／グリッド間の電流が３００ｍＡの時、モノマーの量が実施例１に比べて３倍程度に増加しており、実質的にクラスターは電流値の低下割合以上に減少していると考えられる。
【００３６】
このように、ガスクラスターイオンビーム照射装置において、イオン化室にビーム通過部や電子導入用開口以外に径方向の拡散粒子放出用開口を設けて、さらに、イオン化室の外部にトラップ電極を設けることで、モノマーイオンやガス分子、ガス原子等の拡散粒子をイオン化室から効率的に放出することができる。
【００３７】
イオン化室内部での拡散粒子とクラスターとの衝突を防ぎ、クラスター崩壊を防止すると同時に、モノマーイオンがスキマー側に引き出されることによる放電を防ぐことで、大幅な大電流化が可能となる。
【００３８】
なお、電子源としてＲＦプラズマ電子源を使用する代わりに、一般のホローカソードタイプの電子源を用いても、上記と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１によるガスクラスターイオンビーム照射装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１の装置のイオン化室のみを示す斜視図である。
【図３】実施例２によるガスクラスターイオンビーム照射装置を示すもので、（ａ）はその構成を示す模式図、（ｂ）はトラップ電極の配置を示す立面図である。
【図４】従来例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    スキマー
３    イオン化室
３ａ    穴
４    直流電源
５    ＲＦプラズマ電子源
６    碍子
７    コイル
８    コレクタ電極
１０    グリッド電極
１３    直流電源
１７    引き出し電極
２０    トラップ電極
【図１】
2007164987.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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