(57)【要約】基板表面を浅くエッチングする方法は、加速中性ビームを用いて、非改質基板を覆う浅い改質基板層を形成し、改質層をエッチングし、下方の非改質基板で停止し、制御下で浅くエッチングされた基板表面を生成する。【選択図】図２９Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面を制御下で浅くエッチングする方法であって、
減圧チャンバを提供するステップと、
前記減圧チャンバ内にガスクラスタイオンを含むガスクラスタイオンビームを形成するステップと、
前記ガスクラスタイオンを加速して、前記減圧チャンバ内のビーム経路に沿って加速ガスクラスタイオンビームを形成するステップと、
前記ビーム経路に沿って前記加速されたガスクラスタイオンの少なくとも一部の断片化および／または解離を促進するステップと、
荷電粒子を前記ビーム経路から除去して、加速中性ビームを前記ビーム経路に沿って前記減圧チャンバ内に形成するステップと、
前記基板を前記ビーム経路内に保持するステップと、
前記加速中性ビームを照射することによって前記基板の表面の一部を処理して、前記表面の照射された部分に下方の非改質基板を覆う浅い改質層を形成するステップと、
前記浅い改質層を有する前記表面をエッチングして、前記表面上の前記浅い改質層の材料を優先的に除去するステップであって、前記エッチングが下方の前記非改質基板で停止する、ステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記除去するステップが、実質的に全ての荷電粒子を前記ビーム経路から除去する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記除去するステップが、完全に解離した加速中性ビームを形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記処理するステップがパターン化テンプレートの開口部を介して前記基板を照射するステップを含み、前記浅い改質層がパターン化され、さらに、前記エッチングするステップが前記基板上にエッチングされたパターンを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記パターン化テンプレートが、前記基板表面と接触するハードマスクまたはフォトレジストマスクである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記促進するステップが、前記加速ガスクラスタイオンビーム中のイオンの速度範囲を増大させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記促進するステップが、前記ガスクラスタイオンビームを前記減圧チャンバ内に形成して前記ビーム経路に沿って圧力を増加させるために用いられる１つ以上のガス状元素を導入するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エッチングするステップが、前記浅い改質層および前記非改質基板についてエッチング速度が異なる適切な化学エッチング液を用いて行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記化学エッチング液がフッ化水素酸を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記処理するステップが、前記基板を走査して、前記加速中性ビームによって前記表面の拡張部分を処理するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板表面が、金属、半導体または誘電材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記浅い改質層が、６ナノメートル以下の深さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記浅い改質層が、約１ナノメートル〜約３ナノメートルの厚さを有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ガスクラスタイオンが、アルゴンまたは別の不活性ガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ガスクラスタイオンが酸素をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記照射するステップに先立って、前記基板の一部分上に酸素含有層を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記酸素含有層が５単層未満の厚さである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記加速するステップが、５〜５０ｋＶの電位を介して前記ガスクラスタイオンを加速する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記浅い改質層が非晶質化層または酸化層である、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
深さが６ナノメートル以下のパターン化されかつエッチングされた特徴部を含む、エッチングされた半導体または金属または誘電体の基板の表面。
【請求項２１】
前記特徴部が３ナノメートル以下の深さを有する、請求項２０に記載の物品。
【請求項２２】
前記特徴部が１０オングストローム（１ナノメートル）未満の平均粗さＲａを有する、請求項２０に記載の物品。
【請求項２３】
前記パターン化されかつエッチングされた特徴部が、ガスクラスタイオンビームから形成された、加速集束された中性ビームを用いて、前記基板よりも高いエッチング速度を有するようにされた、請求項２０に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、低エネルギー中性ビーム処理の方法および装置に関し、具体的には、加速ガスクラスタイオンビームから加速された中性モノマーおよび／または中性ガスクラスタビームを得るための高純度ビームによる方法およびシステムに関する。本発明はまた、制御下で極めて浅くエッチングするための新規のまたは改善された方法、および該方法によって製造される素子を含む。
【背景技術】
【０００２】
過去１０年間に、ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）はよく知られており、様々な表面およびサブサーフェースの処理用途に広く用いられている。ガスクラスタイオンは、一般的には質量が大きいため、かなりのエネルギーまで加速されたとしても、（従来のイオンと比較して）比較的低速度で移動する傾向がある。これらの低速は、クラスタの本質的に弱い結合と相まって、固有の表面処理能力をもたらし、従来のイオンビームおよび拡散プラズマと比較して、表面侵入が低減され、表面損傷が減少する。
【０００３】
ガスクラスタイオンビームは、例えば金属、半導体、および誘電材料を含む広範囲の表面を平滑にし、エッチングし、洗浄し、堆積し、膜を成長させ、または他の方法で改質するために利用されてきた。半導体および半導体関連材料を含む用途では、酸化物および他のものを含む膜を洗浄し、平滑にし、エッチングし、堆積し、および／または成長させるためにＧＣＩＢが利用されてきた。ＧＣＩＢはまた、ドーピング原子種および格子歪み原子種、非晶質化表面層のための材料を導入するため、および半導体材料におけるドーパント溶解度を改善するために用いることができる。多くの場合、このようなＧＣＩＢの用途は、従来のイオン、イオンビーム、およびプラズマを利用する他の技術より優れた結果を提供することができた。半導体材料は、ドーパント材料の導入によって操作される電気的特性を有してもよい様々な材料を含み、（これらに限定されることなく）シリコン、ゲルマニウム、ダイヤモンド、炭化ケイ素、さらには、ＩＩＩ−Ｖ族の元素およびＩＩ−ＶＩ族の元素を含む複合材料を含む。アルゴン（Ａｒ）をソースガスとして用いるＧＣＩＢの形成が容易であるため、およびアルゴンの不活性特性のために、冠動脈ステント、整形外科用プロテーゼ、およびアルゴンガスＧＣＩＢを用いた他の埋込型医療用デバイスなどの埋込型医療用デバイスの表面を処理する多くの用途が開発されている。半導体用途では、反応性エッチング、物理的エッチング、膜堆積、膜成長および他の有用な処理のために、様々なソースガスおよびソースガス混合物が電気ドーパントおよび格子歪み種を含むＧＣＩＢを形成するために利用されてきた。ＧＣＩＢ処理を様々な表面形に導入するための様々な実用的なシステムが知られている。例えば、Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋらに対して発行された米国特許第６，６７６，９８９号明細書は、血管ステントなどの管状または円筒状被加工物の処理に適した被加工物ホルダおよびマニピュレータを有するＧＣＩＢ処理システムを教示している。別の例では、Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋらに対して発行された米国特許第６，４９１，８００号明細書は、例えば股関節プロテーゼを含む他の型の非平面医療用デバイスを処理するための被加工物ホルダおよびマニピュレータを有するＧＣＩＢ処理システムを教示している。さらなる例として、Ｌｉｂｂｙらに対して発行された米国特許第６，４８６，４７８号明細書は、半導体ウエハの処理に適した自動基板装填／取出システムを教示している。Ｈａｕｔａｌａに対して発行された米国特許第７，１１５，５１１号明細書は、走査されていないＧＣＩＢに関連した被加工物を走査するための機械的スキャナの使用を教示している。さらに別の例では、Ｂｌｉｎｎらに対して発行された米国特許第７，１０５，１９９号明細書は、医療用デバイス上の薬剤コーティングの付着性を改善し、かつ、医療用デバイスからの薬剤の溶出または放出速度を変更するためのＧＣＩＢ処理の使用を教示している。
【０００４】
ＧＣＩＢは、ダイヤモンドおよび他の宝石用原石などの結晶および非結晶形態の材料のエッチングおよび平滑化に利用されてきた。これは、宝石用原石がＧＣＩＢ処理の結果として望ましくない色の変化を被ることが時々あるという点で、完全には成功していない。宝石用原石材料に対する表面またはサブサーフェースの損傷の何らかの形によるものであるかどうか、またはＧＣＩＢ処理によって生じたエッチングされたおよび／または平滑化された表面層と下層の材料の非改質バルクとの間の粗面化された界面の形成に起因するかどうか、または、場合によってはクラスタイオンによって誘起される表面の荷電による損傷に起因するかどうかは明らかではない。ＧＣＩＢ処理の負の副作用の原因が何であれ、宝石の外観および美的訴求力について望ましくない劣化を招かない、天然および合成の宝石用原石材料のエッチングおよび／または平滑化のための処理技術が望ましい。ＧＣＩＢ処理は、光学材料の表面を平滑化および／または平坦化するための可能な技術として示されており、光学材料には、例えばレンズ、反射光学面、光学窓、ディスプレイおよびタッチスクリーンパネル用の光学パネル、プリズム装置、フォトマスク用などの透明基板、光導波路、電気光学素子およびその他の光学素子などが含まれる。光学素子の材料には、様々なガラス、石英、サファイア、ダイヤモンド、および他の硬質透過性材料が含まれる。機械的、化学的で機械的な、および他の技術を含む従来の研磨および平坦化は、最も要求の厳しい用途に適した表面を生成しなかった。ＧＣＩＢ処理は、多くの場合、従来の研磨技術では得られない程度までの光学面の平滑化および／または平坦化が可能であることが示されているが、平滑化表面と下層のバルク材料との間に粗い界面をもたらさない代替技術は、光学材料に埋め込まれた散乱層の生成を回避するために必要とされる。
【０００５】
ＧＣＩＢ処理は多くの用途で良好に利用されてきたが、ＧＣＩＢまたは他の最先端の方法および装置では完全に満たされない新規のまたは既存の用途が必要とされている。多くの状況では、ＧＣＩＢが最初のやや粗い表面を原子スケールで著しく平滑化することができる一方で、達成することができる最終的な平滑化では、必要な平滑度よりも低いことが多く、他の状況では、ＧＣＩＢ処理は、中程度に平滑な表面をさらに平滑化するよりもむしろ粗面化する可能性がある。
【０００６】
本発明の実施形態によって認識され解決される他の必要性／機会もある。薬剤溶出性医療インプラントの分野において、ＧＣＩＢ処理は、医療用インプラント上の薬剤コーティングの表面を処理して、コーティングを基板に結合させるか、または患者への埋込後に薬剤がコーティングから溶出する速度を変更することに成功している。しかし、ＧＣＩＢが（非常に薄い場合が多く、非常に高価な薬剤を含むことがある）薬剤コーティングを処理するために用いられたいくつかの場合では、ＧＣＩＢ処理の結果として（薬剤損失または除去を示す）薬剤コーティングの重量損失が生じることがある。このような損失が生じる特定の場合（特定の薬剤および特定の処理パラメータの使用）については、その損失の発生は一般的に望ましくなく、薬剤溶出速度を十分に制御しながら重量損失を回避することができる処理を行うことが好ましい。
【０００７】
半導体用途では、多くの表面処理の改善において様々な成功の度合いのＧＣＩＢが利用されてきたが、改善の機会がある。従来のＧＣＩＢ処理では、多くの場合、以前の先行技術と比較して大幅に改善されているが、処理結果は依然として、最も要求の厳しい用途で必要とされる品質のものではない。例えば平滑化処理では、多くの材料について、ＧＣＩＢ処理を用いて実際に得ることができる最終的な平滑度は、必ずしも要求を満たすとは限らない。ドーピング、格子歪み、および膜堆積、膜成長、および非晶質化などの他の用途のために他の材料が（ＧＣＩＢ注入と呼ばれることもある）半導体材料に導入される場合がある用途では、注入され、成長し、非晶質化され、堆積された材料間の界面は、ＧＣＩＢ改質層の最適性能を損なう照射された層と下層の基板との間の界面において粗さまたは不均一性を有することが多い。
【０００８】
イオンは、その電荷が静電場および磁場による操作を容易にするので、長い間多くの処理で好まれてきた。これにより、処理が非常に柔軟になる。しかし、いくつかの用途では、（ＧＣＩＢ中のガスクラスタイオンを含む）任意のイオンに固有の電荷が、処理表面に望ましくない影響を与えることがある。ＧＣＩＢは、単一または少数の多重電荷を含むガスクラスタイオンが、従来のイオン（単一原子、分子または分子断片）と比較して、はるかに大きな質量流の輸送および制御を可能にするという点で、従来のイオンビームよりも明確な利点を有する（クラスタは数百または数千の分子から成ることがある）。特に絶縁材料の場合、イオンを用いて処理された表面は、蓄積電荷の急激な放電による電荷誘発損傷、または（同様に蓄積電荷による）材料中の電場誘発応力の発生による損傷を受けることが多い。多くのこのような場合、ＧＣＩＢは質量あたりの電荷が比較的低いために有益であるが、場合によってはターゲット荷電の問題を解消できないことがある。さらに、中〜高電流強度のイオンビームは、長距離にわたって良好に集束されたビームの輸送を阻害する傾向がある、ビームの著しい空間電荷が誘発する焦点ぼけを被る可能性がある。この場合もやはり、従来のイオンビームに対して質量あたりの電荷が低いために、ＧＣＩＢは利点を有するが、空間電荷輸送の問題を完全に排除するものではない。
【０００９】
必要性または機会のさらなる例は、中性分子または中性原子のビームの使用がいくつかの表面処理用途および空間電荷がないビーム輸送において利益をもたらすが、ノズルジェットの場合を除いて、中性分子または中性原子の強いビームを生成することは一般的に容易ではなく経済的ではなかったという事実に起因しており、このノズルジェットの場合、エネルギーは、一般に原子当たりまたは分子当たり数ミリ電子ボルト程度であり、したがって処理能力が限られている。
【００１０】
Ｈｕｇｈｅｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの米国特許第４，９３５，６２３号明細書では、Ｋｎａｕｅｒは、エネルギー（１〜１０ｅＶ）荷電原子および／または中性原子のビームを形成する方法を教示している。Ｋｎａｕｅｒは、従来のＧＣＩＢを形成してクラスタイオンを解離させるシリコンプレートなどの固体表面に対してかすめ角で配向し、原子および従来のイオンの前方散乱ビームを発生させる。これにより、中性原子およびイオンの強力であるが集束していないビームが生じ、この中性原子およびイオンは、処理に用いてもよく、またはイオンの静電分離後に中性原子ビームとして処理するために用いてもよい。固体表面からＧＣＩＢを散乱させて解離を生じさせるように要求することにより、重要な課題がＫｎａｕｅｒの技術によって浮上する。広範囲のビームエネルギーにわたって、ＧＣＩＢは、衝突する表面に強力なスパッタリングを生成する。たとえＫｎａｕｅｒが利用するかすめ角においても、ＧＣＩＢは固体について多量のスパッタリングを生成し、したがって前方散乱中性ビームは、スパッタされたイオンおよび中性原子および散乱／解離に用いられる固体表面中に生じる他の粒子によって汚染されることが明らかに示されている（例えば、Ａｏｋｉ、ＴおよびＭａｔｓｕｏ、Ｊによる、「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｗｉｔｈ  ｇｌａｎｃｉｎｇ−ａｎｇｌｅ  ｇａｓ  ｃｌｕｓｔｅｒ  ｉｏｎ  ｂｅａｍｓ」、Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．  ＆  Ｍｅｔｈ．ｉｎ  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ、Ｂ２５７巻、（２００７年）、ｐｐ．６４５−６４８を参照）。医療用デバイス処理用途および半導体処理用途を含む多数の用途において、前方散乱ビームを汚染するこのようなスパッタ材料の存在は、前方散乱ビームを使用に適さないものにする。
【００１１】
Ｓｗｅｎｓｏｎらによる米国特許第７，０６０，９８９号明細書は、ＧＣＩＢ内のガスクラスタイオンエネルギー分布を修正するためにビーム発生圧力よりも高いガス圧を有するガス圧セルの使用を教示している。この技術は、ＧＣＩＢ中のガスクラスタイオンのエネルギーを低下させ、このような改質されたＧＣＩＢの表面処理特性のいくつかを改質する。ＧＣＩＢガスクラスタイオンエネルギー分布のこのようなガス改質は有用であるが、例えばＧＣＩＢ処理中の薬剤コーティングの重量損失のように、ＧＣＩＢ中のイオンによって被加工物中に蓄積した電荷によって生じる問題は減少せず、一定の処理問題を解決しない。Ｓｗｅｎｓｏｎらの技術は、ＧＣＩＢの最終的な表面平滑化特性を改善することができるが、その結果はまだ理想的ではない。
【００１２】
ガスクラスタおよびガスクラスタイオンサイズは一般的に、（ガスが原子または分子であるかどうか、および、イオン、モノマー、ダイマー、トリマー、リガンドなどの変異型を含むかどうかに応じて）個々のクラスタを含む原子または分子の数Ｎで特徴付けられる。従来のＧＣＩＢ処理によってもたらされた利点の多くは、ＧＣＩＢ中の低速度のイオン、および固体表面との衝突時に大きな緩く結合したクラスタが崩壊し、過渡的な加熱および圧力を引き起こすが、表面下の基板への過度の侵入、埋込、または損傷がないことに由来するものと考えられている。（以下に定義するような数千またはそれ以上のオーダーのＮモノマーを有する）このような大きなクラスタの作用は、一般に数十オングストロームに制限される。しかし、（数百から数千のオーダーのＮを有する）より小さいクラスタは、衝突面により多くの損傷を生じさせ、表面に別個の衝突クレータを生成することができることが示されている（例えば、Ｈｏｕｚｕｍｉ，Ｈ．らによる、「Ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｇｒａｐｈｉｔｅ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ｓｉｚｅ−ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ａｒ  ｃｌｕｓｔｅｒ  ｉｏｎ  ｂｅａｍｓ」、Ｊｐｎ  Ｊ  Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ．、第４４巻（８）、（２００５年）、ｐ．６２５２以下のページを参照）。このクレータ形成作用は、より大きなクラスタの表面平滑化作用との望ましくない競合において、表面を粗くして材料を表面から除去（エッチング）することができる。ＧＣＩＢが有用であると見出されている多くの他の表面処理用途では、大きなガスクラスタイオンおよびより小さなガスクラスタイオンの作用が、逆効果に競合して処理能力を低下させる可能性があると考えられている。残念ながら、ＧＣＩＢを形成するために容易に適用される技術は全て、約１００から数万に及ぶサイズＮを有するクラスタサイズが広く分布するビームの生成をもたらす。多くの場合、サイズ分布の平均および／またはピークは数百から数千の範囲にあり、分布テールは極端な分布サイズでゼロまで緩やかに減少する。分布に関連するクラスタイオンサイズ分布および平均クラスタサイズＮＭｅａｎは利用されるソースガスに依存し、全て従来のＧＣＩＢ形成技術による、クラスタジェットを形成するために用いられるノズルのパラメータの選択、ノズルを介した圧力の低下およびノズル温度の影響を著しく受ける。ほとんどの市販ＧＣＩＢ処理具は、磁気型セパレータまたは時折静電型セパレータを常に利用して、最も損傷される最小イオンおよびクラスタ（Ｎ＝１０付近まで、またはそれ以上のモノマー、ダイマー、トリマーなど）を除去する。このようなフィルタは「モノマーフィルタ」と呼ばれることも多いが、モノマーと同様に多少大きなイオンも一般的に除去する。（例えば、Ｋｎａｕｅｒによる米国特許第４，９３５，６２３号明細書に使用されるような）特定の静電クラスタイオンサイズセレクタは、導電体のグリッドをビーム内に配置する必要があり、ビームによるグリッドの潜在的な侵食のために非常に不利となり、ビームの汚染を招く一方で、信頼性を低下させ、装置の追加のメンテナンスを必要とすることに���る。その理由から、モノマーおよび低質量フィルタは、現在、一般的には磁気型である（例えば、Ｔｏｒｔｉらの米国特許第６，６３５，８８３号明細書およびＬｉｂｂｙらの米国特許第６，４８６，４７８号明細書を参照）。磁気フィルタによって有効に除去される（モノマー、ダイマーなどの）最小イオンを除いて、ほとんどのＧＣＩＢは約Ｎ＝１００を下回るサイズのガスクラスタイオンをほとんどまたは全く含まないと考えられている。このようなサイズが容易に形成されないか、または形成後に安定でない場合がある。しかし、約Ｎ＝１００から数百の範囲のクラスタは、最も大量生産されているＧＣＩＢ処理具のビームに存在すると考えられている。従来の技術を使用する場合、数百から数千の範囲のＮＭｅａｎの値が一般的によく見られる。所与の加速電位の場合、中間サイズのクラスタは大きいクラスタよりもはるかに速く移動するので、クレータ、粗い界面、および他の望ましくない作用を生成する可能性が高く、ＧＣＩＢに存在する場合、理想的な処理よりも恐らく寄与しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、被加工物処理のための高純度中性ガスクラスタビームを形成する装置および方法を提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、中間サイズのクラスタを実質的に含まない高純度ガスクラスタビームを提供する装置および方法を提供することである。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、約１ｅＶから数千ｅＶの範囲のエネルギーを有する中性原子または中性分子の高純度集束強力ビームを形成する装置および方法を提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、従来のＧＣＩＢと比較して改善された表面平滑化を可能にするビームを形成する装置および方法を提供することである。
【００１７】
本発明の目的は、ドープ膜および／または歪み膜を形成するか、および／または半導体または他の材料の表面に異種原子種を導入する装置および方法を提供することであり、処理された表面は下層の基板材料との界面を有し、この界面は、従来のＧＣＩＢ処理を用いて形成された界面よりも優れている。
【００１８】
本発明の別の目的は、中性ビームを用いて半導体または他の材料の表面に非晶質領域を形成する装置および方法を提供することであり、下層の基板材料との界面は、従来のＧＣＩＢ処理を用いて形成された界面よりも優れている。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、従来のＧＣＩＢ処理と比較して最終的に平滑性が優れた表面をエッチングする装置および方法を提供することである。
【００２０】
本発明のさらなる目的は、従来のＧＣＩＢ処理と比較して最終的に平滑性が優れた光学面をエッチングする装置および方法を提供することである。
【００２１】
本発明の別の目的は、従来の方法で得られた光学面よりも優れた付着性を有する光学コーティングを光学面に付着させる装置および方法を提供することである。
【００２２】
本発明の別の目的は、光学素子の表面を改質して、大気暴露による劣化に対する感受性を低減し、これによって改善された光学素子を提供する方法を提供することである。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、吸湿性材料の表面上にバリアを形成して、湿気の吸収に対する材料の感受性を低減し、これによって改善された材料を提供する方法を提供することである。
【００２４】
本発明のさらに別の目的は、従来のＧＣＩＢ処理を用いて形成された界面よりも優れた、下層の基板材料との界面を有する半導体および／または他の材料の表面上に膜を形成し、および／または成長させる装置および方法を提供することである。
【００２５】
本発明の追加の目的は、ビーム輸送電荷によって損傷が誘発されることなく、このような材料を処理するためのガスクラスタおよび／またはモノマーの中性ビームで電気絶縁材料を処理する装置および方法を提供することである。
【００２６】
本発明のさらなる目的は、光学素子の表面の中性ビーム照射によって光学素子または宝石の特性を改善する方法を提供することである。
【００２７】
本発明の別の目的は、中性ビーム技術によって特性が改善された光学素子または宝石を提供することである。
【００２８】
本発明のさらなる目的は、シリコン基板上にＳｉＣまたはＳｉＣｘ層を形成する方法を提供することである。
【００２９】
本発明のさらなる目的は、中性ビーム技術処理によってハードマスクを形成し、これによって、レジストレスリソグラフィ処理を行う方法を提供すること、およびこの方法により製造されたデバイスを提供することである。
【００３０】
本発明の他の目的は、制御されたエッチング深さが６ｎｍ以下の材料を制御下で極めて浅くエッチングする方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明の上述した目的、さらにはその他の目的および利点は、以下に記載する本発明の様々な実施形態によって達成される。
【００３２】
加速中性ビームを生成しかつ利用して、様々な材料（例えば、集積回路または微小機械素子の微細加工において利用してもよい半導体材料および誘電材料などの金属および様々な材料を含む）の表面を処理し、非常に浅い１〜１０ｎｍまたはそれ以下の非晶質層および／または酸化層をこのような材料の表面付近に形成する。これらの処理層は、普通なら容易にまたは制御可能に化学的にエッチングされない材料の化学エッチングを容易にするように改質される。このようにして、元の非改質材料を用いて処理用エッチング停止層として作用するように化学エッチングを行うことができ、加速中性ビームの処理深さによってエッチング深さを制御することができる。これは、多くの材料において所望の化学エッチング結果を得ることを妨げることが多い、過度なエッチングおよびアンダーカットしおよび他の方向性エッチングの問題を回避する。加速された中性ビームの侵入深さは、処理中の線量およびエネルギーを制御することによって１ｎｍ未満から１０ｎｍまでの予め選択された深さに制御することができるので、非常に浅いエッチング深さの範囲を確実に得ることができる。この処理は、加速中性ビームパラメータを選択して、選択された材料について所定の深さの表面改質部分を非晶質化させ、および／または酸化させること、（随意にはパターニングを制御するマスクまたはパターン化テンプレートを介して）材料の表面を照射して浅い改質層を形成すること、材料の表面を改質材料と非改質材料とのエッチング速度差が高いエッチング液を用いて化学的にエッチングすること、および、非改質材料を処理用エッチング停止層として用いることから構成される。したがって、様々な材料について非常に浅く、反復可能で制御可能なエッチングが可能になる。これらの加速中性ビームは、従来の加速ＧＣＩＢを最初に形成し、次いで、不純物をビームに導入しない方法および動作条件によって部分的または本質的に完全に解離させ、次いで、ビームの残りの荷電部分を中性部分から分離することで生成され、続いて、得られた加速中性ビームを被加工物処理に用いる。ガスクラスタイオンの解離の程度に依存して、生成される中性ビームは、中性ガスモノマーとガスクラスタの混合物であってもよく、または全体的にまたはほぼ全体的に中性ガスモノマーから成っていてもよい。加速中性ビームは、殆ど完全に解離した中性モノマービームであることが好ましい。
【００３３】
本発明の実施形態の方法および装置によって生成することができる中性ビームの利点は、ＧＣＩＢを含む全てのイオン化ビームに一般的に起こるように、ビーム輸送電荷によってこのような材料の表面が荷電することによって材料に損傷を与えることなく電気絶縁材料を処理するために用いてもよいことである。例えば、半導体および他の電子用途では、イオンは、酸化物、窒化物などの誘電体薄膜を損傷するかまたは破壊するような荷電の一因となることが多い。中性ビームの使用により、イオンビームが表面荷電または他の荷電の作用による許容できない副作用を起こすことがある他の用途において、ポリマー、誘電体、および／または他の電気絶縁性または高抵抗率の材料、コーティングおよび膜を良好に処理することを可能にする。例としては、（これらに限定されることなく）腐食防止コーティングの処理、および有機膜の照射架橋および／または重合が挙げられる。他の例では、中性ビームが誘発するポリマーまたは他の誘電材料の改質（例えば、滅菌、平滑化、表面生体適合性の改善、および、薬剤の沈着および／または薬剤の溶出速度の制御の改善）は、このような材料を埋込用医療用デバイスおよび／または他の医療／外科手術用途に用いることができる。さらなる例には、ガラス、ポリマー、およびセラミック生体培養実験機器および／または環境サンプリング表面の中性ビーム処理が含まれ、この中性ビーム処理では、このようなビームを用いて、例えば粗度、平滑性、親水性および生体適合性などの表面特性を改善することができる。
【００３４】
本発明の実施形態の方法および装置によって加速中性ビームを形成することができる親ＧＣＩＢはイオンを含むので、従来のイオンビーム技術を用いて所望のエネルギーまで容易に加速され、容易に集束される。その後に荷電イオンが中性粒子から解離し分離すると、中性ビーム粒子は集束軌道を維持する傾向があり、良好な効果とともに長距離を輸送することができる。
【００３５】
ジェット中の中性ガスクラスタが電子ボンバードによってイオン化されると、この中性ガスクラスタは加熱され、および／または励起される。これにより、加速後、ビームラインを下って移動する際に、モノマーがその後にイオン化ガスクラスタから蒸発することがある。さらに、イオン化装置、アクセラレータおよびビームライン領域内のガスクラスタイオンと背景ガス分子との衝突もまた、ガスクラスタイオンを加熱しかつ励起し、加速後にガスクラスタイオンからモノマーをさらに続いて発生させる可能性がある。これらのモノマー発生機構が、ＧＣＩＢが形成された同じガスの背景ガス分子（および／または他のガスクラスタ）との電子ボンバードおよび／または衝突によって誘発されると、解離処理によってビームは汚染されず、その結果、モノマーが発生する。
【００３６】
ビームに汚染物質を導入することなく、ＧＣＩＢ中のガスクラスタイオンを解離するため（またはモノマーの発生を誘発するため）に利用することができる他の機構がある。これらの機構のいくつかはまた、中性ガスクラスタビーム中の中性ガスクラスタを解離するために利用することができる。一つの機構は、赤外線または他のレーザエネルギーを用いたクラスタイオンビームのレーザ照射である。レーザ照射されたＧＣＩＢ中のガスクラスタイオンのレーザ誘発加熱により、ガスクラスタイオンが励起され、および／または加熱され、続いてモノマーをビームから発生させる。別の機構は、放射熱エネルギー光子がビーム中のガスクラスタイオンに衝突するように、ビームに熱加熱管を通過させることである。管内の放射熱エネルギーによるガスクラスタイオンの誘発加熱により、ガスクラスタイオンが励起され、および／または加熱され、続いてモノマーをビームから発生させる。別の機構では、ＧＣＩＢ（または他の非汚染ガス）の形成に用いられるソースガスと同じガスまたは混合物のガスジェットによってガスクラスタイオンビームを交差させることにより、ガスジェット中のガスのモノマーがイオンビーム中のガスクラスタと衝突し、ビーム中のガスクラスタイオンを励起し、および／または加熱し、続いて、励起されたガスクラスタイオンからモノマーを発生させる。最初のイオン化および／またはビームおよび／またはレーザまたは熱放射内の（他のクラスタイオンまたはＧＣＩＢを形成するために用いられたガスと同じガスの背景ガス分子との）衝突の間の電子ボンバード、および／またはＧＣＩＢ解離および／または断片化を生じさせる非汚染ガスの横断ジェット衝突に完全に依存することによって、他の材料との衝突によるビームの汚染が回避される。
【００３７】
このような上述の非汚染性解離方法を用いることにより、ＧＣＩＢは、元のソースガス原子の一部ではない解離生成物または残留クラスタに原子を導入することなく解離するかまたは少なくとも部分的に解離する。残留クラスタまたは解離生成物を用いて処理される被加工物の汚染物質となる原子を含まないソースガスを最初のクラスタ形成に用いることによって、被加工物の汚染が回避される。アルゴンまたは他の希ガスが利用される場合、ソースガス材料は揮発性であり化学的に反応しないので、中性ビームを用いて被加工物をその後に照射すると、これらの揮発性非反応性原子は被加工物から完全に放出される。したがって、ガラス、石英、サファイア、ダイヤモンドを含む光学材料および宝石用材料、および、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、などの他の硬質透過性材料である被加工物に対して、アルゴンおよび他の希ガスは、中性ビーム照射による汚染をもたらすことなくソースガス材料としての役割を果たすことができる。他の場合には、ソースガスの原子成分が被加工物の汚染をもたらす原子を含まなければ、他のソースガスを用いてもよい。例えば、いくつかのガラスの被加工物の場合、ＬＢＯおよび様々な他の光学材料は酸素を含有しており、酸素原子は汚染物質として作用しない可能性がある。このような場合には、汚染することなく酸素含有ソースガスを使用することができる。
【００３８】
ノズルからの中性ガスクラスタジェットが、電子がクラスタをイオン化するように配向されたイオン化領域を通って移動する際、クラスタは非イオン化を保つことができるか、または（入射電子によるクラスタからの電子の放出によって）１つ以上の電荷の荷電状態ｑを得ることができる。イオン化装置の動作条件は、ガスクラスタが特定の荷電状態をとる可能性に影響し、イオン化装置の条件がより厳しいものであるほど、より高い荷電状態が達成される確率が高くなる。高イオン化効率をもたらす強力なイオン化装置の条件は、より高い電子束および／またはより高い（限度内の）電子エネルギーによって生じる可能性がある。ガスクラスタは、一旦イオン化されると、一般的にはイオン化装置から抽出され、ビームに集束され、電場を通って落下することによって加速される。ガスクラスタイオンの加速量は、加速電場の大きさを制御することによって容易に制御される。一般的な市販のＧＣＩＢ処理具は、一般に、例えば約１ｋＶ〜７０ｋＶの調整可能な加速電位ＶＡｃｃ（しかしこの範囲に限定されず、最大２００ｋＶまたはそれ以上のＶＡｃｃが実現可能な場合がある）を有する電場によって加速されるガスクラスタイオンを提供する。したがって、単独で荷電されたガスクラスタイオンは、１〜７０ｋｅＶ（またはより大きいＶＡｃｃが用いられる場合にはそれ以上）の範囲のエネルギーを達成し、複数で荷電された（例えば限定されるものではないが、荷電状態、ｑ＝３の電子電荷）ガスクラスタイオンは、３〜２１０ｋｅＶ（またはＶＡｃｃがより大きい場合はそれ以上）の範囲のエネルギーを達成する。他のガスクラスタイオン荷電状態および加速電位については、クラスタ当たりの加速エネルギーはｑＶＡｃｃ  ｅＶである。所与のイオン化効率を有する所与のイオン化装置から、ガスクラスタイオンは、ゼロ（非イオン化）から例えば６（またはイオン化装置効率がより高い場合はそれ以上）などの高い数まで分布した荷電状態を有し、荷電状態分布の最も起こりやすい平均値もまた、イオン化装置効率（より高い電子束および／またはエネルギー）の上昇とともに増加する。イオン化装置効率が高くなると、イオン化装置内に形成されるガスクラスタイオンの数も増加する。多くの場合、高効率でイオン化装置を動作させる場合にＧＣＩＢ電流が増加する結果、ＧＣＩＢ処理の処理能力が向上する。このような動作の欠点は、中間サイズのガスクラスタイオン上で生じる可能性のある複数の荷電状態が、これらのイオンによるクレータおよび／または粗い界面の形成を増加させる可能性があり、このような作用が処理の目的にとって逆効果に働く場合が多いことである。したがって、多くのＧＣＩＢ表面処理法では、イオン化装置の動作パラメータの選択には、ビーム電流を最大化するよりも多くの考慮を伴う傾向にある。いくつかの処理では、「圧力セル」（Ｓｗｅｎｓｏｎらによる米国特許第７，０６０，９８９号明細書参照）を使用して、イオン化装置を高イオン化効率で動作させることができる一方で、高圧力「圧力セル」内のガス衝突によるビームエネルギーを緩和することによって許容可能なビーム処理性能をさらに得ることができる。
【００３９】
本発明の実施形態において中性ビームが形成される場合、高効率でイオン化装置を動作させることには欠点がなく、実際に、このような動作が好ましいことがある。イオン化装置が高効率で動作する場合、イオン化装置によって生成されたガスクラスタイオンには様々な荷電状態が存在する可能性がある。これにより、イオン化装置と加速電極との間の抽出領域において、および下流ビームにおいてガスクラスタイオンは広範囲の速度を有する。これにより、ビーム内のガスクラスタイオン間の衝突頻度が高まり、一般に最大ガスクラスタイオンが高割合で断片化する。このような断片化により、ビーム内のクラスタサイズを再分配し、より小さいクラスタサイズへと歪ませる。これらのクラスタ断片は新たなサイズ（Ｎ）に比例してエネルギーを保持するので、最初の非断片化ガスクラスタイオンの加速速度を本質的に保持しながらエネルギー性は少なくなる。衝突後の速度の保持によるエネルギーの変化は、実験で実証されている（例えば、Ｔｏｙｏｄａ，Ｎ．らによる、「Ｃｌｕｓｔｅｒ  ｓｉｚｅ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｏｎ  ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｇａｓ  ｃｌｕｓｔｅｒ  ｉｏｎｓ  ａｆｔｅｒ  ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｇａｓ」、Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．＆Ｍｅｔｈ．ｉｎ  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｂ  ２５７（２００７年）、ｐｐ．６６２〜６６５で報告されている）。また、断片化により、クラスタ断片の電荷を再分配する可能性がある。いくつかの非荷電断片が生じる可能性があり、複数の荷電ガスクラスタイオンは、いくつかの荷電ガスクラスタイオンと、場合によってはいくつかの非荷電断片とに断片化する可能性がある。イオン化装置および抽出領域内の集束場の設計は、より小さなガスクラスタイオンおよびモノマーイオンの集束を向上させて、ビーム抽出領域および下流ビームにおける大きなガスクラスタイオンとの衝突の可能性を高めることがあり、したがって、ガスクラスタイオンの解離および／または断片化に寄与する。
【００４０】
本発明の実施形態では、イオン化装置、加速領域およびビームラインにおける背景ガス圧力は、良好なＧＣＩＢ透過のために通常使用される圧力よりも高い圧力を有するように随意よりに構成されてもよい。これにより、ガスクラスタイオンから（最初のガスクラスタイオン化事象から生じる加熱および／または励起から生じるモノマーよりも）モノマーをさらに発生させることができる。ガスクラスタイオンが、イオン化装置と被加工物との間の十分に短い平均自由行程と十分に長い飛行工程とを有し、背景ガス分子との複数の衝突を必ず被るように、圧力を構成してもよい。
【００４１】
Ｎ個のモノマーを含み、荷電状態がｑであり、電場の低下したＶＡｃｃボルトの電位で加速された均一なガスクラスタイオンの場合、クラスタは、モノマー当り約ｑＶＡｃｃ／ＮＩｅＶのエネルギーを有し、ここで、ＮＩは加速時のクラスタイオン中のモノマーの数である。最小のガスクラスタイオンを除いて、このようなイオンと、クラスタソースガスと同じガスの背景ガスモノマーとの衝突により、ガスクラスタイオン中に約ｑＶＡｃｃ／ＮＩｅＶがさらに蓄積される。このエネルギーは、ガスクラスタイオンエネルギー（ｑＶＡｃｃ）全体と比較して相対的に小さく、一般的にクラスタを励起させるかまたは加熱させ、続いてモノマーをクラスタから発生させる。背景ガスとのより大きなクラスタのこのような衝突は、クラスタを断片化することは滅多にないが、むしろクラスタを加熱し、および／または励起して、蒸発または類似の機構によってモノマーを発生させると考えられている。ガスクラスタイオンから単一のモノマーまたは複数のモノマーを発生させる励起源にかかわらず、発生した単一または複数のモノマーは粒子当たりほぼ同じエネルギーｑＶＡｃｃ／ＮＩｅＶを有し、モノマーが発生したガスクラスタイオンとほぼ同じ速度および軌道を保持する。このようなモノマーの発生がガスクラスタイオンから生じる場合、元のイオン化事象、衝突、または放射加熱による励起または加熱から生じたかどうかに関わらず、より大きな残留ガスクラスタイオンと共に電荷が残る可能性が高い。したがって、一連のモノマー発生後、大きなガスクラスタイオンを、場合によってはより小さな残留ガスクラスタイオンと共に移動するモノマー群（または断片化も生じている場合には数個の場合もある）まで低減させることができる。元のビーム軌道に沿って共に移動するモノマーは全て、元のガスクラスタイオンとほぼ同じ速度を有し、各々が約ｑＶＡｃｃ／ＮＩｅＶのエネルギーを有する。小さなガスクラスタイオンの場合、背景ガスモノマーとの衝突のエネルギーは小さなガスクラスタを完全かつ激しく解離させる可能性があり、このような場合、得られるモノマーがビームと共に移動し続けるか、またはビームから放出されるかは不明である。
【００４２】
背景ガスとの衝突によるビームの汚染を回避するために、背景ガスは、ガスクラスタイオンを構成するガスと同じガスであることが好ましい。ガスクラスタジェットを形成するためのノズルは、一般的には１００〜６００ｓｃｃｍのオーダーの高ガス流で操作される。ガスクラスタ状に凝縮しないこの流れの部分は、ソースチャンバ内の圧力を上昇させる。ガスクラスタの形態でスキマ開口部を介して伝達されるガスに加えて、ソースチャンバからの非クラスタ化ソースガスは、スキマ開口部を通って下流のビームラインまたはビーム経路チャンバに流れることができる。スキマ開口部の直径を選択してソースチャンバからビームラインへの非クラスタ化ソースガスの流れを増加させることは、追加のビームライン圧力を与えてＧＣＩＢとの背景ガスの衝突を誘発するのに便利な方法である。高ソースガス流（スキマ開口部を通る非クラスタ化ガスおよびビームによってターゲットに輸送されるガス）のために、大気ガスはビームラインから迅速にパージされる。あるいは、ガスは、ビームラインチャンバ内に漏出してもよく、または上記に挙げたように、ＧＣＩＢ経路を横断するジェットとして導入されてもよい。このような場合、ガスは、好ましくはソースガスと同じである（または不活性であるか、別の態様では非汚染性である）。重要な用途では、残留ガス分析装置をビームラインにおいて利用して、背景ガスの衝突がモノマーの発生に影響を与える場合の背景ガスの品質を確認することができる。
【００４３】
ＧＣＩＢが被加工物に到達する前に、ビーム中の残りの荷電粒子（ガスクラスタイオン、特に、小サイズおよび中間サイズのガスクラスタイオンおよびいくつかの荷電モノマーだが、任意の残りの大きなガスクラスタイオンをも含む）はビームの中性部分から分離され、被加工物を処理するための中性ビームのみが残る。
【００４４】
一般的な動作では、処理ターゲットに送達されるフル（荷電性プラス中性の）ビーム中のエネルギーに対する中性ビームの出力の割合は約５％から９５％の範囲であるため、本明細書に開示の分離方法および装置によって、フル加速荷電ビームの運動エネルギー部分を中性ビームとしてターゲットに送達することが可能である。
【００４５】
ガスクラスタイオンの解離およびそれによる高中性モノマービームエネルギーの生成は、以下によって促進される。
【００４６】
１）より高い加速電圧で動作する。これにより、任意の所与のクラスタサイズについてｑＶＡｃｃ／Ｎを増加させる。２）高イオン化装置効率で動作する。これにより、ｑを増大することによって任意の所与のクラスタサイズのｑＶＡｃｃ／Ｎが増大し、クラスタ間の荷電状態の差により、抽出領域におけるクラスタイオン衝突時のクラスタイオンが増大する。３）高イオン化装置、加速領域、またはビームライン圧力で動作する、または、ビームを横断するガスジェットで、またはより長いビーム経路で動作することにより、いずれの場合も任意の所与のサイズのガスクラスタイオンに対する背景ガスの衝突の可能性を高める。４）ガスクラスタイオンからのモノマーの発生を直接促すレーザ照射またはビームの放射加熱で動作する。
【００４７】
５）より高いノズルガス流で動作することにより、クラスタ化ガスおよび場合によっては非クラスタ化ガスのＧＣＩＢ軌道への輸送を増加させ、衝突が増加し、モノマーをさらに発生させる。
【００４８】
背景ガス衝突が発生する場合、抽出領域から被加工物までのガスクラスタイオンビーム経路長とその領域内の圧力との積は、発生するガスクラスタイオンの解離度に寄与する。３０ｋＶ加速の場合、平均ガスクラスタイオン荷電状態が１以上であり、圧力とビーム経路長との積が（２５℃で）６×１０−３トルｃｍ（０．８パスカルｃｍ）であるイオン化装置のパラメータは、イオン化装置のパラメータは、（残留荷電イオンから分離した後の）中性エネルギーモノマーに殆ど完全に解離した中性ビームを提供する。圧力とビーム経路長との積をガスターゲットの厚さとして特徴付けることは便利で慣習的である。６×１０−３トルｃｍ（０．８パスカルｃｍ）は、約１．９４×１０１４／ｃｍ２のガス分子のガスターゲット厚に対応する。（限定するものではなく）例示的な一実施形態では、背景ガス圧は６×１０−５ｔｏｒｒ（８×１０−３パスカル）であり、ビーム経路長は１００ｃｍであり、加速電位は３０ｋＶであり、この場合、中性ビームは、ビーム経路の終端でモノマーに殆ど完全に解離することが観察される。これは、レーザビームまたは放射ビームの加熱なしで、ビームを横断するガスジェットを利用することなく行われる。完全に解離した加速中性ビームの条件は、クラスタイオン化事象、残留ガスモノマーとの衝突、およびビーム中のクラスタ間の衝突によるクラスタ加熱からのモノマーの発生に起因する。
【００４９】
解離した中性ビームを使用すると、フルビームと比較して金膜を平滑化する際の平滑化結果が改善される。別の用途では、医療用デバイスの薬剤表面コーティング上、または医療用デバイス上の薬物とポリマーとの混合層上、または医療用デバイスの薬物とポリマーとの混合体上で解離した中性ビームを用いることにより、フルＧＣＩＢを用いた場合に生じる薬剤の重量損失を伴わずに薬剤の沈着を改善し、薬剤溶出速度を変更する。
【００５０】
中性ビームの測定は、ガスクラスタイオンビームの場合は簡便である電流測定によって行うことができない。中性ビーム出力センサは、中性ビームで被加工物を照射する際の線量測定を容易にするために用いられる。中性ビームセンサは、ビーム（または随意によりビームの既知のサンプル）を捕捉する温度センサである。センサの温度上昇率は、センサのエネルギービーム照射から生じるエネルギー束に関連する。熱測定は、センサに入射するエネルギーの熱の再放射による誤差を回避するために、センサの限られた温度範囲にわたって行わなければならない。ＧＣＩＢ処理の場合、ビーム出力（ワット）はビーム電流（アンペア）×ビーム加速電圧ＶＡｃｃに等しい。ＧＣＩＢがある期間（秒）被加工物を照射すると、被加工物が受け取るエネルギー（ジュール）は、ビーム出力と照射時間との積になる。拡張領域を処理する場合のこのようなビームの処理作用は、その領域（例えば、ｃｍ２）にわたって分散される。イオンビームの場合、照射イオン／ｃｍ２に関して処理線量を特定することが従来から好都合であり、この場合、イオンは加速時に平均荷電状態ｑを有し、各イオンがｑＶＡｃｃｅＶ（ｅＶは約１．６×１０−１９ジュール）のエネルギーを担持するようにＶＡｃｃボルトの電位差で加速されることが知られているかまたは推定されている。したがって、ＶＡｃｃで加速され、イオン／ｃｍ２で特定される平均荷電状態ｑのイオンビーム線量は、ジュール／ｃｍ２で表現可能な容易に算出されたエネルギー線量に対応する。本発明の実施形態で利用される加速ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームの場合、加速時のｑの値およびＶＡｃｃの値は、（後に形成され、分離された）ビームの荷電部分および非荷電部分のいずれについても同一である。ＧＣＩＢの２つの（中性で荷電性の）部分の出力は、各ビーム部分の質量に比例して分割される。したがって、本発明の実施形態で使用される加速中性ビームの場合、等しい面積が等しい時間照射される場合、中性ビームによって蓄積するエネルギー線量（ジュール／ｃｍ２）は、フルＧＣＩＢによって蓄積するエネルギー線量よりも必然的に少ない。フルＧＣＩＢの出力ＰＧ、および（一般にフルＧＣＩＢの約５％〜約９５％であることが見出されている）中性ビームの出力ＰＮを熱センサを用いて測定することにより、中性ビームの処理線量測定に用いる補正係数を計算することが可能である。ＰＮがＰＧに等しい場合、補正係数は、ｋ＝１／ａである。したがって、ＧＣＩＢから得られた中性ビームを用いて被加工物を処理する場合、持続時間は、Ｄイオン／ｃｍ２の線量を達成するのに必要な（荷電ビーム部分および中性ビーム部分を含む）フルＧＣＩＢの処理時間よりもｋ倍長く設定され、この場合、中性ビームおよびフルＧＣＩＢの両方によって被加工物に蓄積したエネルギー線量は同一である（ただし、２つのビームの粒径の差異による処理効果の質的差異によって結果は異なる場合がある）。本明細書で用いられるように、このようにして補償された中性ビーム処理線量は、１ｃｍ２当たりのＤイオンの線量の１ｃｍ２当たりのエネルギー等量を有するものとして記載されることがある。
【００５１】
線量測定用の熱出力センサと組み合わせてガスクラスタイオンビームから得られた中性ビームを使用することは、多くの場合、ガスクラスタイオンと中性ガスクラスタおよび／または中性モノマーとの混合物を必然的に含み、かつビーム電流測定を用いて線量測定のために従来法で測定されるフルガスクラスタイオンビームまたは捕捉部分または分流部分の使用と比較すると利点がある。いくつかの利点は以下の通りである。
【００５２】
１）ビームの総出力を測定するため、線量測定を、線量測定用の熱センサを用いる中性ビームでより正確に行うことができる。線量測定のために従来のビーム電流測定を利用するＧＣＩＢでは、線量測定のためにビームのイオン化部分の寄与のみが評価され、利用される。ＧＣＩＢ装置の動作条件に対する分毎および環境毎の変更によって、ＧＣＩＢ中の中性モノマーおよび中性クラスタの部分が変動する可能性がある。これらの変動により、線量測定がビーム電流測定によって行われた場合に制御性が低下するような処理変動が生じる可能性がある。
【００５３】
２）中性ビームでは、ターゲットを中性化する電子源を提供して、イオン化ビームによって被加工物に輸送される電荷による被加工物の荷電を防止する必要なく、高絶縁材料および荷電作用によって損傷されることがある他の材料を含む様々な材料を処理することができる。従来のＧＣＩＢを用いた場合、荷電を低減するためのターゲットの中性化はほとんど完璧ではなく、電子源の中性化自体が、被加工物の加熱、蒸発またはスパッタリングによる電子源の汚染などの問題を招くことが多い。中性ビームは被加工物に電荷を輸送しないので、このような問題は軽減される。
【００５４】
３）中性ビームからエネルギーモノマーイオンを分離するために、大口径で高強度の磁石などの追加の装置は必要とされない。従来のＧＣＩＢの場合、エネルギーモノマーイオン（および他の小さなクラスタイオン）が被加工物に輸送され、被加工物に侵入して深い損傷をもたらす危険性は大きく、このような粒子をビームから分離するために高価な磁気フィルタが常に必要とされる。本明細書に開示の中性ビーム装置の場合、ビームから全てのイオンを分離して中性ビームを生成するために、全てのモノマーイオンを本質的に除去する。
【００５５】
本明細書で用いられる場合、用語「薬剤」は、一般的に有益な様式で活性である治療用薬剤または物質を意味するものであり、これらは、埋込型医療用デバイスの近傍で局所的に放出するかまたは溶出して、（例えば限定されるものではないが、潤滑性をもたらすことによって）デバイスの埋込を容易にすることができるか、または、（例えば限定されるものではないが、生物学的もしくは生化学的活性によって）デバイスの埋込の好ましい医療的転帰または生理学的転帰を容易にすることができる。「薬剤」の意味は、薬剤と結合させるかまたは薬剤との密着性をもたらすため、薬剤を医療用デバイスに沈着させるため、または、薬剤の放出または溶出を制御するバリア層を形成するために利用される、ポリマーとの薬剤の混合物を含むことが意図されている。イオンビームの照射によって改質されて、薬剤の分子を緻密化し、炭化するかまたは部分炭化し、部分変性し、架橋するかまたは部分架橋し、または少なくとも部分的に重合する薬剤は、「薬剤」の定義に含まれることが意図されている。
【００５６】
本明細書で用いられるように、用語「中間サイズ」は、ガスクラスタのサイズまたはガスクラスタイオンのサイズを指す場合、Ｎ＝１０からＮ＝１５００のサイズを意味するものである。
【００５７】
本明細書で用いられるように、用語「ＧＣＩＢ」、「ガスクラスタイオンビーム」および「ガスクラスタイオン」は、イオン化されたビームおよびイオンだけでなく、荷電状態の全部または一部が加速後に改質（中性化を含む）された、加速ビームおよびイオンも包含することが意図されている。用語「ＧＣＩＢ」および「ガスクラスタイオンビーム」は、非クラスタ化粒子を含んでもよいが、加速ガスクラスタを含む全てのビームを包含することが意図されている。本明細書で用いられるように、用語「中性ビーム」は、加速ガスクラスタイオンビームから得られ、ガスクラスタイオンビームの加速に起因して加速する中性ガスクラスタおよび／または中性モノマーのビームを意味するものである。
【００５８】
ガス中の粒子またはビーム中の粒子を指す場合に本明細書で用いられるように、用語「モノマー」は、単一の原子または単一の分子のいずれかを同等に指している。「原子」、「分子」および「モノマー」という用語を互換的に用いてもよく、これらの用語は全て、議論中のガスの特徴である適切なモノマー（クラスタの成分、クラスタイオンの成分、原子または分子のいずれか）を指している。例えばアルゴンのような単原子ガスは、原子、分子、またはモノマーに関して言及することができ、それらの用語の各々は単一の原子を意味する。同様に、窒素のような二原子ガスの場合、原子、分子、またはモノマーに関して言及することができ、各用語は二原子分子を意味する。さらに、ＣＯ２またはＢ２Ｈ６のような分子ガスは、原子、分子、またはモノマーに関して言及することができ、各用語は多原子分子を意味する。これらの慣習は、ガス形態において単原子状、二原子状または分子状であるかどうかに関わらず、ガスおよびガスクラスタまたはガスクラスタイオンの包括的議論を簡潔にするために用いられる。分子または固体材料の成分を指す場合、「原子」は従来の意味を有する。
【００５９】
本発明の一実施形態は、基板表面を制御下で浅くエッチングする方法を提供し、この方法は、減圧チャンバを提供するステップと、減圧チャンバ内にガスクラスタイオンを含むガスクラスタイオンビームを形成するステップと、ガスクラスタイオンを加速して、減圧チャンバ内のビーム経路に沿って加速ガスクラスタイオンビームを形成するステップと、ビーム経路に沿って加速されたガスクラスタイオンの少なくとも一部の断片化および／または解離を促進するステップと、荷電粒子をビーム経路から除去して、加速中性ビームをビーム経路に沿って減圧チャンバ内に形成するステップと、基板をビーム経路内に保持するステップと、加速中性ビームを照射することによって基板表面の一部を処理して、表面の照射された部分に下方の非改質基板を覆う浅い改質層を形成するステップと、浅い改質層を有する表面をエッチングして、表面上の浅い改質層の材料を優先的に除去するステップであって、エッチングが下方の非改質基板で停止する、ステップとを含む。
【００６０】
除去するステップは、実質的に全ての荷電粒子をビーム経路から除去してもよい。除去するステップは、完全に解離した加速中性ビームを形成してもよい。中性ビームは、殆どガスクラスタイオンビームからのガスから成ってもよい。処理するステップは、パターン化テンプレートの開口部を介して基板を照射するステップを含んでもよく、浅い改質層はパターン化されてもよい。エッチングするステップは、基板上にエッチングされたパターンを生成してもよい。パターン化テンプレートは、基板表面と接触するハードマスクまたはフォトレジストマスクであってもよい。促進するステップは、加速ガスクラスタイオンビーム中のイオンの速度範囲を増大させるステップを含んでもよい。促進するステップは、ガスクラスタイオンビームを減圧チャンバ内に形成してビーム経路に沿って圧力を増加させるために用いられる１つ以上のガス状元素を導入するステップを含んでもよい。エッチングするステップは、浅い改質層および非改質基板についてエッチング速度が異なる適切な化学エッチング液を用いて行われてもよい。化学エッチング液はフッ化水素酸を含んでもよい。処理するステップは、基板を走査して、加速中性ビームによって表面の拡張部分を処理するステップをさらに含んでもよい。基板表面は、金属、半導体または誘電材料を含んでもよい。浅い改質層は、６ナノメートル以下の深さを有してもよい。浅い改質層は、約１ナノメートル〜約３ナノメートルの厚さを有してもよい。ガスクラスタイオンは、アルゴンまたは別の不活性ガスを含んでもよい。ガスクラスタイオンは、酸素をさらに含んでもよい。この方法は、照射するステップに先立って、基板の一部分上に酸素含有層を形成するステップをさらに含んでもよい。酸素含有層は、５単層未満の厚さであってもよい。加速するステップは、５〜５０ｋＶの電位によりガスクラスタイオンを加速してもよい。浅い改質層は、非晶質化層または酸化層であってもよい。
【００６１】
本発明の別の実施形態は、深さが６ナノメートル以下のパターン化されかつエッチングされた特徴部を含む、エッチングされた半導体または金属または誘電体の基板表面を提供する。パターン化されかつエッチングされた特徴部は、深さが３ナノメートル以下であってもよい。この特徴部は、１０オングストローム（１ナノメートル）未満の平均粗さＲａを有してもよい。パターン化されかつエッチングされた特徴部は、ガスクラスタイオンビームから形成された、加速集束された中性ビームを用いて、基板よりも高いエッチング速度を有するようにされてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
本発明の他の目的およびさらなる目的と共に、本発明をより良好に理解するために、添付の図面を参照する。
【００６３】
【図１】ＧＣＩＢを用いて被加工物を処理する先行技術の装置の要素を示す概略図である。
【００６４】
【図２】イオンビームの走査および被加工物の操作が利用されるＧＣＩＢを用いて、被加工物を処理する別の先行技術の装置の要素を示す概略図である。
【００６５】
【図３】静電偏向板を用いて荷電ビーム成分と非荷電ビーム成分とを分離する、本発明の実施形態による装置の概略図である。
【００６６】
【図４】中性ビーム測定のための熱センサを使用する、本発明の実施形態による装置の概略図である。
【００６７】
【図５】抑制された偏向板上に回収された偏向イオンビーム電流を線量測定方式の構成要素として用いる、本発明の実施形態による装置の概略図である。
【００６８】
【図６】ファラデーカップ内に回収された偏向イオンビームのサンプルを線量測定方式の構成要素として用いる、本発明の実施形態による装置の概略図である。
【００６９】
【図７】拡張された被加工物に中性ビームを均一に照射するために機械的走査を利用する、本発明の実施形態による装置の概略図である。
【００７０】
【図８】ガスをビームラインチャンバに注入することによってガスターゲットの厚さを制御する手段を備えた、本発明の実施形態による装置の概略図である。
【００７１】
【図９】静電ミラーを用いて荷電中性ビーム成分を分離する、本発明の実施形態による装置の概略図である。
【００７２】
【図１０】加減速構成を用いて中性ビーム成分から荷電ビームを分離する、本発明の実施形態による装置の概略図である。
【００７３】
【図１１】代替加減速構成を用いて中性ビーム成分から荷電ビームを分離する、本発明の実施形態による装置の概略図である。
【００７４】
【図１２Ａ】金属膜の場合、ビームの中性成分による処理が、フルＧＣＩＢまたはビームの荷電成分のいずれかによる処理と比較して膜に優れた平滑化をもたらすことを示す処理結果を示す図である。
【図１２Ｂ】金属膜の場合、ビームの中性成分による処理が、フルＧＣＩＢまたはビームの荷電成分のいずれかによる処理と比較して膜に優れた平滑化をもたらすことを示す処理結果を示す別の図である。
【図１２Ｃ】金属膜の場合、ビームの中性成分による処理が、フルＧＣＩＢまたはビームの荷電成分のいずれかによる処理と比較して膜に優れた平滑化をもたらすことを示す処理結果を示すさらに別の図である。
【図１２Ｄ】金属膜の場合、ビームの中性成分による処理が、フルＧＣＩＢまたはビームの荷電成分のいずれかによる処理と比較して膜に優れた平滑化をもたらすことを示す処理結果を示すさらに別の図である。
【００７５】
【図１３Ａ】薬剤溶出医療用デバイスを表すコバルト−クロム試験片上の薬剤コーティングの比較を示す図であり、中性ビームによる処理は、フルＧＣＩＢによる処理より優れた結果をもたらす。
【図１３Ｂ】薬剤溶出医療用デバイスを表すコバルト−クロム試験片上の薬剤コーティングの比較を示す別の図であり、中性ビームによる処理は、フルＧＣＩＢによる処理より優れた結果をもたらす。
【００７６】
【図１４】磁気分離が利用される本発明の実施形態による中性ビーム処理装置の概略図である。
【００７７】
【図１５Ａ】ガスクラスタイオンビームと比較して、本発明の中性ビーム実施形態を用いた場合に生成される優れた界面を示すＴＥＭ画像である。
【図１５Ｂ】ガスクラスタイオンビームと比較して、本発明の中性ビーム実施形態を用いた場合に生成される優れた界面を示す別のＴＥＭ画像である。
【図１５Ｃ】ガスクラスタイオンビームと比較して、本発明の中性ビーム実施形態を用いた場合に生成される優れた界面を示すさらに別のＴＥＭ画像である。
【００７８】
【図１６】本発明の実施形態を用いて浅い接合を形成するのに適した、ホウ素を浅く注入した場合のＳＩＭＳプロファイルを示すグラフである。
【００７９】
【図１７】本発明の実施形態がホウ素ドープ半導体の形成に用いられる場合に形成される高品質の界面を示すＴＥＭ画像である。
【００８０】
【図１８】本発明の実施形態を用いたＳｉＯ２およびＳｉのエッチングを示すグラフである。
【００８１】
【図１９Ａ】半導体材料中に非晶質層を形成する際の本発明の実施形態の使用を示すＴＥＭ画像である。
【図１９Ｂ】半導体材料中に非晶質層を形成する際の本発明の実施形態の使用を示す別のＴＥＭ画像である。
【００８２】
【図２０Ａ】半導体中に膜を形成するためにＧＣＩＢから得られた加速中性ビームの適用を示すＴＥＭ画像である。
【図２０Ｂ】半導体中に膜を形成するためにＧＣＩＢから得られた加速中性ビームの適用を示す別のＴＥＭ画像である。
【００８３】
【図２１】加速ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、シリコン基板上のダイヤモンド状炭素膜の堆積を示すグラフである。
【００８４】
【図２２】粗さの程度、平坦性の欠如、および凹凸の存在を示す、清浄で、従来法で研磨された光学ガラス表面の粗さの原子間力顕微鏡写真図である。
【００８５】
【図２３】加速ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いた、本発明の実施形態による平滑化後の光学ガラス表面の原子間力顕微鏡写真図である。
【００８６】
【図２４Ａ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いる工程、または、従来技術と比較して、本発明の実施形態による基板へのコーティングの付着性が優れた光学基板上に光学コーティングを製造するためにＧＣＩＢを用いる工程のステップを示す概略図である。
【図２４Ｂ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いる工程、または、従来技術と比較して、本発明の実施形態による基板へのコーティングの付着性が優れた光学基板上に光学コーティングを製造するためにＧＣＩＢを用いる工程のステップを示す別の概略図である。
【図２４Ｃ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いる工程、または、従来技術と比較して、本発明の実施形態による基板へのコーティングの付着性が優れた光学基板上に光学コーティングを製造するためにＧＣＩＢを用いる工程のステップを示すさらに別の概略図である。
【図２４Ｄ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いる工程、または、従来技術と比較して、本発明の実施形態による基板へのコーティングの付着性が優れた光学基板上に光学コーティングを製造するためにＧＣＩＢを用いる工程のステップを示すさらに別の概略図である。
【００８７】
【図２５Ａ】大気暴露による劣化を示す未処理ＬＢＯ光学部品の表面の原子間力顕微鏡写真図である。
【図２５Ｂ】大気暴露による劣化を示す未処理ＬＢＯ光学部品の表面の別の原子間力顕微鏡写真図である。
【００８８】
【図２６Ａ】本発明の実施形態による処理に続く大気暴露による劣化が結果として減少した、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて処理されたＬＢＯ光学部品の表面の原子間力顕微鏡写真図である。
【図２６Ｂ】本発明の実施形態による処理に続く大気暴露による劣化が結果として減少した、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて処理されたＬＢＯ光学部品の表面の別の原子間力顕微鏡写真図である。
【００８９】
【図２７Ａ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、シリコン基板上にＳｉＣ層またはＳｉＣＸ層を形成する工程のステップを示す概略図である。
【図２７Ｂ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、シリコン基板上にＳｉＣ層またはＳｉＣＸ層を形成する工程のステップを示す別の概略図である。
【図２７Ｃ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、シリコン基板上にＳｉＣ層またはＳｉＣＸ層を形成する工程のステップを示すさらに別の概略図である。
【図２７Ｄ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、シリコン基板上にＳｉＣ層またはＳｉＣＸ層を形成する工程のステップを示すさらに別の概略図である。
【００９０】
【図２８Ａ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされるフォトレジストを用いることなく基板上にハードマスクパターンを形成する工程のステップを示す概略図である。
【図２８Ｂ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされるフォトレジストを用いることなく基板上にハードマスクパターンを形成する工程のステップを示す別の概略図である。
【図２８Ｃ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされるフォトレジストを用いることなく基板上にハードマスクパターンを形成する工程のステップを示すさらに別の概略図である。
【図２８Ｄ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされるフォトレジストを用いることなく基板上にハードマスクパターンを形成する工程のステップを示すさらに別の概略図である。
【図２８Ｅ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされるフォトレジストを用いることなく基板上にハードマスクパターンを形成する工程のステップを示すさらに別の概略図である。
【図２８Ｆ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされるフォトレジストを用いることなく基板上にハードマスクパターンを形成する工程のステップを示すさらに別の概略図である。
【図２８Ｇ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされるフォトレジストを用いることなく基板上にハードマスクパターンを形成する工程のステップを示すさらに別の概略図である。
【図２８Ｈ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされるフォトレジストを用いることなく基板上にハードマスクパターンを形成する工程のステップを示すさらに別の概略図である。
【００９１】
【図２９Ａ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の実施形態におけるステップを示す概略図である。
【図２９Ｂ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の実施形態におけるステップを示す別の概略図である。
【図２９Ｃ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【図２９Ｄ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【図２９Ｅ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【００９２】
【図３０Ａ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の代替実施形態におけるステップを示す概略図である。
【図３０Ｂ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の代替実施形態におけるステップを示す別の概略図である。
【図３０Ｃ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の代替実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【図３０Ｄ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の代替実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【図３０Ｅ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の代替実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【図３０Ｆ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の代替実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【００９３】
【図３１Ａ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の別の代替実施形態におけるステップを示す概略図である。
【図３１Ｂ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の別の代替実施形態におけるステップを示す別の概略図である。
【図３１Ｃ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の別の代替実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【図３１Ｄ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の別の代替実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【図３１Ｅ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の別の代替実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【図３１Ｆ】ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の別の代替実施形態におけるステップを示すさらに別の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００９４】
ここで、図１を参照すると、先行技術のＧＣＩＢ処理装置１００の概略構成が示されている。低圧容器１０２は、ノズルチャンバ１０４、イオン化／加速チャンバ１０６、および処理チャンバ１０８の３つの流体接続チャンバを有する。３つのチャンバは、真空ポンプ１４６ａ、１４６ｂおよび１４６ｃによってそれぞれ排気される。ガス貯蔵シリンダ１１１に貯蔵された圧縮凝縮性ソースガス１１２（例えばアルゴン）は、ガス計量バルブ１１３および供給管１１４を通って停滞チャンバ１１６に流れ込む。停滞チャンバ１１６内の圧力（一般的には、数気圧）により、ガスは、ノズル１１０を介して略低圧の真空中に放出され、超音速ガスジェット１１８を形成する。ジェット内の膨張から生じる冷却によって、ガスジェット１１８の一部は、数個から数千個の弱く結合した原子または分子から成るクラスタ状に凝縮する。ガススキマ開口部１２０は、クラスタジェット状に凝縮しなかったガス分子をクラスタジェットから部分的に分離することによって、下流チャンバへのガス流を制御するために利用される。下流チャンバ内の過剰な圧力は、ガスクラスタイオンの輸送を妨害し、ビームの形成および輸送に用いることができる高電圧の管理を妨害することによって有害となる場合がある。適切な凝縮性ソースガス１１２は、アルゴンおよび他の凝縮性希ガス、窒素、二酸化炭素、酸素、および多くの他のガスおよび／またはガス混合物を含むが、これらに限定されない。超音速ガスジェット１１８内のガスクラスタの形成後、ガスクラスタの少なくとも一部は、一般的には１つ以上の白熱フィラメント１２４（または他の適切な電子源）からの熱放出によって電子を生成し、かつ電子を加速して方向付けしてガスジェット１１８内のガスクラスタと衝突させることができる電子衝撃イオン化装置であるイオン化装置１２２においてイオン化される。電子とガスクラスタとの衝突により、ガスクラスタのいくつかの部分から電子が放出され、それらのクラスタが正イオン化される。いくつかのクラスタは、放出される２個以上の電子を有してもよく、多重にイオン化されてもよい。加速後の電子数およびそのエネルギーの制御は、一般的に、発生する可能性のあるイオン化数およびガスクラスタの多重イオン化と単イオン化との間の比率に影響を及ぼす。サプレッサ電極１４２および接地電極１４４は、イオン化装置の出口開口部１２６からクラスタイオンを抽出し、クラスタイオンを所望のエネルギー（一般的には数百Ｖから数十ｋＶの加速電位）まで加速し、かつ集束させてＧＣＩＢ１２８を形成する。ＧＣＩＢ１２８がイオン化装置の出口開口部１２６とサプレッサ電極１４２との間を横断する領域は、抽出領域と呼ばれる。ガスクラスタを含む超音速ガスジェット１１８の（ノズル１１０で決定される）軸は、ＧＣＩＢ１２８の軸１５４と実質的に同じである。フィラメント電源１３６は、フィラメント電圧Ｖｆを供給してイオン化装置フィラメント１２４を加熱する。アノード電源１３４は、アノード電圧ＶＡを供給してフィラメント１２４から放出された熱電子を加速し、これにより、熱電子がクラスタ含有ガスジェット１１８を照射してクラスタイオンを生成する。抑制電源１３８は、抑制電圧ＶＳ（数百ボルト〜数千ボルト程度）を供給してサプレッサ電極１４２にバイアスをかける。アクセラレータ電源１４０は、加速電圧ＶＡｃｃを供給して、サプレッサ電極１４２および接地電極１４４に対してイオン化装置１２２にバイアスをかけ、総ＧＣＩＢ加速電位がＶＡｃｃに等しくなるようにする。サプレッサ電極１４２は、イオン化装置１２２のイオン化装置出口開口部１２６からイオンを抽出し、望ましくない電子が下流からイオン化装置１２２に入るのを防止し、集束ＧＣＩＢ１２８を形成する役割を果たす。
【００９５】
ＧＣＩＢ処理によって処理される被加工物１６０は、（例えば）医療用デバイス、半導体材料、光学素子、または他の被加工物であってもよく、ＧＣＩＢ１２８の経路に被加工物を配置する被加工物ホルダ１６２上に保持される。被加工物ホルダは処理チャンバ１０８に取り付けられているが、電気絶縁体１６４によって電気的に絶縁されている。したがって、被加工物１６０および被加工物ホルダ１６２に衝突するＧＣＩＢ１２８は、導線１６８を通って線量プロセッサ１７０に流れる。ビームゲート１７２は、軸１５４に沿った被加工物１６０までのＧＣＩＢ１２８の透過を制御する。ビームゲート１７２は、一般的には、（例えば）電気的、機械的、または電気機械的であってもよいリンク機構１７４によって制御される開放状態および閉鎖状態を有する。線量プロセッサ１７０は、ビームゲート１７２の開放／閉鎖状態を制御して、被加工物１６０および被加工物ホルダ１６２が受け取るＧＣＩＢ線量を管理する。動作時、線量プロセッサ１７０はビームゲート１７２を開放して、被加工物１６０のＧＣＩＢ照射を開始する。線量プロセッサ１７０は、一般的には、被加工物１６０および被加工物ホルダ１６２に到達するＧＣＩＢ電流を統合して、蓄積ＧＣＩＢ照射線量を算出する。所定の線量では、線量プロセッサ１７０はビームゲート１７２を閉鎖して、所定の線量が達成された場合に処理を終了する。
【００９６】
以下の説明では、図面の簡略化のために、先の図からの項目の符号を議論することなく後の図に示す場合がある。同様に、先の図に関連して説明した項目を、項目符号または追加の説明を伴わずに後の図に示す場合がある。このような場合には、同様の符号を付した項目は同様の項目であり、前述の特徴および機能を有し、当該図面において項目符号を示していない項目の図示は、先に符号を付した図に図示された同様の項目と同じ機能を有する同様の項目を指す。
【００９７】
図２は、イオンビームの走査および被加工物の操作が利用されるＧＣＩＢを用いて、被加工物を処理する別の先行技術のＧＣＩＢ処理装置２００の要素を示す概略図を示している。ＧＣＩＢ処理装置２００によって処理される被加工物１６０は、ＧＣＩＢ１２８の経路に配置された被加工物ホルダ２０２上に保持される。被加工物１６０の均一な処理を達成するために、被加工物ホルダ２０２は、均一な処理に必要とされるように、被加工物１６０を操作するように設計されている。
【００９８】
例えば球状またはカップ状、円形、不規則な、または他の非平坦な形状などの非平面である任意の被加工物表面を、ビーム入射に対してある範囲の角度で配向して、被加工物表面の最適なＧＣＩＢ処理を達成することができる。被加工物ホルダ２０２は、処理対象の全ての非平面状表面をＧＣＩＢ１２８と適切に整列させて配向して、処理の最適化および均一性を提供するように完全に連接することができる。より具体的には、処理される被加工物１６０が非平面である場合、被加工物ホルダ２０２を、回転運動２１０で回転させ、連接／回転機構２０４によって連接運動２１２で連接することができる。連接／回転機構２０４は、（ＧＣＩＢ１２８の軸１５４と同軸である）長手方向軸２０６を中心とした３６０度のデバイスの回転、および、軸２０６に対して垂直な軸２０８を中心とした十分な連接を可能にして、被加工物表面をビーム入射の所望の範囲内に維持することができる。
【００９９】
特定の条件下では、被加工物１６０のサイズに応じて、走査システムは、大きな被加工物に均一な照射を行うことが望ましい場合がある。ＧＣＩＢ処理には必要ではない場合が多いが、二対の直交配向された静電走査板１３０および１３２を利用して、拡張処理領域全体にラスタまたは他の走査パターンを生成してもよい。このようなビーム走査を行う場合、走査ジェネレータ１５６は、リード対１５９を介してＸ軸走査信号電圧を一対の走査板１３２に供給し、リード対１５８を介してＹ軸走査信号電圧を一対の走査板１３０に供給する。走査信号電圧は一般に、ＧＣＩＢ１２８を被加工物１６０の表面全体を走査する走査ＧＣＩＢ１４８に変換する、異なる周波数の三角波である。走査ビーム画定開口部２１４は、走査領域を画定する。走査ビーム画定開口部２１４は導電性であり、低圧容器１０２の壁に電気的に接続され、支持部材２２０によって支持される。被加工物ホルダ２０２は、可撓性導線２２２を介して、被加工物１６０および被加工物ホルダ２０２を囲むファラデーカップ２１６に電気的に接続され、画定開口部２１４を通過する全ての電流を回収する。被加工物ホルダ２０２は、連接／回転機構２０４から電気的に絶縁され、ファラデーカップ２１６は、絶縁体２１８によって低圧容器１０２から電気的に絶縁され、かつ低圧容器１０２に取り付けられる。したがって、走査ビーム画定開口部２１４を通過する走査ＧＣＩＢ１４８からの全ての電流はファラデーカップ２１６内に回収され、導線２２４を通って線量プロセッサ１７０まで流れる。動作時、線量プロセッサ１７０はビームゲート１７２を開放して、被加工物１６０のＧＣＩＢ照射を開始する。線量プロセッサ１７０は、一般的には、被加工物１６０および被加工物ホルダ２０２およびファラデーカップ２１６に到達するＧＣＩＢ電流を統合して、単位面積当たりの蓄積ＧＣＩＢ照射線量を算出する。所定の線量では、線量プロセッサ１７０はビームゲート１７２を閉鎖して、所定の線量が達成された場合に処理を終了する。所定の線量が蓄積される間、被加工物１６０を連接／回転機構２０４によって操作して、全ての所望の表面を確実に処理することができる。
【０１００】
図３は、静電偏向板を用いてＧＣＩＢの荷電部分と非荷電部分とを分離する、本発明の実施形態による中性ビーム処理装置３００の概略図である。ビームラインチャンバ１０７は、イオン化装置領域とアクセラレータ領域と被加工物処理領域とを取り囲む。ビームラインチャンバ１０７は高導電性を有するので、圧力は全体にわたって実質的に一定である。真空ポンプ１４６ｂは、ビームラインチャンバ１０７を排気する。ガスは、ガスジェット１１８によって輸送されたクラスタ化ガスおよび非クラスタ化ガスの形態で、かつ、ガススキマ開口部１２０を通って漏れる追加の非クラスタ化ガスの形態で、ビームラインチャンバ１０７に流れ込む。圧力センサ３３０は、圧力データをビームラインチャンバ１０７から電気ケーブル３３２を介して圧力センサコントローラ３３４に送信し、圧力センサコントローラ３３４はビームラインチャンバ１０７内の圧力を測定して表示する。ビームラインチャンバ１０７内の圧力は、ビームラインチャンバ１０７へのガス流および真空ポンプ１４６ｂのポンピング速度のバランスに依存する。ガススキマ開口部１２０の直径、ノズル１１０を通るソースガス１１２の流れ、および真空ポンプ１４６ｂのポンピング速度を選択することによって、ビームラインチャンバ１０７内の圧力は、設計およびノズル流量によって決定される圧力ＰＢに釣り合う。接地電極１４４から被加工物ホルダ１６２までのＧＣＩＢ飛行工程は、例えば１００ｃｍである。設計および調整により、ＰＢは約６×１０−５ｔｏｒｒ（８×１０−３パスカル）であってもよい。したがって、圧力とビーム経路長の積は約６×１０−３トルｃｍ（０．８パスカルｃｍ）であり、ビームのガスターゲット厚は約１．９４×１０１４／ｃｍ２のガス分子であり、イオン化装置１２２内のガスクラスタの初期イオン化によるモノマー発生と相まって、ＧＣＩＢ１２８内のガスクラスタイオン間で生じる衝突は、ＧＣＩＢ１２８内のガスクラスタイオンを解離するのに有効であることが観察され、結果として完全に解離した加速中性ビーム３１４をもたらす。ＶＡｃｃは例えば３０ｋＶであってもよく、ＧＣＩＢ１２８はその電位によって加速される。一対の偏向板（３０２および３０４）は、ＧＣＩＢ１２８の軸１５４の周りに配置される。偏向板電源３０６は、導線３０８を介して偏向板３０２に正の偏向電圧ＶＤを供給する。偏向板３０４は、導線３１２によって、電流センサ／ディスプレイ３１０を介して電気的に接地するように接続される。偏向板電源３０６は手動で制御可能である。ＶＤは、ゼロ電圧から、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６を偏向板３０４上に完全に偏向させるのに十分な電圧（例えば、数千ボルト）に調整することができる。ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６が偏向板３０４上に偏向されると、結果として生じた電流ＩＤは、導線３１２および表示用の電流センサ／ディスプレイ３１０を通って流れる。ＶＤがゼロの場合、ＧＣＩＢ１２８は偏向されず、被加工物１６０および被加工物ホルダ１６２へ移動する。ＧＣＩＢビーム電流ＩＢは、被加工物１６０上および被加工物ホルダ１６２上に回収され、電気的に接地するように導線１６８および電流センサ／ディスプレイ３２０を通って流れる���ＩＢは、電流センサ／ディスプレイ３２０上に表示される。ビームゲート１７２は、ビームゲートコントローラ３３６によってリンク機構３３８を介して制御される。ビームゲートコントローラ３３６は手動であってもよく、または、所定値によって電気的または機械的に時間を調整して、所定の間隔でビームゲート１７２を開放してもよい。使用時には、ＶＤはゼロに設定され、被加工物ホルダに衝突するビーム電流ＩＢが測定される。所与のＧＣＩＢ処理法での過去の経験に基づいて、所与の処理での最初の照射時間は、測定された電流ＩＢに基づいて決定される。ＶＤは、全ての測定ビーム電流がＩＢからＩＤに伝達されるまで増加し、ＩＤは、ＶＤの増加とともに増加しない。この時点で、初期ＧＣＩＢ１２８の解離エネルギー成分を含む中性ビーム３１４が被加工物ホルダ１６２を照射する。次いで、ビームゲート１７２は閉鎖され、被加工物１６０は従来の被加工物装填手段（図示せず）によって被加工物ホルダ１６２上に配置される。ビームゲート１７２は、所定の最初の放射期間に開放される。照射の間隔を置いた後、被加工物を検査し、処理時間を必要に応じて調整して、測定されたＧＣＩＢビーム電流ＩＢに基づいて中性ビーム処理の所望の持続時間を較正することができる。このような較正処理に続いて、較正された暴露期間を用いて追加の被加工物を処理してもよい。
【０１０１】
中性ビーム３１４は、加速ＧＣＩＢ１２８の初期エネルギーの反復可能部分を含む。元のＧＣＩＢ１２８の残りのイオン化部分３１６は、中性ビーム３１４から除去され、接地偏向板３０４によって回収される。中性ビーム３１４から除去されるイオン化部分３１６は、モノマーイオンと中間サイズのガスクラスタイオンを含むガスクラスタイオンとを含んでいてもよい。イオン化処理中のクラスタ加熱、ビーム間衝突、背景ガス衝突、および他の原因（全てクラスタの浸食をもたらす）によるモノマー蒸発機構のために、中性ビームは実質的に中性モノマーから成り、分離された荷電粒子は大半がクラスタイオンである。本発明者らは、中性ビームを再イオン化し、かつ得られたイオンの電荷質量比を測定することを含む適切な測定によってこのことを確認した。分離された荷電ビーム成分は、主として中間サイズのクラスタイオン、およびモノマーイオンおよび場合によってはいくらかの大きなクラスタイオンから成る。以下に示すように、この中性ビームを用いて被加工物を処理することによって、特定の優れた処理結果が得られる。
【０１０２】
図４は、中性ビーム測定のための熱センサを用いる、本発明の実施形態による中性ビーム処理装置４００の概略図である。熱センサ４０２は、低伝熱性アタッチメント４０４を介して、旋回軸４１２に取り付けられた回転支持アーム４１０に取り付けられる。アクチュエータ４０８は、中性ビーム３１４またはＧＣＩＢ１２８を捕捉する位置と、熱センサ４０２が任意のビームを捕捉しない４１４で示す停止位置との間で、可逆性回転運動４１６を介して熱センサ４０２を移動させる。熱センサ４０２が（４１４で示す）停止位置にある場合、ＧＣＩＢ１２８または中性ビーム３１４は、被加工物１６０および／または被加工物ホルダ１６２の照射用の経路４０６に沿ったままである。熱センサコントローラ４２０は、熱センサ４０２の位置決めを制御し、かつ熱センサ４０２によって生成された信号の処理を実行する。熱センサ４０２は、電気ケーブル４１８を介して熱センサコントローラ４２０に連通する。熱センサコントローラ４２０は、電気ケーブル４２８を介して線量測定コントローラ４３２に連通する。ビーム電流測定装置４２４は、ＧＣＩＢ１２８が被加工物１６０および／または被加工物ホルダ１６２に衝突した場合に、導線１６８を流れるビーム電流ＩＢを測定する。ビーム電流測定装置４２４は、電気ケーブル４２６を介してビーム電流測定信号を線量測定コントローラ４３２に伝達する。線量測定コントローラ４３２は、リンク機構４３４を介して送信される制御信号によってビームゲート１７２の開閉状態の設定を制御する。線量測定コントローラ４３２は、電気ケーブル４４２を介して偏向板電源４４０を制御し、ゼロ電圧と、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６を偏向板３０４に完全に偏向させるのに適切な正電圧との間の偏向電圧ＶＤを制御することができる。ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６が偏向板３０４に衝突すると、結果として生じた電流ＩＤが電流センサ４２２によって測定され、電気ケーブル４３０を介して線量測定コントローラ４３２に伝達される。動作中、線量測定コントローラ４３２は、熱センサ４０２を停止位置４１４に設定し、ビームゲート１７２を開放し、フルＧＣＩＢ１２８が被加工物ホルダ１６２および／または被加工物１６０に衝突するようにＶＤをゼロに設定する。線量測定コントローラ４３２は、ビーム電流測定装置４２４から伝達されたビーム電流ＩＢを記録する。次いで、線量測定コントローラ４３２は、熱センサコントローラ４２０を介して中継される命令によって、ＧＣＩＢ１２８を捕捉するように熱センサ４０２を停止位置４１４から移動させる。熱センサコントローラ４２０は、センサの熱容量と、温度が所定の測定温度（例えば、７０℃）を超えて上昇したときの熱センサ４０２の測定された温度上昇率とに基づいて算出することによってＧＣＩＢ１２８のビームエネルギー束を測定し、算出されたビームエネルギー束を線量測定コントローラ４３２に伝達し、次いで、熱センサ４０２によって測定されたビームエネルギー束およびビーム電流測定装置４２４によって測定された対応するビーム電流の較正を計算する。次いで、線量測定コントローラ４３２は、熱センサ４０２を停止位置４１４に停止させ、冷却し、かつＧＣＩＢ１２８のイオン化部分による電流ＩＤの全てが偏向板３０４に伝達されるまで、正ＶＤを偏向板３０２に印加するように命令する。電流センサ４２２は対応するＩＤを測定し、この対応するＩＤを線量測定コントローラ４３２に伝達する。また、線量測定コントローラは、熱センサ４０２を停止位置４１４から移動させて、熱センサコントローラ４２０を介して中継される命令によって中性ビーム３１４を捕捉する。熱センサコントローラ４２０は、予め決定された較正係数と、その温度が所定の測定温度を超えて上昇したときの熱センサ４０２の温度上昇率とを用いて、中性ビーム３１４のビームエネルギー束を測定し、中性ビームエネルギー束を線量測定コントローラ４３２に伝達する。線量測定コントローラ４３２は、中性ビーム３１４のエネルギー束の熱測定値と、センサ４０２でのフルＧＣＩＢ１２８のエネルギー束の熱測定値との比である中性ビーム部分を算出する。一般的な動作の下では、約５％〜約９５％の中性ビーム部分が達成される。処理を開始する前に、線量測定コントローラ４３２はまた、電流ＩＤを測定し、ＩＢおよびＩＤの初期値間の電流比を決定する。処理中、初期ＩＢ／ＩＤ比を掛けた同時ＩＤ測定値は、ＩＢの連続測定のプロキシとして用いられ、線量測定コントローラ４３２による処理の制御中に線量測定に利用されてもよい。したがって、線量測定コントローラ４３２は、フルＧＣＩＢ１２８の実際のビーム電流測定値が利用可能であるかのように、被加工物処理中の任意のビーム変動を補償することができる。線量測定コントローラは、特定のビーム処理のための所望の処理時間を計算するために中性ビーム部分を用いる。処理中に、処理中のビーム変動の補正のためにＩＤの較正測定値に基づいて処理時間を調整することができる。
【０１０３】
図５は、抑制された偏向板上に回収された偏向イオンビーム電流を線量測定方式の構成要素として用いる、本発明の実施形態による中性ビーム処理装置５００の概略図である。図４を簡単に参照すると、図４に示す線量測定方式は、電流ＩＤが、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６に起因する電流、および、ビームのイオン化部分３１６が偏向板３０４に衝突するときに放出される二次電子の放出により生じる二次電子の電流を含むという事実に見舞われる可能性がある。二次電子収率は、イオン化部分３１６におけるクラスタイオンのサイズ分布に応じて変化する可能性がある。また、偏向板３０４の衝突面の表面状態（清浄度等）によっても変化する可能性がある。したがって、図４に記載された方式では、ＩＤの大きさは、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６に起因する電流を正確に表していない。再び図５を参照すると、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６の改善された測定は、イオン化部分３１６を受け止める偏向板３０４の表面に近位の電子サプレッサグリッド電極５０２を追加することによって偏向板３０４において実現することができる。電子サプレッサグリッド電極５０２は、イオン化部分３１６に対して透明性が高いが、第２のサプレッサ電源５０６によって供給される第２のサプレッサ電圧ＶＳ２によって偏向板３０４に対して負にバイアスされる。二次電子の効果的な抑制は、一般的には数十ボルト程度のＶＳ２によって達成される。二次電子の放出を抑制することによって、偏向板電源４４０の電流負荷が低減され、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６における電流のＩＤ表示の精度が高められる。電子サプレッサグリッド５０２は、絶縁支持体５０４によって偏向板３０４から絶縁され、偏向板３０４に近接して維持される。
【０１０４】
図６は、ファラデーカップ内に回収された偏向イオンビーム電流のサンプルを線量測定方式の構成要素として用いる、本発明の実施形態による中性ビーム処理装置５５０の概略図である。本発明のこの実施形態では、（図５に示す）イオン化部分３１６のサンプル５５６がファラデーカップ５５８に捕捉される。ファラデーカップ５５８に回収されたサンプル電流ＩＳは、測定のために導線５６０を介して電流センサ５６２に導かれ、測定値は電気ケーブル５６４を介して線量測定コントローラ５６６に伝達される。ファラデーカップ５５８は、（図５に示す）偏向板３０４によって回収された電流ＩＤを測定することにより得られる電流測定値よりも優れた電流測定値を提供する。電流センサ５６２は、電流センサ５６２がＩＤに比べてより小さいＩＳの大きさに対応するように感度を上げることを除いて、（図５に示す）電流センサ４２２について実質的に前述したように動作する。線量測定コントローラ５６６は、（図５のＩＤと比較して）より小さい電流測定値ＩＳに対応するように設計されることを除いて、（図５に示す）線量測定コントローラ４３２について実質的に前述したように動作する。
【０１０５】
図７は、機械的スキャナ６０２を用いて中性ビーム３１４を介して空間的に拡張された被加工物１６０を走査し、大きな被加工物の均一な中性ビーム走査を容易にする、本発明の実施形態による中性ビーム処理装置６００の概略図である。磁気技術または静電技術によって中性ビーム３１４を走査することができないので、処理対象の被加工物１６０が中性ビーム３１４の範囲よりも空間的に大きく、かつ被加工物１６０の均一な処理が必要とされる場合には、機械的スキャナ６０２を利用して中性ビーム３１４を介して被加工物１６０を走査する。機械的スキャナ６０２は、被加工物１６０を保持するための被加工物ホルダ６１６を有する。機械的スキャナ６０２は、中性ビーム３１４またはＧＣＩＢ１２８のいずれかが被加工物１６０および／または被加工物ホルダ６１６に入射することができるように配置されている。偏向板（３０２，３０４）が、ＧＣＩＢ１２８から外れるようにイオン化部分３１６を偏向させる場合、被加工物１６０および／または被加工物ホルダ６１６は中性ビーム３１４のみを受け取る。偏向板（３０２，３０４）がＧＣＩＢ１２８のイオン化部分３１６を偏向させない場合、被加工物１６０および／または被加工物ホルダ６１６は、フルＧＣＩＢ１２８を受け取る。被加工物ホルダ６１６は、導電性であり、絶縁体６１４によって地面から絶縁されている。被加工物１６０および／または被加工物ホルダ６１６に入射するＧＣＩＢ１２８に起因するビーム電流（ＩＢ）は、導線１６８を介してビーム電流測定装置４２４に導かれる。ビーム電流測定装置４２４はＩＢを測定し、かつこの測定値を線量測定コントローラ６２８に伝達する。機械的スキャナ６０２は、機械的走査コントローラ６１８によって電気ケーブル６２０を介して制御されるアクチュエータを含むアクチュエータベース６０４を有する。機械的スキャナ６０２は、図７の平面の内外に示されるように、Ｙ方向６１０に可逆性運動が可能なＹ変位テーブル６０６を有し、Ｘ方向６１２に可逆性運動が可能なＸ変位テーブル６０８を有する。Ｙ変位テーブル６０６およびＸ変位テーブル６０８の動きは、機械的走査コントローラ６１８の制御下でアクチュエータベース６０４内のアクチュエータによって作動される。機械的走査コントローラ６１８は、電気ケーブル６２２を介して線量測定コントローラ６２８に連通する。線量測定コントローラ６２８の機能は、機械的走査コントローラ６１８との連絡を介して機械的スキャナ６０２を制御する追加の機能と共に、線量測定コントローラ４３２について先述した全ての機能を含む。測定された中性ビームエネルギー束率に基づいて、線量測定コントローラ６２８は、被加工物１６０の処理中に被加工物１６０を整数回完全に走査させるためのＹ走査速度およびＸ走査速度を算出して機械的走査コントローラ６１８に伝達し、被加工物の完全で均一な処理を保証し、かつ被加工物１６０への所定のエネルギー束の線量を保証する。中性ビームの使用および中性ビームエネルギー束率測定の使用を除いて、このような走査制御アルゴリズムは従来のものであり、例えば従来のＧＣＩＢ処理具およびイオン注入具に一般に利用されている。中性ビーム処理装置６００は、ＧＣＩＢ１２８が偏向することなく通過するように偏向板（３０２，３０４）を制御することにより従来のＧＣＩＢ処理具として用いることができ、フルＧＣＩＢ１２８が被加工物１６０および／または被加工物ホルダ６１６を照射することを可能にする。
【０１０６】
図８は、ビームラインチャンバ１０７内のガス圧力を能動的に設定し制御する、本発明の実施形態による中性ビーム処理装置７００の概略図である。圧力センサ３３０は、圧力測定データをビームラインチャンバ１０７から電気ケーブル３３２を介して圧力コントローラ７１６に送信し、圧力コントローラ７１６はビームラインチャンバ内の圧力を測定して表示する。ビームラインチャンバ１０７内の圧力は、ビームラインチャンバ１０７へのガス流および真空ポンプ１４６ｂのポンピング速度のバランスに依存する。ガス容器７０２は、好ましくはソースガス１１２と同じガス種であるビームラインガス７０４を含む。ガス容器７０２は、ビームラインチャンバ１０７内のガス拡散器７１０を介してビームラインガス７０４をビームラインチャンバ１０７に漏出させるための、遠隔操作可能なリーク弁７０６およびガス供給管７０８を有する。圧力コントローラ７１６は、（手動入力によって、またはシステムコントローラ（図示せず）からの自動入力によって）圧力設定点、（所定のビーム経路長に基づく）圧力とビーム経路長との積の設定点、またはガスターゲットの厚さの設定点の形態の入力設定点を受け取ることができる。圧力コントローラ７１６の設定点が確立されると、ビームラインチャンバ１０７へのビームラインガス７０４の流れが調整され、中性ビーム処理装置の動作中の設定点が維持される。このようなビームライン圧力調整システムが利用される場合、真空ポンプ１４６ｂは通常、ビームラインガス７０４がビームラインチャンバ１０７に導入されていない場合に、ビームラインチャンバ１０７のベースライン圧力が所望の動作圧力よりも低くなるような大きさである。従来のＧＣＩＢ１２８が過剰に解離することなくビーム経路長さを伝搬できるようにベースライン圧力が選択された場合、中性ビーム処理装置７００は従来のＧＣＩＢ処理具としても用いることができる。
【０１０７】
図９は、荷電中性ビーム部分を分離するために静電ミラーを利用する本発明の実施形態による中性ビーム処理装置８００の概略図である。反射電極８０２および略透明の電気グリッド電極８０４は、互いに対して平行に、かつビーム軸１５４に対して４５度の角度で互いにずれて配置される。反射電極８０２および略透明の電気グリッド電極８０４はいずれも、中性ビーム３１４が２つの電極を通過することを可能にするビーム軸１５４を中心とした穴（それぞれ８３６および８３８）を有する。ミラー電源８１０は、反射電極８０２と略透明な電気グリッド電極８０４とのギャップにわたって、導線８０６および８０８を介して図９に示す極性でミラー電位ＶＭを提供する。ＶＭは、ＶＡｃｃ＋ＶＲよりわずかに大きくなるように選択される（ＶＲは、ガスクラスタジェットがイオン化し、かつ加速する前の熱エネルギーを克服するために必要なリターディング電位であり、ＶＲは通常、数ｋＶ程度である）。反射電極８０２と略透明な電気グリッド電極８０４との間に生成される電場は、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分８１４を軸１５４に対して約９０度の角度で偏向させる。ファラデーカップ８１２は、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分８１４を回収するように配置される。サプレッサ電極のグリッド電極８１６は、ファラデーカップ８１２からの二次電子の漏出を防止する。サプレッサグリッド電極８１６は、第３のサプレッサ電源８２２によって供給される第３の負のサプレッサ電圧ＶＳ３でバイアスされる。ＶＳ３は、一般的に数十ボルト程度である。ＧＣＩＢ１２８の偏向されたイオン化部分８１４内の電流（したがって、ＧＣＩＢ１２８内の電流）を表すファラデーカップ電流ＩＤ２は、導線８２０を通って電流センサ８２４に流れる。電流センサ８２４は電流ＩＤ２を測定し、かつ導線８２６を介してその測定値を線量測定コントローラ８３０に伝達する。線量測定コントローラ８３０の機能は、線量測定コントローラ８３０がＩＤ２電流測定情報を電流センサ８２４から受け取り、かつ線量測定コントローラ８３０は偏向板電源４４０を制御しないが電気ケーブル８４０を介してミラー電源８１０を制御することを除いて、線量測定コントローラ４３２について上述した通りである。ゼロ電圧またはＶＭのいずれかを出力するようにミラー電源８１０を設定することによって、線量測定コントローラ８３０は、フルＧＣＩＢ１２８、またはＧＣＩＢ１２８の中性ビーム３１４のみが測定および／または処理のために被加工物１６０および／または被加工物ホルダ６１６に伝達されるかどうかを制御する。
【０１０８】
図１０は、本発明の実施形態による中性ビーム処理装置９４０の概略図であり、この装置は、イオン化装置１２２および被加工物１６０の両方が接地電位で動作するという利点を有する。被加工物１６０は、導電性被加工物ホルダ１６２によって中性ビーム３１４の経路に保持され、導電性被加工物ホルダ１６２は、低圧容器１０２の壁に取り付けられた導電性支持部材９５４によって支持されている。したがって、被加工物ホルダ１６２および被加工物１６０は電気的に接地される。加速電極９４８は、ガスクラスタイオンをイオン化装置の出口開口部１２６から抽出し、かつ、加速電源９４４によって供給される電圧の電位ＶＡｃｃを介してガスクラスタイオンを加速してＧＣＩＢ１２８を形成する。イオン化装置１２２の本体は接地され、ＶＡｃｃは負極性である。ガスジェット１１８中の中性ガス原子は、数十ミリオン電子ボルト程度の小さなエネルギーを有する。中性ガス原子がクラスタ状に凝縮すると、このエネルギーはクラスタのサイズＮに比例して蓄積する。十分に大きなクラスタは、凝縮処理から無視できないエネルギーを得て、電圧の電位ＶＡｃｃで加速されると、各イオンの最終エネルギーは、その中性クラスタジェットのエネルギーによってＶＡｃｃを超える。加速電極９４８の下流では、リターディング電極９５２を利用してＧＣＩＢ１２８のイオン化部分９５８を確実に減速する。リターディング電極９５２は、リターディング電圧電源９４２によって正のリターディング電圧ＶＲでバイアスされる。ＧＣＩＢ１２８内の全てのイオンを確実に減速して加速電極９４８に戻すには、数ｋＶのリターディング電圧ＶＲが一般に適切である。永久磁石列９５０は加速電極９４８に取り付けられて、別の態様では戻されたイオンが加速電極９４８に衝突した結果として放出される二次電子を磁気的に抑制する。ビームゲート１７２は機械的ビームゲートであり、被加工物１６０の上流に位置する。線量測定コントローラ９４６は、被加工物が受け取った処理線量を制御する。熱センサ４０２は、中性ビームエネルギー束測定のために中性ビーム３１４を捕捉する位置に配置されるか、または熱センサコントローラ４２０の制御下での被加工物の中性ビーム処理のために停止位置に配置される。熱センサ４０２がビーム検知位置にある場合、中性ビームエネルギー束が測定され、かつ電気ケーブル９５６を介して線量測定コントローラ９４６に伝達される。通常の使用では、線量測定コントローラ９４６はビームゲート１７２を閉鎖し、かつ熱センサコントローラ４２０に中性ビーム３１４のエネルギー束を測定して報告するように命令する。次に、従来の被加工物装填機構（図示せず）は、被加工物ホルダに新たな被加工物を配置する。測定された中性ビームエネルギー束に基づいて、線量測定コントローラ９４６は、所定の所望の中性ビームエネルギー線量を供給するための照射時間を算出する。線量測定コントローラ９４６は、熱センサ４０２に中性ビーム３１４から外れるように命令し、ビームゲート１７２を算出された照射時間中開放し、算出された照射時間の終了時にビームゲート１７２を閉鎖し、被加工物１６０の処理を終了する。
【０１０９】
図１１は、本発明の実施形態による中性ビーム処理装置９６０の概略図であり、イオン化装置１２２は負電位ＶＲで動作し、被加工物は接地電位で動作する。加速電極９４８は、ガスクラスタイオンをイオン化装置の出口開口部１２６から抽出し、かつ、加速電源９４４によって供給されるＶＡｃｃの電位に向けてガスクラスタイオンを加速してＧＣＩＢ１２８を形成する。得られたＧＣＩＢ１２８は、電位ＶＡｃｃ−ＶＲによって加速される。接地電極９６２は、ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分９５８を減速し、かつ加速電極９４８に戻す。
【０１１０】
図１４は、本発明の実施形態による中性ビーム処理装置９８０の概略図である。この実施形態は、中性ビーム成分からの荷電ビーム成分の分離が、静電場よりもむしろ磁場によって行われることを除いて、図８に示される実施形態と同様である。再び図１４を参照すると、磁気分析装置９８２は、磁場Ｂが存在するギャップによって分離された磁極面を有する。支持体９８４は、ＧＣＩＢ１２８が磁気分析装置９８２のギャップに進入し、Ｂ場のベクトルがＧＣＩＢ１２８の軸１５４を横切るように、磁気分析装置９８２をＧＣＩＢ１２８に対して配置する。ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分９９０は、磁気分析装置９８２によって偏向される。中性ビーム開口部９８８を有するバッフル９８６は、中性ビーム３１４が中性ビーム開口部９８８を通過して被加工物１６０に移動することができるように、軸１５４に対して配置される。ＧＣＩＢ１２８のイオン化部分９９０は、バッフル９８６および／または低圧容器１０２の壁に衝突し、ここで、真空ポンプ１４６ｂによって圧送されるガスに解離する。
【０１１１】
図１２Ａ〜図１２Ｄは、金薄膜上のフルビームと電荷分離されたビームとの比較効果を示す。実験装置では、シリコン基板上に堆積した金膜を、フルＧＣＩＢ（荷電成分および中性成分）、（荷電成分をビームから外れるように偏向させた）中性ビーム、および荷電成分のみを含む偏向ビームによって処理した。３つの条件は全て、３０ｋＶの加速Ａｒ  ＧＣＩＢと同じ初期ＧＣＩＢから派生する。加速後のビーム経路のガスターゲット厚は、約２×１０１４／ｃｍ２のアルゴンガス原子であった。３つのビームの各々については、１ｃｍ２当たり２×１０１５のガスクラスタイオンのイオン線量で（荷電性プラス中性の）フルビームが持つ総エネルギーに一致させて暴露した。熱センサを用いて各ビームのエネルギー束率を測定し、各サンプルがフル（荷電性プラス中性の）ＧＣＩＢ線量と同等の合計熱エネルギー線量を確実に受け取るように処理時間を調整した。
【０１１２】
図１２Ａは、５ミクロン×５ミクロン走査の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を示し、約２．２２ｎｍの平均粗さＲａを有する堆積したままの金膜サンプルの統計分析を示している。図１２Ｂは、フルＧＣＩＢで処理された金表面のＡＦＭ走査を示しており、平均粗さＲａは約１．７６ｎｍに低減されている。図１２Ｃは、（中性ビーム成分からの偏向後の）ビームの荷電成分のみを用いて処理された表面のＡＦＭ走査を示しており、平均粗さＲａは約３．５１ｎｍに増加している。図１２Ｄは、（荷電成分が中性ビームから外れるように偏向された後の）ビームの中性成分のみを用いて処理された表面のＡＦＭ走査を示しており、平均粗さＲａは約１．５６ｎｍに平滑化されている。フルＧＣＩＢ処理されたサンプル（Ｂ）は堆積膜（Ａ）よりも滑らかである。中性ビーム処理されたサンプル（Ｄ）は、フルＧＣＩＢ処理されたサンプル（Ｂ）よりも滑らかである。ビームの荷電成分で処理されたサンプル（Ｃ）は、堆積されたままの膜よりも実質的に粗い。この結果は、ビームの中性部分が平滑化に寄与し、ビームの荷電成分が粗面化の一因となるという結論を裏付けている。
【０１１３】
図１３Ａおよび図１３Ｂは、薬剤溶出冠動脈ステントの薬剤溶出率を評価するために用いられるコバルト−クロム試験片上に堆積した薬剤膜のフルＧＣＩＢおよび中性ビームの処理の比較結果を示す。図１３Ａは、１ｃｍ２あたり２×１０１５のガスクラスタイオンの照射線量で３０ｋＶのＶＡｃｃを用いて加速された（荷電成分および中性成分を含む）アルゴンＧＣＩＢを用いて照射されたサンプルを表す。図１３Ｂは、３０ｋＶのＶＡｃｃを用いて加速されたアルゴンＧＣＩＢから得られた中性ビームを用いて照射されたサンプルを表す。中性ビームには、（ビーム熱エネルギー束センサによって決定される熱エネルギー線量と同等の）３０ｋＶで加速された１ｃｍ２あたり２×１０１５のガスクラスタイオンと同等の熱エネルギー線量で照射された。ビーム透過を可能にするために直径約５０ミクロンの円形開口列を有するコバルトクロム近接マスクを介して、両方のサンプルに対する照射を行った。図１３Ａは、フルビームでマスクを通して照射されたサンプルの３００ミクロン×３００ミクロン領域の走査型電子顕微鏡写真である。図１３Ｂは、中性ビームでマスクを通して照射されたサンプルの３００ミクロン×３００ミクロン領域の走査型電子顕微鏡写真である。図１３Ａに示すサンプルは、マスクを通過した場合のフルビームによって引き起こされる損傷およびエッチングを示す。図１３Ｂに示すサンプルには、視覚効果は見られない。生理食塩水中の溶出速度試験では、図Ｂのサンプルのように処理されたサンプル（ただし、マスクなし）は、図１３Ａのサンプルのように処理されたサンプル（ただし、マスクなし）と比較して優れた（遅延した）溶出率を示した。この結果は、中性ビームによる処理が所望の遅延溶出効果に寄与する一方で、フルＧＣＩＢ（荷電成分プラス中性成分）による処理がエッチングによる薬剤の重量損失の一因となり、溶出速度作用が劣る（遅れが少ない）という結論を裏付けている。
【０１１４】
加速ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームが表面への薬剤の沈着を助け、薬剤溶出を遅らせるように薬剤を改質させる能力をさらに説明するために、追加の試験を行った。薬剤沈着基板として用いるために、約１ｃｍ×１ｃｍ（１ｃｍ２）のシリコン試験片を高研磨清浄半導体品質のシリコンウエハから作成した。ラパマイシン５００ｍｇをアセトン２０ｍｌに溶解することによって薬剤ラパマイシン（カタログ番号Ｒ−５０００、ＬＣ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ、マサチューセッツ州ウォバーン０１８０１、米国）の溶液を生成した。次いで、ピペットを用いて、薬剤溶液の約５マイクロリットルの液滴を各試験片上に分注した。溶液の大気中蒸発および真空乾燥の後、シリコン試験片の各々に直径約５ｍｍの円形ラパマイシン沈着物が残った。試験片をグループに分け、未照射（対照）のまま残すか、または中性ビーム照射の様々な条件で照射した。次いで、グループをヒト血漿の個々の槽（試験片毎の槽）に４．５時間配置して、血漿中に薬剤を溶出させた。４．５時間後、試験片をプラズマ槽から取り出し、脱イオン水ですすいで真空乾燥させた。重量測定は工程中、以下の段階で行われた。１）堆積前の清浄なシリコン試験片の重量。２）堆積および乾燥後の試験片プラス堆積薬剤の重量。３）照射後の重量。４）血漿溶出および真空乾燥後の重量。したがって、各試験片について以下の情報が利用可能である。１）各試験片にかかる堆積薬剤負荷の初期重量。２）各試験片の照射中に失われた薬剤の重量。３）各試験片の血漿溶出中に失われた薬剤の重量。照射された各試験片について、照射中の薬剤損失は無視できる程度であったことが確認された。ヒト血漿における溶出の間の薬剤損失を表１に示す。グループは以下の通りであった。対照グループでは照射を行わなかった。グループ１では、３０ｋＶのＶＡｃｃで加速されたＧＣＩＢから得られた中性ビームを照射した。グループ１の照射ビームエネルギー線量は、３０ｋＶで加速された１ｃｍ２当たり５×１０１４のガスクラスタイオンの線量（ビーム熱エネルギー束センサによって決定されるエネルギー等量）と同等であり、グループ２では、３０ｋＶのＶＡｃｃで加速されたＧＣＩＢから得られた中性ビームを照射した。グループ２の照射ビームエネルギー線量は、３０ｋＶで加速された１ｃｍ２当たり１×１０１４のガスクラスタイオンの線量（ビーム熱エネルギー束センサによって決定されるエネルギー等量）と同等であり、グループ３では、２５ｋＶのＶＡｃｃで加速されたＧＣＩＢから得られた中性ビームを照射した。グループ３の照射ビームエネルギー線量は、２５ｋＶで加速された１ｃｍ２当たり５×１０１４のガスクラスタイオンの線量（ビーム熱エネルギー束センサによって決定されるエネルギー等量）と同等であった。
【０１１５】
【表１】
2018533214.tif 000003
【０１１６】
表１は、中性ビーム照射（グループ１〜３）の各ケースについて、ヒト血漿への４．５時間の溶出中に失われた薬剤が、未照射対照グループの場合よりもずっと少なかったことを示している。これは、中性ビーム照射により、未照射薬剤と比較して薬剤が良好に付着し、および／または溶出速度が低下することを示す。ｐ値（異種不対Ｔ検定）は、対照グループに対する中性ビーム照射グループ１〜３の各々について、ヒト血漿に溶出した後の薬剤保持の差が統計的に有意であったことを示している。
【０１１７】
図１５Ａから図１５Ｃは、半導体用途に一般的に利用することができるような、単結晶シリコンウエハ上のフルビーム（荷電成分プラス非荷電成分）と電荷分離されたビームとの比較効果を示している。シリコン基板は、約１．３ｎｍの初期自然酸化膜層を有していた。別の例では、フルＧＣＩＢ（荷電成分および中性成分）、ＧＣＩＢから得られた中性ビーム（偏向によりビームから除去された荷電成分）、および中性成分から分離した後のＧＣＩＢの荷電成分のみを含む荷電クラスタビームを用いて、シリコン基板を処理した。３つの条件は全て、９８％Ａｒと２％Ｏ２との混合物から形成された３０ｋＶの加速ＧＣＩＢと同じ初期ＧＣＩＢ条件から派生する。３つのビームの各々について、照射線量は、１ｃｍ２当たり２×１０１５のガスクラスタイオンのイオン線量で（荷電性プラス中性の）フルビームが持つ総エネルギーに一致させた。熱センサを用いて各ビームのエネルギー束率を測定し、各サンプルがフル（荷電性プラス中性の）ＧＣＩＢと同等の合計熱エネルギー線量を確実に受け取るように処理時間を調整した。３つのサンプルを、セクショニングし、続いて透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による画像化によって評価した。
【０１１８】
図１５Ａは、フルＧＣＩＢ（荷電ビーム成分および中性ビーム成分）によって照射されたシリコン基板の断面のＴＥＭ画像１０００である。照射は、画像の最上部の方向から画像の底部に向かってシリコン基板に入射した。ＴＥＭ画像化のためのセクショニングに先立って、シリコン基板の最上面（照射面）をエポキシ保護膜でコーティングしてセクショニング動作を容易にし、セクショニング処理中の基板の損傷を回避した。ＴＥＭ画像１０００では、エポキシ保護膜１００６は画像の最上部に見える。この照射により、最小厚さが約４．６ｎｍのシリコンと酸素とを含む非晶質領域１００４が形成された。照射工程の結果として、非晶質領域１００４と下層の単結晶シリコン１００２との間に、ピークピーク偏差が約４．８ｎｍの粗い界面１００８が形成された。
【０１１９】
図１５Ｂは、ＧＣＩＢの分離された荷電成分（荷電部分のみ）によって照射されたシリコン基板の断面のＴＥＭ画像１０２０である。照射は、画像の最上部の方向から画像の底部に向かってシリコン基板に入射した。ＴＥＭ画像化のためのセクショニングに先立って、シリコン基板の最上面（照射面）をエポキシ保護膜でコーティングしてセクショニング動作を容易にし、セクショニング処理中の基板の損傷を回避した。ＴＥＭ画像１０２０では、エポキシ保護膜１０２６は画像の最上部に見える。この照射により、最小厚さが約１０．６ｎｍのシリコンと酸素とを含む非晶質領域１０２４が形成された。照射工程の結果として、非晶質領域１０２４と下層の単結晶シリコン１０２２との間に、ピークピーク偏差が約５．９ｎｍの粗い界面１０２８が形成された。
【０１２０】
図１５Ｃは、中性部分によって照射されたシリコン基板（偏向によって分離され、かつ廃棄された荷電成分）の断面のＴＥＭ画像１０４０である。照射は、画像の最上部の方向から画像の底部に向かってシリコン基板に入射した。ＴＥＭ画像化のためのセクショニングに先立って、シリコン基板の最上面（照射面）をエポキシ保護膜でコーティングしてセクショニング動作を容易にし、セクショニング処理中の基板の損傷を回避した。ＴＥＭ画像１０４０では、エポキシ保護膜１０４６は画像の最上部に見える。この照射により、約３．０ｎｍの略均一な厚さを有するシリコンと酸素とを含む非晶質領域１０４４が形成された。照射工程の結果として、非晶質領域１０４４と下層の単結晶シリコン１０４２との間に、原子スケールでピークピーク偏差を有する滑らかな界面１０４８が形成された。
【０１２１】
図１５Ａ〜図１５Ｃに示す処理の結果は、半導体用途では、電荷分離によって加速ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームを用いることにより、フルＧＣＩＢまたはＧＣＩＢの荷電部分のみと比較して、照射工程後の領域と照射工程前の領域との間に優れた界面をもたらすことを示している。このデータはまた、ＧＣＩＢから得られた中性ビームを用いてシリコン上に滑らかで均一な酸化膜を形成することができ、このような膜には、従来のＧＣＩＢの使用に関連する場合が多い粗い界面がないことを示している。特定の理論に束縛されることを望むものではないが、この改善は、中間サイズのクラスタを除去することよって、またはビームから全てまたは大部分のクラスタを除去することによって得られると考えられる。
【０１２２】
図１６は、本発明の実施形態による中性ビームを用いて予め形成されたシリコン基板内の浅いホウ素注入の二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）による深さプロファイル測定の結果を示すグラフ１０６０である。グラフは、ホウ素原子／ｃｃ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）で測定したボロン濃度１０６２を、ｎｍで測定した深さの関数として描いたものである。図４に示す装置と同様の装置を用いて、Ａｒ９９％とジボラン（Ｂ２Ｈ６）１％との混合物から３０ｋＶの加速ＧＣＩＢを形成した。停滞チャンバ圧力は８０ｐｓｉ（５．５×１０５パスカル）であり、ノズル流量は２００標準ｃｍ３／分（３．３標準ｃｍ３／秒）であった。フルビーム電流（偏向によって分離される前の荷電成分プラス中性成分）は、約０．５５マイクロアンペア（μＡ）であった。ビーム経路内の圧力は、約６．９×１０−５ｔｏｒｒ（９．２×１０−３パスカル）に維持され、その圧力を形成する背景ガスは、本質的にアルゴン／ジボランであった。アクセラレータと被加工物との間の領域のアルゴン／ジボランガスターゲット厚は、約２．２３×１０１４／ｃｍ２のアルゴン／ジボランガスモノマーであり、加速中性ビームは、殆ど完全に解離した中性モノマーから成ることが観察された。静電偏向を用いて、全ての荷電粒子をビーム軸から離れてビームから外れるように偏向し、殆ど完全に解離した中性ビームを形成した。したがって、中性ビームは、加速されたモノマー中性アルゴン／ジボランビームであった。線量測定は、シリコン基板に送達された総中性ビーム線量を較正するために熱センサを用いて行われ、これにより、中性ビームの蓄積エネルギーは、荷電粒子および非荷電粒子の両方を含む加速（３０ｋＶ）ＧＣＩＢ（荷電分離による中性化なし）による６．３×１０１４／ｃｍ２のガスクラスタイオン照射線量によって蓄積するエネルギーと同等となる。図１６に示す深さプロファイルは、ＧＣＩＢから得られた中性ビームを用いることにより生じる中性ビームのホウ素イオン注入が、非常に浅いホウ素注入となることを示している。１０１８個／ｃｍ３のボロン原子の濃度の深さから推定された接合深さは、深さ約１２ｎｍの非常に浅い接合部で生じる。深さ全体のホウ素線量の積分は、約７．９４×１０１４個／ｃｍ２のホウ素原子の面密度を示す。
【０１２３】
図１７は、ＧＣＩＢから得られた中性部分によって照射されたシリコン基板（偏向によって分離され、かつ廃棄された荷電成分）の断面のＴＥＭ画像１１００である。図４に示す装置と同様の装置を用いて、Ａｒ９９％とジボラン（Ｂ２Ｈ６）１％との混合物から３０ｋＶの加速ＧＣＩＢを形成した。停滞チャンバ圧力は８８ｐｓｉ（６．０５×１０５パスカル）であり、ノズル流量は２００標準ｃｍ３／分（３．３標準ｃｍ３／秒）であった。フルビーム電流（偏向によって分離される前の荷電成分および中性成分）は、約０．５５マイクロアンペア（μＡ）であった。ビーム経路内の圧力は、約６．８×１０−５ｔｏｒｒ（９．０７×１０−３パスカル）に維持され、その圧力を形成する背景ガスは、本質的にアルゴン／ジボランであった。したがって、アクセラレータの出口開口部と被加工物との間の領域のアルゴン／ジボランガスターゲット厚は、約２．２×１０１４／ｃｍ２のアルゴン／ジボランガスモノマーであり、加速中性ビームは、本質的に完全に解離した中性モノマーから成ることが観察された。静電偏向を用いて、全ての荷電粒子をビーム軸から離れてビームから外れるように偏向し、本質的に完全に解離した中性ビームを形成した。したがって、中性ビームは、加速されたモノマー中性アルゴン／ジボランビームであった。線量測定は、シリコン基板に送達された総中性ビーム線量を較正するために熱センサを用いて行われ、これにより、中性ビームの蓄積エネルギーは、荷電粒子および非荷電粒子の両方を含む加速（３０ｋＶ）ＧＣＩＢ（荷電分離による中性化なし）による１．８×１０１４／ｃｍ２のガスクラスタイオン照射線量によって蓄積するエネルギーと同等となる。照射は、画像の最上部の方向から画像の底部に向かってシリコン基板に入射した。ＴＥＭ画像化のためのセクショニングに先立って、シリコン基板の最上面（照射面）をエポキシ保護膜でコーティングしてセクショニング動作を容易にし、セクショニング処理中の基板の損傷を回避した。再び図１７を参照すると、ＴＥＭ画像１１００では、エポキシ保護膜１１０６は画像の最上部に見られる。この照射により、約１．９ｎｍの略均一な厚さを有するシリコンとホウ素とを含む非晶質領域１１０４が形成された。照射工程の結果として、非晶質領域１１０４と下層の単結晶シリコン１１０２との間に、原子スケールでピークピーク偏差を有する滑らかな界面１１０８が形成された。ドーパント、歪み誘発種などを導入する半導体材料の先行技術のＧＣＩＢ照射は、図１５Ａに示す界面１００８と同様に、処理された膜と下層の基板との間に粗い界面を形成することが知られている。ジボランを利用して、ドープ膜と下層の基板との間に高品質の界面を含む半導体をホウ素で有効にドープすることができることが示されている。他のドーパントおよび／または格子歪み種、ドーパントの固溶限を高めるための種、または表面非晶質化を促進する種を含む他のガスを使用することにより、中間サイズのクラスタイオンがビーム中に存在する場合に粗い界面が生じることがある従来のＧＣＩＢ技術よりも、膜と基板との間に優れた界面を含む高品質の膜を得ることができる。ドーパントを導入するための単独で、または混合物として利用することができるいくつかのドーパント含有ガスとしては、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、ホスフィン（ＰＨ３）、五フッ化リン（ＰＦ５）、アルシン（ＡｓＨ３）、および五フッ化ヒ素（ＡｓＦ５）などが限定されない例として挙げられるが、これらは、ドーパント原子をガスクラスタに組み込むために利用してもよい。単独で、または混合物として格子歪み種を導入するために利用してもよいいくつかのガスは、ゲルマン（ＧｅＨ４）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ４）、シラン（ＳｉＨ４）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、メタン（ＣＨ４）である。非晶質化を促進するために単独で、または混合物として利用してもよいいくつかのガスは、アルゴン（Ａｒ）、ゲルマン（ＧｅＨ４）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ４）およびフッ素（Ｆ２）であるが、これらに限定されない。ドーパントの溶解度を促進するために単独で、または混合物として利用してもよいいくつかのガスは、ゲルマン（ＧｅＨ４）および四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ４）である。加速中性ビーム処理によって組合せの効果を同時に得るために、ドーパントを含むガス、格子歪み種を含むガス、非晶質化種を含むガス、および／またはドーパントの溶解度を改善するための種を含むガス（および随意には不活性ガスまたは他のガス）を混合物中で利用してもよい。図１７では、数値指定子１１０８をその対象に接続する引き出し線は、異なる背景を有する図の領域上のコントラストを維持するために色を変更している。
【０１２４】
図１８は、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いてシリコン基板上の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜をエッチングし、かつシリコン基板をエッチングした後に得られた深さプロファイル測定グラフ１２００を示す。図４に示す装置と同様の装置を用いて、アルゴンから３０ｋＶの加速ＧＣＩＢを形成した。停滞チャンバ圧力は２８ｐｓｉ（１．９３×１０５パスカル）であり、ノズル流量は２００標準ｃｍ３／分（３．３標準ｃｍ３／秒）であった。フルビーム電流（偏向によって分離される前の荷電成分プラス中性成分）は、約０．５０マイクロアンペア（μＡ）であった。アクセラレータと被加工物との間の領域のアルゴンガスターゲット厚は、約１．４９×１０１４／ｃｍ２のアルゴンガスモノマーであり、加速中性ビームは、殆ど完全に解離した中性モノマーから成ることが観察された。静電偏向を用いて、全ての荷電粒子をビーム軸から離れてビームから外れるように偏向し、中性ビームを形成した。したがって、中性ビームは、殆ど加速された中性アルゴンモノマービームであった。線量測定は、シリコン基板に送達された総中性ビーム線量を較正するために熱センサを用いて行われ、これにより、中性ビームの蓄積エネルギーは、荷電粒子および非荷電粒子の両方を含む加速（３０ｋＶ）ＧＣＩＢ（荷電分離による中性化なし）による２．１６×１０１６／ｃｍ２のガスクラスタイオン照射線量によって蓄積するエネルギーと同等となる。シリコン基板上の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜（約０．５ミクロン［μｍ］厚さ）をポリイミド膜テープの狭い（約０．７ｍｍ幅）ストリップで部分的にマスクし、次いで、加速中性ビームを照射した。照射後、ポリイミドテープを除去した。再び図１８を参照すると、加速中性ビームに起因するエッチングによるステッププロファイルを、（シリコン基板上の）ＳｉＯ２膜の表面に沿った方向においてポリイミド膜テープによってマスクされた領域にわたって測定するために、ＴＥＮＣＯＲ社製Ａｌｐｈａ−Ｓｔｅｐ  ２５０表面形状測定装置を用いて深さプロファイル測定グラフ１２００を生成した。プラトー１２０２は、（膜を除去し洗浄した後の）ポリイミド膜の下のＳｉＯ２膜のエッチングされていない表面を表す一方で、領域１２０４はエッチングされた部分を表している。加速中性ビームは、約２．４ミクロン（μｍ）のエッチング深さを生じさせ、０．５ミクロンのＳｉＯ２膜を貫通して下層の結晶シリコン基板をさらに１．９ミクロンの深さまでエッチングし、深さプロファイル測定グラフ１２００に示す段階を生み出した。アルゴンおよび他の不活性ガスは、物理的手段によってエッチングするためのソースガスとして用いられてもよい。反応性ソースガスを用いるか、または反応性ガスを混合したソースガスを用いることにより、中性ビームを用いた反応性エッチングを行うこともできる。単独で、または不活性ガスとの混合物として用いてもよい一般的な反応ガスは（これらに限定されることなく）、酸素（Ｏ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、フッ素（Ｆ２）、塩素（Ｃｌ２）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、テトラフルオロメタン（ＣＦ４）、および他の凝縮性ハロゲン含有ガスである。
【０１２５】
図１９Ａおよび図１９Ｂは、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを照射することによる、結晶性半導体材料中の非晶質層の生成を示すＴＥＭ画像である。ＴＥＭ画像化のためのセクショニングに先立って、各サンプルの最上面をエポキシ保護膜でコーティングしてセクショニング動作を容易にし、セクショニング処理中の表面の損傷を回避した。ベアシリコンが露出すると、自然酸化物が空気中または水中に自然に形成される。
【０１２６】
図１９Ａは、自然ＳｉＯ２の膜を含むシリコン基板の断面のＴＥＭ画像１２２０である。ＴＥＭ画像１２２０では、エポキシ保護膜１２２６は画像の最上部に見える。薄い（約１．３ｎｍ）自然酸化膜１２２４は、下層のシリコン基板１２２２上に見られる。
【０１２７】
図１９Ｂは、ＧＣＩＢから得られた加速アルゴン中性ビームによってシリコン基板を照射した結果を示すＴＥＭ画像１２４０である。図１９Ａに示すシリコンウエハと同様の自然酸化膜を有するシリコンウエハをフッ化水素酸の１％水溶液で洗浄して自然酸化物を除去した。洗浄されたシリコン基板は、アルゴンから形成された３０ｋＶの加速ＧＣＩＢ（偏向によりビームから除去された荷電成分）から得られた中性ビームを用いて照射された。照射線量を、熱センサを使用することによって１ｃｍ２当たり５×１０１４のガスクラスタイオンのイオン線量で（荷電性プラス中性の）フルビームが持つ総エネルギーと一致させて、中性ビームによって蓄積した総エネルギーを１ｃｍ２当たり５×１０１４のガスクラスタイオンのフルビームの総エネルギーに一致させた。再び図１９Ｂを参照すると、ＴＥＭ画像１２４０は、エポキシ保護膜１２４６と、結晶シリコン基板材料１２４２を覆う、加速中性ビーム照射によって形成されたシリコンの表面内の厚さ２．１ｎｍの非晶質膜１２４４とを示している。照射工程の結果として、非晶質膜１２４４と下層の結晶シリコン材料１２４２との間に、原子スケールでピークピーク偏差を有する滑らかな界面１２４８が形成された。これは、希ガス、アルゴン（Ａｒ）を利用して、結晶性半導体材料中に非晶質層を形成してもよいことを示す。本発明の実施形態の加速中性ビームの形成に利用することによって非晶質層を形成するために用いてもよいいくつかの他のガスには（これらに限定されることなく）、キセノン（Ｘｅ）、ゲルマン（ＧｅＨ４）および四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ４）が含まれる。このようなソースガスは、単独で、またはアルゴンまたは他の希ガスとの混合物として用いてもよい。図１９Ｂでは、数値指定子１２４８をその対象に接続する引き出し線は、異なる背景を有する図の領域上のコントラストを維持するために色を変更している。
【０１２８】
図２０Ａおよび図２０Ｂは、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームの使用によるシリコン上の酸化膜の成長を示すＴＥＭ画像である。ＴＥＭ画像化のためのセクショニングに先立って、各サンプルの最上面をエポキシ保護膜でコーティングしてセクショニング動作を容易にし、セクショニング処理中の表面の損傷を回避した。
【０１２９】
図２０Ａは、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームによってシリコン基板を照射した結果を示すＴＥＭ画像１２６０である。図１９Ａに示すシリコンウエハと同様の自然酸化膜を有するシリコンウエハをフッ化水素酸の１％水溶液で洗浄して自然酸化物を除去した。次いで、洗浄されたベアシリコン基板を、９８％Ａｒと２％Ｏ２とのソースガス混合物から形成された３０ｋＶの加速ＧＣＩＢ（偏向によりビームから除去された荷電成分）から得られた中性ビームを用いて照射した。照射中性ビーム線量は、１ｃｍ２当たり２．４×１０１３のガスクラスタイオンのイオン線量での、３０ｋＶの加速ＧＣＩＢとエネルギー的に同等（ビーム熱エネルギー束センサによって決定されるエネルギー等量）であった。再び図２０Ａを参照すると、ＴＥＭ画像１２６０は、エポキシ保護膜１２６６と、結晶シリコン基板材料１２６２を覆う、加速中性ビーム照射によって形成されたシリコンの表面内の厚さ２ｎｍの酸化膜１２６４とを示している。照射工程の結果として、酸化膜１２６４と下層の結晶シリコン材料１２６２との間に、原子スケールでピークピーク偏差を有する滑らかな界面１２６８が形成された。図２０Ａでは、数値指定子１２６８をその対象に接続する引き出し線は、異なる背景を有する図の領域上のコントラストを維持するために色を変更している。
【０１３０】
図２０Ｂは、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームによってシリコン基板を照射した結果を示すＴＥＭ画像１２８０である。図１９Ａに示すシリコンウエハと同様の自然酸化膜を有するシリコンウエハをフッ化水素酸の１％水溶液で洗浄して自然酸化物を除去した。次いで、洗浄されたベアシリコン基板を、９８％Ａｒと２％Ｏ２とのソースガス混合物から形成された３０ｋＶの加速ＧＣＩＢ（偏向によりビームから除去された荷電成分）から得られた中性ビームを用いて照射した。照射中性ビーム線量は、１ｃｍ２当たり４．７×１０１４のガスクラスタイオンのイオン線量での、３０ｋＶの加速ＧＣＩＢとエネルギー的に同等（ビーム熱エネルギー束センサによって決定されるエネルギー等量）であった。再び図２０Ｂを参照すると、ＴＥＭ画像１２８０は、エポキシ保護膜１２８６と、結晶シリコン基板材料１２８２を覆う、加速中性ビーム照射によって形成されたシリコンの表面内の厚さ３．３ｎｍの酸化膜１２８４とを示している。照射工程の結果として、酸化膜１２８４と下層の結晶シリコン材料１２８２との間に、原子スケールでピークピーク偏差を有する滑らかな界面１２８８が形成された。これは、酸素を含む中性ビームを利用して、半導体材料の表面に酸化物層を形成してもよいことを示す。成長した膜の厚さは、照射線量を変更することによって変化させることができる。加速中性ビームの形成において他の反応種を含むソースガスを用いることにより、他の種類の膜を半導体または他の表面上に成長させることができ、例えば（これらに限定されることなく）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）またはアンモニア（ＮＨ３）などを単独で、またはアルゴン（Ａｒ）または他の希ガスとの混合物として利用してもよい。図２０Ｂでは、数値指定子１２８８をその対象に接続する引き出し線は、異なる背景を有する図の領域上のコントラストを維持するために色を変更している。
【０１３１】
図２１は、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いてシリコン基板上にダイヤモンド状炭素膜を堆積させた後に得られた深さプロファイル測定グラフ１３００を示す。図４に示す装置と同様の装置を用いて、アルゴン９０％とメタン（ＣＨ４）１０％とのソースガス混合物によって３０ｋＶの加速ＧＣＩＢを形成した。加速中性ビームは、ターゲットにおいて殆ど完全に解離した中性モノマーから成ることが観察された。静電偏向を用いて、全ての荷電粒子をビーム軸から離れてビームから外れるように偏向し、中性メタン／アルゴンビームを形成した。したがって、中性ビームは、殆ど加速された中性メタン／アルゴンモノマービームであった。線量測定は、シリコン基板に送達された総中性ビームを較正するために熱センサを用いて行われ、これにより、中性ビームの蓄積エネルギーは、荷電粒子および非荷電粒子の両方を含む加速（３０ｋＶ）ＧＣＩＢ（荷電分離による中性化なし）による１ｃｍ２当たり２．８マイクロアンペアのガスクラスタイオン照射線量によって蓄積するエネルギーと同等となる。シリコン基板をポリイミド膜テープの狭い（約１ｍｍ幅）ストリップで部分的にマスクし、次いで、基板およびマスクに加速中性ビームを３０分間照射し、ダイヤモンド状炭素膜を堆積した。照射後、マスクを除去した。再び図２１を参照すると、加速中性ビームに起因する堆積によるステッププロファイルを、シリコン基板の表面に沿った方向においてポリイミド膜テープによってマスクされた領域にわたって測定するために、ＴＥＮＣＯＲ社製Ａｌｐｈａ−Ｓｔｅｐ  ２５０表面形状測定装置を用いて深さプロファイル測定グラフ１３００を生成した。平坦領域１３０２は、（膜を除去し洗浄した後の）ポリイミド膜の下のシリコン基板の元の表面を表す一方で、領域１３０４は堆積したダイヤモンド状炭素部分を表す。加速中性ビームは、約２．２ミクロン（μｍ）の堆積厚さをもたらし、深さプロファイル測定グラフ１３００に示される段階を生み出した。堆積速度は、ＧＣＩＢ電流のマイクロアンペア／ｃｍ２（この段落で上述した、熱センサによって決定されたエネルギー等量）毎に約０．４５ｎｍ／秒であった。他の試験では、アルゴン中のＣＨ４の５％混合物および７．５％混合物が同様の結果を示したが、ソースガス中のＣＨ４の割合がより低いことから生じる堆積速度はより遅かった。ガス混合物および線量の選択により、所定の厚さの膜の繰り返し可能な堆積が可能になる。ＣＨ４は、単独で、またはアルゴンまたは他の希ガスとの混合物として、加速中性モノマービームを用いて炭素を堆積させるための有効なソースガスである。加速中性モノマービームを用いて膜を堆積するために、単独で、または不活性ガスとの混合物として用いてもよい他の一般的なガスは（これらに限定されることなく）、ゲルマン（ＧｅＨ４）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ４）、シラン（ＳｉＨ４）および四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）である。
【０１３２】
図２２は、例えば光学窓、ディスプレイおよび／またはタッチスクリーン基板、顕微鏡検査用スライドおよびカバースリップ、フィルタなどの用途で一般的に利用されている型のホウケイ酸光学ガラス（Ｃｏｒｎｉｎｇ社のタイプ０２１１）の、従来法で洗浄されかつ研磨されたサンプルの表面の５００ｎｍ×５００ｎｍ領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）評価から得られる一般的なマップ１３２０を示している。表面は、０．２７ｎｍに等しい平均粗さＲＡを有し、数ｎｍ程度の高さを有する多数の凹凸部１３２２を示す。ピークヴァレイの合計偏差は、約４ｎｍ程度またはそれ以上である。
【０１３３】
加速ＧＣＩＢから得られた殆ど完全に解離した中性ビームを用いてこのような表面を処理することにより、相当な平滑化および平坦化がもたらされ、ピーク対ヴァレイの合計偏差が低減される。Ｃｏｒｎｉｎｇ社のタイプ０２１１光学ガラスの従来法で洗浄されかつ研磨されたサンプルを、アルゴンソースガスから形成された３０ｋＶの加速ＧＣＩＢ（偏向によりビームから除去された荷電成分）から得られた中性ビームを用いて照射した。照射中性ビーム線量は、１ｃｍ２当たり１×１０１４のガスクラスタイオンのイオン線量での、３０ｋＶの加速ＧＣＩＢとエネルギー的に同等（ビーム熱エネルギー束センサによって決定されるエネルギー等量）であった。
【０１３４】
図２３は、中性ビーム照射ガラスの表面の５００ｎｍ×５００ｎｍ領域のＡＦＭ評価から得られたマップ１３４０を示す。表面は、未照射材料の粗さの約半分の０．１３ｎｍに等しい平均粗さＲＡを有する。表面には殆ど凹凸がない。ピーク対ヴァレイの合計偏差は約２ｎｍ程度であり、未照射光学面の高低差の合計偏差の約半分である。
【０１３５】
荷電成分を非荷電成分から分離することによって加速ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームの使用は、半導体処理の分野において多くの用途が可能であることが示されており、照射によって形成される層と下層の半導体との間の界面は非常に平滑であり、従来のＧＣＩＢ照射の結果得られた界面よりも優れているという追加の利点を含む。
【０１３６】
ＧＣＩＢまたは中性ビーム処理の恩恵を受ける別の光学用途は、光学膜を光学基板に付着させる課題に関連する。光学素子は、様々な薄膜でコーティングして性能を向上または向上させることによって一般に改善される。このような光学フィルムを、保護コーティング、反射防止コーティング、高反射コーティングとして、または組み合わせて利用して、二色性薄膜光学フィルタを製造してもよい。コーティングは、薄い金属膜（例えば、アルミニウムまたは金）、誘電体膜（例えば、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、または金属酸化物）であってもよく、または、帯電防止特性を高めるための、またはディスプレイまたはタッチセンサ式構造用の電極として役立つ導電膜であってもよい。このような薄膜コーティングは、物理蒸着（ＰＶＤ）技術またはこの目的に適した他の従来技術を用いて堆積されることが多い。一般的な問題は、このような膜が基板または後続の層との強い界面を形成しないことが多く、したがって所望の通り良好に付着しない場合があることである。ＰＶＤおよび他の従来技術によって施されたコーティングは、基板材料との非類似性のために基板材料との強い結合を形成しないことが多いので、問題が生じる。ＧＣＩＢまたは中性ビーム処理を利用して、従来技術によって施されたコーティングよりもはるかに強く付着する光学基板上に（光学素子上または他の光学コーティング上に）薄膜コーティングを生成してもよい。より高い付着性能を達成するために、ＧＣＩＢまたは中性ビームを用いて、最初の種子コーティングを基板と強く一体化された界面層に変換し、次いで、最終コーティングを界面層上の所望の厚さに形成することができる。ＧＣＩＢおよび中性ビームの両方を多くの状況で利用してもよいが、基板またはコーティングのいずれかが誘電材料または低導電性材料である場合、中性ビームは、イオンビーム処理において固有の電荷輸送による損傷を回避する上述の利点を有しているので好ましい。ＧＣＩＢ処理および中性ビーム処理の両方は、従来のモノマーイオンビームで生じることが多い著しいサブサーフェース損傷を伴わずに、コーティングの付着性を高める。
【０１３７】
図２４Ａ〜図２４Ｄは、ＧＣＩＢまたは中性ビーム技術を用いて光学基板上に強く付着した光学コーティングを形成するための本発明の実施形態におけるステップを示す概略図である。図２４Ａは、光学コーティング材料１４０４の超薄膜コーティングを有する光学基板１４０２を示す概略図１４００であり、ＰＶＤなどの従来の技術によって既に付着されている。光学コーティング材料１４０４と光学基板１４０２との間には、（意図する用途には不十分な場合がある）従来の付着性を有する界面１４０６が存在する。基板１４０２および光学コーティング材料１４０４の厚さは、必ずしも縮尺通りに示されていない。ＧＣＩＢおよび中性ビームは、ビームソース材料、用いられるビーム加速電位、およびビーム中に存在する任意のクラスタ（ただし、完全に解離した中性ビームではクラスタは存在しない）のサイズ範囲に依存する侵入特性を有する。解離した中性ビームは、例えば、一般的な光学コーティング材料への約１〜３ｎｍ程度の侵入深さを有してもよい一方で、クラスタを含むＧＣＩＢおよび中性ビームは約２〜２０ｎｍ程度の侵入深さを有してもよい（コーティング材料およびビームパラメータに全て依存する）。本発明のこの実施形態の方法では、光学コーティング材料１４０４の厚さは、実用的なビームの一般的なパラメータが光学コーティング材料１４０４の全厚さに侵入し、さらに、（１〜数ｎｍ程度の）短距離を侵入して光学基板１４０２に達するように選択される。
【０１３８】
図２４Ｂは、ＧＣＩＢまたは中性ビームであるビーム１４１２による光学コーティング材料１４０４の照射を示す概略図１４１０である。ビーム１４１２の特性は、光学コーティング材料１４０４に入射するビーム１４１２中の粒子の少なくとも一部が完全に光学コーティング材料１４０４に侵入することが保証されるように、光学コーティング材料１４０４の厚さと併せて選択される。ビームは、従来の界面１４０６を通過し、約１〜数ｎｍ程度の距離を侵入して光学基板１４０２に達する。照射ＧＣＩＢ線量または中性線線量は、例えば、３０ｋＶの加速ＧＣＩＢなどの少なくとも１ｃｍ２当たり５×１０１３のイオンであり、または中性ビームの場合、少なくとも１ｃｍ２当たり５×１０１３のガスクラスタイオンのイオン線量を有する例えば３０ｋＶの加速ＧＣＩＢとエネルギー的に同等（ビーム熱エネルギー束センサによって決定されるエネルギー等量）である。
【０１３９】
図２４Ｃは、上述の照射から得られる構造を示す概略図１４２０である。ビームと光学コーティング材料１４０４の薄膜との相互作用により、光学コーティング材料１４０４から光学基板１４０２へ原子を運び、混合領域１４２２を形成し、ここで、光学コーティング材料１４０４および光学基板１４０２の原子は緊密に混合され、光学コーティング材料の原子の濃度勾配は、混合領域の上部領域で高くなり、混合領域の下部領域ではゼロに近くなる。混合領域１４２２の上部領域における同様の原子は、光学コーティング材料１４０４の原子との強い結合を促進し、その結果、光学コーティング材料１４０４は、（図４Ａに示す）従来の界面１４０６の場合よりも光学基板にはるかに強く付着する。光学コーティング材料１４０４の厚さは、ビームを侵入させて混合領域１４２２を形成するように必然的に厚さが制限されており、所望の光学コーティング特性を得るにはあまりにも薄くなることがあり、このような場合、所望の光学コーティング特性を得るために、追加の光学コーティング材料を続いて堆積することが必要とされる。
【０１４０】
図２４Ｄは、光学コーティング材料１４０４および光学コーティング材料１４３２の正味の厚さを所望の光学効果に必要な厚さまで増加させるための光学コーティング材料１４３２の追加の堆積層を示す概略図１４３０である。材料１４０４および材料１４３２は、一般に同じ材料であるが、２つの材料が互いに強く付着しているとすれば、異なる材料であってもよい。ある場合には、材料１４０４は、光学基板材料および上部材料１４３２の両方に類似していない場合があるが、材料１４０４を、基板および上部材料の両方と化学的に結合するように選択してもよい一方で、上部材料および光学基板は互いに固有の親和性を有さなくてもよい。２つの材料（材料１４０４および材料１４３２）が同じである場合、原子の類似性により、一般的には２つの層の間で（図２４Ａに示す）従来の界面１４０６よりもはるかに強く付着する。
【０１４１】
ＧＣＩＢまたは中性ビーム処理の恩恵を受けるさらなる用途は、材料の大気劣化の課題に関連する。例えば、光学素子および他の素子には、一般に非常に望ましい光学特性を有するが、通常の大気条件に暴露された場合に分解しやすい特性も有する材料が利用される。これにより、大気暴露を回避することが現実的ではない場合に、これら材料の有用性または有用な耐用年数または有用な保存可能期間が制限される。このような材料は、表面の酸化、大気中水分の吸収、または大気界面における材料の表面の他の反応により劣化する可能性がある。具体的な例は三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）ＬｉＢ３Ｏ５という材料であり、多くの非線形光学（ＮＬＯ）用途に好ましい材料である。ＮＬＯ用途では、ＬＢＯは他の利用可能な材料よりも性能が優れている場合が多いが、吸湿性であり、大気または他の源からの水分の吸収によって劣化するという欠点に見舞われる。これにより、多くの用途において、さらには、限られた大気の保存可能期間によって使用前の材料の劣化を引き起こす他の用途においても、材料の有効寿命が制限される。追加の表面コーティングは、従来、水分バリアを提供することによって吸湿性を低下させるために利用されてきた。しかし、これらは必ずしも必要とされるほど有効ではなく、特に光出力密度が高い用途（例えばレーザ用途）の場合には、コーティングは剥離されるか、別の態様では劣化し、時間の経過とともに有効性が失われる。上述したように、このようなコーティングの付着は、フィルムの付着性を改善するために先に開示されたＧＣＩＢ技術および加速中性ビーム技術を利用することによって改善することができる。しかし、ＧＣＩＢまたは加速中性ビームの照射を利用して、表面反応性および／または水分感受性を低下させる薄いバリアを形成してもよい。照射により形成されたバリアは、必要に応じて、その後に付着される従来のバリアコーティングと組み合わせて用いてもよい。ＧＣＩＢおよび中性ビームの両方を多くの状況で利用してもよいが、処理される材料は誘電材料または低導電性材料のいずれかであり、中性ビームは、イオンビーム処理において固有の電荷輸送による損傷を回避する上述の利点を有しているので好ましい。ＬＢＯ表面は、一般的な周囲の大気条件に直接暴露された場合に急速に劣化する。ＬＢＯ表面の加速中性ビーム照射は、このような劣化を著しく遅延させる。
【０１４２】
図２５Ａおよび図２５Ｂは、大気暴露による劣化を示す未処理ＬＢＯ光学部品の表面の原子間力顕微鏡写真図である。
【０１４３】
図２５Ａは、従来法で空調管理された建物の一般的な周囲の実験室大気に暴露された（１時間未満の）コーティングされていないＬＢＯ光学部品の表面を示す。このマップは、結晶の一般的な１ミクロン×１ミクロンの正方形領域を示している。線形のトラフ状特徴部は、従来法で研磨された表面に残った擦過痕である。吸湿性ＬＢＯ材料の大気暴露による表面劣化の開始を示す、多数の高隆起部が見られる。この表面は、約０．３０ｎｍの平均粗さＲａを示す。
【０１４４】
図２５Ｂは、同じ周囲の実験室大気へ１００時間暴露した後の、ＬＢＯ材料の同じ部分の一般的な１ミクロン×１ミクロンの正方形領域を示している。表面の劣化は実質的に進行し、表面上に成長する隆起の面積および高さの増加に起因して、平均粗さＲａが約３．５８ｎｍに増加したことが分かる。
【０１４５】
図２６Ａおよび図２６Ｂは、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて処理されたＬＢＯ光学部品の表面の原子間力顕微鏡写真図であり、結果として大気暴露による劣化が減少している。
【０１４６】
図２６Ａは、図２５Ａにおいて先に示された、コーティングされていないＬＢＯ光学部品の同じ部分の表面を示す。従来法で空調管理された建物の周囲の実験室大気へ短時間（１時間未満）暴露した後、表面の一部を加速中性ビーム照射で処理した。照射処理に続いて、図２６Ａに示す照射部分の一部の原子間力顕微鏡画像を測定した。このマップは、照射直後の結晶の照射部分の一般的な１ミクロン×１ミクロンの正方形領域を示している。線形のトラフ状擦過痕はもはや見られず、表面は約０．２６ｎｍの平均粗さＲａを示す。３０ｋＶのＶＡｃｃを用いて加速されたアルゴンＧＣＩＢから得られた中性ビームを用いて、表面の照射部分を照射した。中性ビームには、１ｃｍ２当たり５×１０１８のアルゴン原子の中性原子線量を照射した。他の実験では、可能な限り低い１ｃｍ２当たり２．５×１０１７のアルゴン原子の中性原子線量が有効であることが示されている（あるいは、有効ＧＣＩＢ線量には、同様の加速度と、同様の線量のアルゴン原子を供給するクラスタイオンのサイズおよび線量の組合せとが含まれる）。
【０１４７】
図２６Ｂは、同じ周囲の実験室大気へ１００時間連続暴露した後の、ＬＢＯ材料の同じ部分の一般的な１ミクロン×１ミクロンの正方形領域を示している。表面の劣化はほとんど進行しておらず、平均粗さＲａは約０．２９ｎｍである。中性ビームの照射により、吸湿性ＬＢＯ光学材料の機能的に有用な寿命を延ばす、吸湿および場合によっては他の形態の劣化に対するバリアとして機能するように表面が浅く改質された。１００時間の大気暴露の終了時、大気暴露のわずか１時間後には、元の物質と同等またはそれ以上の品質の照射表面が見られた。
【０１４８】
中性ビーム処理の恩恵を受けるさらなる用途は、シリコン基板上にＳｉＣまたはＳｉＣＸ（０．０５＜Ｘ＜３）層を形成することに関し、この形成は、より硬質で、より耐熱性があり、損傷の傾向が少なく、より耐火性があり、化学的特性が改善され、異なる格子定数を有し、後続層の成長の基礎となることができ、後続材料の堆積（格子整合または改善された結合）のための基板としての役割を果たして、シリコン基板上の炭化ケイ素半導体層として役立ち、または別の態様ではシリコン基板を改善するのに役立つ表面を提供することによって行われる。図２７Ａはシリコン基板１５０２を示す略図１５００であり、シリコン基板１５０２は、単結晶シリコン基板であってもよく、半導体製造に用いられるような高純度であってもよい。シリコン基板１５０２の厚さは、必ずしも縮尺通りに示されていない。中性ビームは、ビームソース材料、用いられるビーム加速電位、およびビーム中に存在する任意のクラスタ（ただし、完全に解離した中性ビームではクラスタは存在しない）のサイズ範囲に依存する侵入特性を有する。解離した中性ビームは、例えば、一般的な光学コーティング材料への約１〜３ｎｍ程度の侵入深さを有してもよい一方で、クラスタを含む中性ビームは約２〜２０ｎｍ程度の侵入深さを有してもよい（ターゲット材料およびビームパラメータに依存する）。
【０１４９】
図２７Ｂは、シリコン基板１５０２へのビーム１５１２の照射を示す概略図１５１０であり、ビーム１５１２は、中性ビーム（好ましくは、解離した中性ビーム）である。（加速電位および線量およびソースガスを含む）ビーム１５１２の特性は、ビーム１５１２がシリコン基板１５０２を所定の所望の深さまで侵入して、シリコン原子当たり約０．０５〜約３個の、注入領域内のＣ：Ｓｉ比を形成するのに適切な量の炭素原子を注入するように選択される。炭素含有ソースガス（好ましくはメタン）を用いて、炭素原子をビーム中に供給する。注入により、所望の厚さおよび炭素対シリコン原子の比を有する注入層（非晶質であってもよい）が形成される。照射された中性ビームの線量および加速電位の好ましい範囲は、例えば、ガスクラスタイオンから中性ビームまたは解離した中性ビームが形成される前に、５〜５０ｋＶの加速電位を用いて加速されたガスクラスタイオンから形成された、（中性メタンクラスタおよび／またはモノマーを含むビームについて）１ｃｍ２当たり約１×１０１４〜約５×１０１６個の炭素原子である。
【０１５０】
図２７Ｃは、上述の照射から得られる構造を示す概略図１５２０である。ビームとシリコン基板１５０２の表面との相互作用により、炭素原子および水素原子がシリコン基板１５０２に注入され、注入層１５２２が形成され、ここで、炭素原子およびシリコン基板１５０２が混合される。ビームからの水素原子は揮発性であり、注入層から漏出し、層内に炭素原子およびシリコン原子が残る。注入層は炭素原子によって乱され、炭素対シリコン比が十分に高い場合は非晶質であってもよい。
【０１５１】
図２７Ｄは、熱処理ステップ後の注入層１５２２（図２７Ｃ）に対する熱処理（アニーリング）の効果を示す概略図１５３０である。熱処理は、注入損傷をアニールし、注入された炭素を格子置換部位に移動させるのに十分な温度および時間での（既知の技術による）処理を提供することができる炉加熱装置または放射加熱装置を用いて、好ましくはアルゴン雰囲気または他の不活性雰囲気中で行われる。アニールされた熱処理層１５３２は、実質的に結晶質の形態に回復される。
【０１５２】
中性ビーム処理の恩恵を受けるさらなる用途もまた、シリコン基板上にＳｉＣまたはＳｉＣＸ（０．０５＜Ｘ＜３）層を形成することに関し、レジストレスのリソグラフィの実用的な方法については、シリコン素子の製造過程において適用することができるか、または素子の製造過程においてパターンを転写するためにリソグラフィを利用し、かつ（特に熱収支が制限された微細加工のために）炭化物表面を形成することによって硬化される他の材料および処理とともに適用することができる。図２８Ａ、図２８Ｂ、図２８Ｃ、図２８Ｄ、図２８Ｅ、図２８Ｆおよび図２８Ｇは、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされるフォトレジストを用いることなく基板上にハードマスクパターンを形成する工程のステップを示す概略図である。
【０１５３】
図２８Ａは（例えば）シリコン基板１６０２を示す概略図１６００であり、シリコン基板１６０２は、単結晶シリコン基板であってもよく、半導体製造または他の微細加工に用いられるような高純度であってもよい。シリコン基板１６０２の厚さは、必ずしも縮尺通りに示されていない。接触テンプレート１６０４は、シリコン基板１６０２の上にあり、シリコン基板１６０２と接触している。接触テンプレート１６０４の開口部は、その後に基板１６０２をパターン化処理するために基板１６０２に転写するのが望ましいパターンを有する。
【０１５４】
図２８Ｂは、シリコン基板１６０２へのビーム１６１２の照射を示す概略図１６１０であり、ビーム１６１２は、中性ビーム（好ましくは、解離した中性ビーム）である。（加速電位および線量およびソースガスを含む）ビーム１６１２の特性は、ビーム１６１２が接触テンプレート１６０４の開口部を通過する場合に、シリコン基板１６０２を所定の所望の深さまで侵入して、シリコン原子当たり約０．０５〜約３個（好ましくはシリコン原子当たり約０．５〜１．５個の炭素原子）の、注入領域内のＣ：Ｓｉ比を形成するのに適切な量の炭素原子を注入するように選択される。炭素含有ソースガス（好ましくはメタン）を用いて、炭素原子をビーム中に供給する。注入により、パターン化領域および／またはシリコン基板１６０２上の領域１６１４において所望の厚さおよび炭素対シリコン原子の比を有する注入層（非晶質であってもよい）が形成される。照射された中性ビームの線量および加速電位の範囲は、例えば、ガスクラスタイオンから中性ビームまたは解離した中性ビームが形成される前に、５〜５０ｋＶの加速電位を用いて加速されたガスクラスタイオンから形成された、（中性メタンクラスタおよび／またはモノマーを含むビームについて）１ｃｍ２当たり約１×１０１４〜約５×１０１６個の炭素原子である。炭素含有パターン化領域および／または領域１６１４をシリコン基板１６０２上に形成した後、追加の処理の前に接触テンプレート１６０４を除去する。
【０１５５】
図２８Ｃは、パターンテンプレートの代替構成を示す概略図１６２０である。接触テンプレートではなく投影テンプレート１６２２は、シリコン基板１６０２にビーム１６１２を照射している間、シリコン基板１６０２から離間している。ビーム１６１２中の中性粒子はテンプレート１６２２の開口部を通過し、シリコン基板１６０２を照射して注入領域および／または領域１６１４を形成し、この注入領域および／または領域１６１４では、ビーム１６１２は、シリコン基板１６０２を所定の所望の深さまで侵入する場合に接触テンプレート１６０４の開口部を通過し、これにより、シリコン原子当たり約０．０５〜約３個（好ましくはシリコン原子当たり約０．５〜１．５個の炭素原子）の、注入領域内のＣ：Ｓｉ比を形成するのに適切な量の炭素原子が注入される。炭素含有パターン化領域および／または領域１６１４をシリコン基板１６０２上に形成した後、追加の処理の前に投影テンプレート１６２２を除去する。
【０１５６】
図２８Ｂまたは図２８Ｃに示す炭素含有パターン化領域および／または領域の形成に続いて、この炭素含有パターン化領域および／または領域は、基板のさらなる処理を制御するエッチングマスクとして用いられる。
【０１５７】
図２８Ｄは、上述の図２８Ｂまたは図２８Ｃに示すパターニングから得られる構造のその後の処理を示す概略図１５３０である。第２のビーム、好ましくは中性ビームまたは解離した中性ビーム１６３４は、領域および／または領域１６１４および未照射表面の両方を含む基板の表面をエッチングするために用いられる。領域および／または領域１６１４が硬質および／また高密度であるほど、未照射表面よりもビームエッチングに対して抵抗性があり、未照射表面は、領域および／または領域１６１４よりも優先的に（より急速に）エッチングされる。ビーム１６３４は、好ましくはアルゴンＧＣＩＢから形成されたアルゴン中性ビームまたは解離した中性ビームであり、中性化および分離の前に１０〜７０ｋＶの加速度を有する。このようなビームは、シリコンおよびＳｉＣについて異なるエッチング速度を有し、その比は中性ビームエネルギーおよびＳｉＣの品質に依存して一般的には約１０：１または２０：１である。３０ｋＶの加速の場合、本発明者らは１６：１を測定し、５０ｋＶの加速の場合、本発明者らは約８：１を測定した（Ｓｉ：ＳｉＣＸのエッチング速度比）。図２８Ｄに示すように、ビーム１６３４によるエッチングは、硬質および／または高密度の領域および／または領域１６１４を最小限にエッチングしながら、シリコン基板１６０２にトレンチ１６３２を形成するように制御される。
【０１５８】
図２８Ｅは、図２８Ｄに図示された技術の代替的なエッチング技術を示す概略図１６４０である。図２８Ｅでは、エッチングビーム１６４２は、硬質および／または高密度の領域および／または領域１６１４を完全にエッチング除去し、いずれもきれいな基板１６０２の材料から成る上面を有するプラトー１６４４およびトレンチ１６３２を残すように制御される。アルゴン中性ビームまたは解離した中性ビームを用いるエッチングを記載してきたが、トレンチ１６３２を形成するために、Ｓｉ：ＳｉＣについて好ましいエッチング速度差を有する任意の従来のエッチング方法を用いることができることが理解される。
【０１５９】
図２８Ｆは、トレンチのエッチングに続く酸化物形成のステップを示す概略図１６５０である。従来の（好ましくは低温での）方法を用いて、プラトー１６４４およびトレンチ１６３２を覆い、基板１６０２上に二酸化ケイ素層１６５２を形成する。酸化物１６５２の厚さは、トレンチ１６３２の深さより僅かに厚いことが望ましいが、必須ではない。二酸化ケイ素以外の材料を利用してもよいが、その後の処理のためのハードマスクとして良好に機能する非汚染材料である必要がある。酸化物形成に続いて、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）などの従来の処理を用いて基板表面を平坦化する。
【０１６０】
図２８Ｇは、ＣＭＰ平坦化後の構成を示す概略図１６６０である。ハードマスク領域１６６４は、平坦化された表面構成で露出したシリコン基板１６０２の材料の領域１６６２と交互に配置されている。隆起したシリコン島が望ましいことがあるいくつかの状況、パターン化されたその後の処理のためにシリコンを露出させた最後のステップとなる場合がある。他の処理では、上部シリコン表面がハードマスク領域１６６４の底部と平坦であることが望ましい場合がある。このような場合、追加のエッチングが必要となる。
【０１６１】
図２８Ｈは、追加のエッチングステップに続く構成を示す概略図１６７０である。シリコンを酸化物よりも速くエッチングするのに好ましいエッチング速度差を有する従来のエッチングステップが利用される。例として、例えばＣｌ２またはＣＣｌ２Ｆ５または類似のプラズマ材料によるプラズマエッチングが挙げられる。エッチングの終点をシリコン基板１６０２の上面の平坦化の発生と一致するように制御することにより、ハードマスク１６６４の開口部内のシリコンの表面１６７２は、シリコン基板１６０２の上面と平坦にされ、図示の構成が得られる。
【０１６２】
図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１７、図１９Ａ、および図１９Ｂの議論に関連して本明細書で教示するように、加速中性ビーム（好ましくは、解離したかまたは完全に解離した中性ビーム）を利用して、処理層と未処理層との間の非常に平滑な界面領域を含む浅い表面層を非晶質化させ、および／または酸化させる。処理層は、普通なら未処理材料をエッチングするためにそれほど活性でないかまたは不活性であるエッチング剤を用いて、化学エッチングの影響を受けやすくなるように改質される。したがって、中性ビームによって処理された材料を除去することができるが、中性ビームの侵入深さの下の未処理材料をエッチング停止層として利用して、大幅にアンダーカットしたりせず他の方向性エッチングの影響を受けることなく均一で制御可能な浅いエッチングを可能にする差分エッチング処理が可能になる。アルゴンまたは他の不活性ガスを、加速中性ビームが得られる加速ＧＣＩＢを形成するためのソースガスとして用いてもよい。この処理は、完全にまたは殆ど完全に解離した中性ビーム（ＧＣＩＢから得られた加速中性モノマービーム）が利用される場合に、基板材料の照射領域と未照射領域との間の平滑な界面領域を形成するのに最も有効である。本発明者らは、酸素を中性ビームに取り込むか、または別の態様では中性ビーム照射層内をある程度酸化させて、基板材料の処理部分と未処理部分との間のエッチング速度差が大きくなるように促すことが有益であることを一般に見出した。この技術は、金属、半導体および誘電体基板材料に良好に利用されてきた。
【０１６３】
図２９Ａ、図２９Ｂ、図２９Ｃ、図２９Ｄおよび図２９Ｅは、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされた領域を形成する工程の実施形態におけるステップを示す概略図である。
【０１６４】
図２９Ａは、制御下で浅くエッチングするための基板１７０２の概略図１７００である。銅金属、シリコン（半導体）および窒化シリコン（ＳｉＮ、誘電体）の基板を試験し、同等に良好な結果が得られた。
【０１６５】
図２９Ｂは、マスク１７１４を適用して、超小型電子式または微小機械式エッチング処理で必要とされることが多いパターン化されたエッチングのためのビーム露光を制御する随意のステップ後の基板１７０２を示す概略図１７１０である。マスク１７１４は、例えばフォトレジストまたはハードマスクであってもよい。マスク１７１４によって覆われていない基板１７０２の開口領域１７１３は、中性ビーム照射および他の処理のために暴露される。
【０１６６】
図２９Ｃは、解離した中性ビーム１７２６でマスク１７１４の開口領域１７１３を介して基板１７０２を照射するステップを示す概略図１７２０である。１つの例示的な（限定されない）場合において、中性ビームは、基板１７０２上に約３ｎｍの厚さの改質層１７２８をもたらすように選択された線量で、１０ｋＶの電位で加速された加速ＧＣＩＢから形成された完全に解離した中性モノマービームであった。加速電位、中性ビームを形成するために用いられるＧＣＩＢ用のソースガスの選択、および照射線量は全て、改質層１７２８の深さに影響し、これらのパラメータは、改質層１７２８の所望の厚さを提供するように日常の実験によって容易に選択することができる。一度選択されると、その結果は反復可能である。１〜２０原子％の範囲の酸素をビームに組み込むと、改質層１７２８と基板１７０２との間により大きなエッチング速度差が生じることは、これまでの例でも本発明者に明らかである。この例では、アルゴンに酸素を加えた、酸素が約５原子％の混合物をＧＣＩＢソースガスとして利用した。この照射ステップに続いて、表面が化学的にエッチングされる。例えば、銅、シリコンおよびＳｉＮ基板の場合、フッ化水素酸の１％水溶液が良好に利用され、非改質基板１７０２上で処理が停止するまで改質層１７２８をエッチング除去することができる。他の濃度のフッ化水素酸水溶液およびフッ化水素酸を含む他のエッチング液もまた効果的であることが知られている。本発明者らは、この同じ処理方法を用いて、異なる基板材料に異なる化学エッチング液を利用してもよいことを理解している。
【０１６７】
図２９Ｄは、化学エッチング完了後のエッチングされた基板１７３２を示す概略図１７３０である。エッチングされた基板１７３２には、極めて浅くエッチングされた領域１７３４が形成されている。極めて浅くエッチングされた領域１７３４の深さは、中性ビームの照射深さである３ｎｍである。極めて浅くエッチングされた領域１７３４の上面は極めて平滑であり、約８オングストローム（０．８ｎｍ）の平均粗さＲａを有する。マスクは、エッチングされた基板１７３２の表面から除去されてもよいし、剥離されてもよい。
【０１６８】
図２９Ｅは、マスクを剥離した後にエッチングが終了した基板１７３２を示す概略図１７４０である。
【０１６９】
この（上述の）例では、アルゴンに酸素を加えたソースガスを利用した。アルゴン単独または他の不活性ガスもまたこの処理において有効であることが示されているが、酸素を改質層に組み込むと、一般的には、多くの材料について改質層と非改質基板との間により大きなエッチング速度差をもたらす。
【０１７０】
図３０Ａ、図３０Ｂ、図３０Ｃ、図３０Ｄ、図３０Ｅおよび図３０Ｆは、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされる領域を形成する工程の代替実施形態におけるステップを示す概略図である。この工程は、中性ビーム照射領域の直接酸化を用いる。
【０１７１】
図３０Ａは、制御下で浅くエッチングするための基板１８０２の概略図１８００である。銅金属、シリコン（半導体）および窒化シリコン（ＳｉＮ）の基板を試験し、同等に良好な結果が得られた。
【０１７２】
図３０Ｂは、マスク１８１４を適用して、超小型電子式または微小機械式エッチング処理で必要とされることが多いパターン化されたエッチングのためのビーム露光を制御する随意のステップ後の基板１８０２を示す概略図１８１０である。マスク１８１４は、例えばフォトレジストまたはハードマスクであってもよい。マスク１８１４によって覆われていない基板１８０２の開口領域１８１２は、中性ビーム照射および他の処理のために暴露される。
【０１７３】
図３０Ｃは、解離した中性ビーム１８２６でマスク１８１４の開口領域１８１２を介して基板１８０２を照射するステップを示す概略図１８２０である。１つの例示的な（限定されない）場合において、中性ビームは、基板１８０２上に約３ｎｍの厚さの改質層１８２８をもたらすように選択された線量で、１０ｋＶの電位で加速された加速ＧＣＩＢから形成された完全に解離した中性アルゴンモノマービームであった。加速電位、中性ビームを形成するために用いられるＧＣＩＢ用のソースガスの選択、および照射線量は全て、改質層１８２８の深さに影響し、これらのパラメータは、改質層１８２８の所望の厚さを提供するように日常の実験によって容易に選択することができる。一度選択されると、その結果は反復可能である。改質層１８２８に酸素を組み込むと、改質層１８２８と基板１８０２との間により大きなエッチング速度差が生じることは、これまでの例でも本発明者らに明らかである。
【０１７４】
図３０Ｄは、酸化雰囲気１８３２に照射されたアルゴン中性ビームの露光によって形成された酸化改質層１８３８の形成を示す概略図１８３０である。改質層１８２８は非常に浅いので、酸素含有ガス混合物への暴露によって容易に酸化される。酸化雰囲気は、通常の地球大気であってもよいし、アルゴンなどの不活性ガスと酸素との混合物であってもよい。酸素が５〜５０％の範囲の酸素混合物が有効であることが示されている。照射改質層の地球大気への１０分間の暴露は、所望の程度の酸化をもたらすのに十分である。この酸化ステップに続いて、表面が化学的にエッチングされる。銅、シリコンおよびＳｉＮ基板の場合、フッ化水素酸の１％水溶液が良好に利用され、非改質基板１８０２上で処理が停止するまで、エッチング除去される酸化改質層１８３８をエッチングすることができる。本発明者らは、この同じ処理方法を用いて、異なる基板材料に異なる化学エッチング液を利用してもよいことを理解している。
【０１７５】
図３０Ｅは、化学エッチング完了後のエッチングされた基板１８４２を示す概略図１８４０である。エッチングされた基板１８４２には、極めて浅くエッチングされた領域１８４４が形成されている。極めて浅くエッチングされた領域１８４４の深さは、中性ビームの照射深さである３ｎｍである。極めて浅くエッチングされた領域１８４４の上面は極めて平滑であり、１０オングストローム（１ｎｍ）未満の平均粗さＲａを有する。マスク１８１４は、エッチングされた基板１８４２の表面から除去されてもよいし、剥離されてもよい。
【０１７６】
図３０Ｆは、マスクを剥離した後にエッチングが終了した基板１８４２を示す概略図１８５０である。
【０１７７】
図３１Ａ、図３１Ｂ、図３１Ｃ、図３１Ｄ、図３１Ｅ、および図３１Ｆは、ＧＣＩＢから得られた加速中性ビームを用いて、いくつかのデバイスの高度微細加工に必要とされる材料内に制御下で極めて浅くエッチングされる領域を形成する工程の別の代替実施形態におけるステップを示す概略図である。この工程は、不活性の中性ビームを用いて表面酸素を照射領域に移動させる。
【０１７８】
図３１Ａは、制御下で浅くエッチングするための基板１９０２の概略図１９００である。銅金属、シリコン（半導体）および窒化シリコン（ＳｉＮ）の基板を試験し、同等に良好な結果が得られた。
【０１７９】
図３１Ｂは、マスク１９１２を適用して、超小型電子式または微小機械式エッチング処理で必要とされることが多いパターン化されたエッチングのためのビーム露光を制御する随意のステップ後の基板１９０２を示す概略図１９１０である。マスク１９１２は、例えばフォトレジストまたはハードマスクであってもよい。マスク１９１２によって覆われていない基板１９０２の開口領域１９１４は、中性ビーム照射および他の処理のために暴露される。
【０１８０】
図３１Ｃは、開口領域１９１４の表面上に、および任意にはマスク１９１２上に形成された酸素含有層１９２２の薄膜コーティングの形成を示す概略図１９２０である。酸素含有層１９２２は、開口領域１９１４および任意のマスク１９１２の表面を酸素含有層の有意な分圧を含む大気に暴露することによって形成される酸素含有材料（例えば、限定されるものではないが、Ｏ２、過酸化水素、または水蒸気）のわずか５層未満の単層の層である。このような条件下で、いくつかの単層の酸素含有層１９２２が数秒で形成される。酸素含有層１９２２は非常に薄いので、その後の中性ビーム照射によって表面に容易に移動され、照射によって形成された層に酸素を供給する。
【０１８１】
図３１Ｄは、解離した中性ビーム１９３２で酸素含有層１９２２およびマスク１９１２の開口領域１９１４を介して基板１９０２を照射するステップを示す概略図１９３０である。１つの例示的な（限定されない）場合において、中性ビームは、基板１９０２上に約３ｎｍの厚さの改質層１９３４をもたらすように選択された線量で、１０ｋＶの電位で加速された加速ＧＣＩＢから形成された完全に解離した中性アルゴンモノマービームであった。加速電位、中性ビームを形成するために用いられるＧＣＩＢ用のソースガスの選択、および照射線量は全て、改質層１９３４の深さに影響し、これらのパラメータは、改質層１９３４の所望の厚さを提供するように日常の実験によって容易に選択することができる。一度選択されると、その結果は反復可能である。この照射ステップに続いて、表面が化学的にエッチングされる。銅、シリコンおよびＳｉＮ基板の場合、フッ化水素酸の１％水溶液が良好に利用され、非改質基板１９０２上で処理が停止するまで、エッチング除去される改質層１９３４をエッチングすることができる。本発明者らは、この同じ処理方法を用いて、異なる基板材料に異なる化学エッチング液を利用してもよいことを理解している。
【０１８２】
図３１Ｅは、化学エッチング完了後のエッチングされた基板１９４２を示す概略図１９４０である。エッチングされた基板１９４２には、極めて浅くエッチングされた領域１９４４が形成されている。極めて浅くエッチングされた領域１９４４の深さは、中性ビームの照射深さである３ｎｍの厚さを有する。極めて浅くエッチングされた領域１９４４の上面は極めて平滑であり、１０オングストローム（１ｎｍ）未満の平均粗さＲａを有する。マスク１９１２は、エッチングされた基板１９４２の表面から除去されてもよいし、剥離されてもよい。
【０１８３】
図３１Ｆは、マスクを剥離した後にエッチングが終了した基板１９４２を示す概略図１９５０である。
【０１８４】
本発明の実施形態を吸湿性ＬＢＯ光学材料に関して説明してきたが、本発明者らは、光学的用途および他の用途で利用することができるような他の吸湿性結晶材料にも等しく適用可能であることを理解している。例えば、吸湿性タリウムドープヨウ化ナトリウム結晶およびわずかに吸湿性のタリウムまたはナトリウムドープセシウムヨウ化物結晶は、ガンマ線シンチレーション分光法において用いられ、吸湿による劣化を受ける。このような劣化は、照射によって遅延するかまたは減少することがある。上述の例はＬＢＯの中性ビーム照射を利用したが、本発明者らは、電気伝導率が低い材料の場合には中性ビーム照射が好ましいと考えられているとは言え、ＧＣＩＢ照射もまた有効に適用可能であることを理解している。本発明者らは、吸湿性材料の表面劣化を低減するための照射の前に、ＧＣＩＢまたは中性ビームの前処理を用いて表面を平滑化し、既存の表面劣化を排除することが有用な場合があることもまた理解している。
【０１８５】
本発明の実施形態をシリコン半導体材料に関して説明してきたが、本発明者らは、ゲルマニウムを含む他の半導体材料、およびＩＩＩ―Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族および関連する材料を含むがこれらに限定されない化合物半導体にも等しく適用可能であることを理解しており、本発明の範囲はこれらの材料を含むことが意図されている。本発明の実施形態を、シリコン半導体ウエハを用いた例えば平滑化、エッチング、膜成長、膜堆積、非晶質化、およびドーピングなどの処理に有用であるとして例示の目的で示してきたが、本発明者らは、本発明の効果が半導体の露出表面上で行われる処理にのみ限定されるものではないが、従来の現代技術を用いてシリコン基板、他の半導体基板、および他の材料の基板上に一般に構築される電気回路、電気デバイス、光学素子、集積回路、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス（およびその一部）、および他のデバイスの一部を処理するのに等しく有用であることを理解しており、本発明の範囲がこのような用途を含むことを意図していることも理解している。無電荷処理に本発明の中性ビームを適用する利点を、絶縁性薬剤コーティング、酸化物および窒化物などの誘電体膜、絶縁性腐食防止剤コーティング、ポリマー、有機膜、ガラス、セラミックなどの様々な電気絶縁材料および／または非導電材料の処理に関して説明してきたが、本発明者らは、電気伝導率が乏しいかまたは低い全ての材料は、イオンビーム、プラズマ等のような電荷伝達処理技術による処理の代替として本明細書に開示の中性ビームを用いることによって恩恵を受けることができることを理解しており、本発明の範囲はこのような材料を含むことを意図している。本発明者らは、中性ビーム処理が、荷電特性が低減されることから有利であるだけでなく、導電性である多くの材料を処理するのに有利であることをさらに理解しており、この場合、中性ビーム処理、特に中性モノマービーム処理の他の利点は、たとえ金属および高導電材料においても、より少ない表面損傷、良好な平滑化、および処理領域と下層の未処理領域との間のより平滑な界面をもたらすことである。本発明の範囲は、このような材料の処理を含むことが意図されている。
【０１８６】
本明細書に開示の中性ビームを無電荷処理に適用する利点を、様々な絶縁材料および／または非導電材料の処理に関して説明してきたが、本発明者らは、無電荷中性ビーム処理の利点が、絶縁層を覆うかまたは絶縁基板上に堆積したコーティングまたは層の形態または他の形態で存在する導電性、半導電性またはわずかに導電性の材料の処理に等しく適用されることを理解しており、この場合、少なくともわずかに導電性の材料は、電荷伝達処理技術を用いた処理によって誘発される可能性がある表面電荷を除去するための信頼性の高い接地接続または他の経路を全く有さない。このような場合、処理中に少なくともわずかに導電性の材料を荷電させると、それらの材料または下層の絶縁材料に損傷を与える可能性がある。荷電および損傷は、本発明の中性ビーム処理を用いることによって回避することができる。本発明者らは、本発明の範囲が、少なくともわずかに導電性の材料が絶縁材料を覆うこのような異種材料の配置処理を含むことを意図している。
【０１８７】
光学材料を平滑化するために本発明の中性ビームを適用する利点を、非晶質材料であるＣｏｒｎｉｎｇ社のタイプ０２１１光学ガラスの処理に関して説明してきたが、本発明者らは、無電荷中性ビーム処理の利点が、（光学素子として、または（天然または合成の）宝石用材料として利用される）ガラス、石英、サファイア、ダイヤモンド、および他の硬質透明光学材料を含むがこれらに限定されない非晶質または結晶質の他の光学材料の処理に等しく適用されることを理解している。本発明者らは、このような材料に光学コーティングを施し、かつ屈折率のような材料の光学特性に影響を及ぼすために中性ビーム処理を用いてもよいことをさらに理解している。本発明者らは、本発明の範囲が、光学用途および宝石用途のためにこのような材料の処理を含むことを意図している。
【０１８８】
本発明を様々な実施形態に関して説明してきたが、本発明は、本発明の精神および範囲内で様々なさらなる他の実施形態も可能であることが理解されるべきである。
【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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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２４Ｄ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２７Ｄ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２８Ｄ】
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【図２８Ｅ】
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【図２８Ｆ】
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【図２８Ｇ】
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【図２８Ｈ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図２９Ｄ】
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【図２９Ｅ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３０Ｄ】
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【図３０Ｅ】
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【図３０Ｆ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３１Ｄ】
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【図３１Ｅ】
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【図３１Ｆ】
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【国際調査報告】
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2018533214.tif 000074
2018533214.tif 000075