(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不要物質に隣接しあるいはその下に存在する、処理表面に残すべき望ましい物質の物性に影響することなく、不要物質を基材の処理表面から選択的に除去する方法であって、
不要物質を、処理表面から該物質を除去するのに十分であるが、望ましい材料の物性を変えるには不十分な空間的及び時間的密度の偏光した高エネルギー光子で照射する工程を有し、
前記偏光した高エネルギー光子で不要物質を照射する工程は、非偏光入射光を、偏光子によって、性質の異なる第１偏光ビームおよび第２偏光ビームに分割する工程と、これらの第１および第２偏光ビームのうちで、望ましい物質の物性を変えることなく不要物質を除去するという観点からより効果的な一方の偏光ビームを定めて前記不要物質に向かわせる工程とを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
望ましい物質が基材と該基材上の薄膜とを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
薄膜がクロム、インジウム錫酸化物、アルミニウム及びニッケルよりなる群から選択される請求項２記載の方法。
【請求項４】
基材が石英、ホウケイ酸ガラス、シリコン、鋼及びアルミニウムよりなる群から選択される請求項３記載の方法。
【請求項５】
薄膜がクロムであり、基材が石英又はホウケイ酸ガラスである請求項４記載の方法。
【請求項６】
薄膜がインジウム錫酸化物であり、基材が石英又はホウケイ酸ガラスである請求項４記載の方法。
【請求項７】
薄膜がアルミニウムであり、基材がシリコンである請求項４記載の方法。
【請求項８】
薄膜が酸化ハフニウムであり、基材が石英又はホウケイ酸ガラスである請求項４記載の方法。
【請求項９】
薄膜がニッケルであり、基材が鋼又はアルミニウムである請求項４記載の方法。
【請求項１０】
更に不要物質を横切って基材に対して実質的に不活性であるガスの流れを同時に導入する工程を有する請求項１記載の方法。
【請求項１１】
不要物質に隣接しあるいはその下に存在する、処理表面に残すべき望ましい物質の物性に影響することなく、不要物質を基材の処理表面から選択的に除去する方法であって、
レーザー光のs-成分とp-成分の一方がs-成分とp-成分の他方の成分に優越するように、レーザー光を偏光させる工程と、
該一方の成分が他方の成分に優越するように偏光したレーザー光を、処理表面から不要物質を除去するのに十分であるが、望ましい材料の物性を変えるには不十分なエネルギー及びパワー束で該処理表面に照射する工程とを有し、
前記一方の成分が他方の成分に優越するように偏光したレーザー光が、望ましい物質の物性を変えることなく不要物質を除去するという観点から、前記他方の成分が前記一方の成分に優越するように偏光したレーザー光よりも効果的なものであり、前記他方の成分が前記一方の成分に優越するように偏光したレーザー光は前記処理表面に照射されない
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
レーザー光がパルス発振のKrFエキシマー・レーザーで発生される請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
更に基材に対して実質的に不活性なガスの流れを、不要物質を横切って同時に導入する工程を有する請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
不要物質に隣接しあるいはその下に存在する、処理表面に残すべき望ましい物質の物性に影響することなく、不要物質を基材の処理表面から選択的に除去する方法であって、
該不要物質を、不要物質を構成する結合を破壊するのに十分であるが、望ましい材料の物性に変化をもたらすレベルに望ましい物質の温度を上昇させるには不十分なエネルギー及びパワー束の偏光した高エネルギー光子で照射する工程と、
基材に対して実質的に不活性なガスの流れを、不要物質を横切って同時に導入する工程とを有し、
前記偏光した高エネルギー光子で不要物質を照射する工程は、非偏光入射光を、偏光子によって、性質の異なる第１偏光ビームおよび第２偏光ビームに分割する工程と、これらの第１および第２偏光ビームのうちで、望ましい物質の物性を変えることなく不要物質を除去するという観点からより効果的な一方の偏光ビームを定めて前記不要物質に向かわせる工程とを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記第１および第２偏光ビームのうちのより効果的な一方の偏光ビームを定めて前記不要物質に向かわせる工程は、当該一方の偏光ビームを圧電性基材に向かわせる工程を含む、請求項１または１４記載の方法。
【請求項１６】
前記基材が圧電性基材である、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記圧電性基材が強誘電性材料の圧電性基材である、請求項１５または１６記載の方法。
【請求項１８】
前記圧電性基材が、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムを含む、請求項１５または１６記載の方法。
【請求項１９】
更に不要物質を横切るアルゴンガスの流れを同時に導入する工程を有する請求項１５〜１８のうちのいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
＜発明の背景＞
本発明は、表面からの材料の除去に関する。さらに詳しくは、除去すべき物質の下に存在しあるいは隣接する基材上に残存する物質の物性を変化させることなく、照射により基材表面から材料を選択的に除去することに関する。
基材の表面から不要物質を効果的に除去することは、多くの重要な材料処理及び製品製造プロセスの極めて重要な側面である。’165出願に説明されているように、不要物質（これは汚染物質と考えられる場合もある）には微粒子、望ましくない化学元素又は化合物、及び材料の膜又は層が含まれる。微粒子は、ミクロン以下から肉眼で見える微粒子サイズにまで分布した、材料から分離した破片であり得る。望ましくない化学物質には、除去プロセスを実行する時点で望ましくない任意の元素又は化合物が含まれる。例えばヒドロキシル基（-OH）は、プロセスのある段階では基材表面上の望ましい反応促進因子である可能性があり、他の段階では望ましくない汚染物質となる可能性がある。材料の膜又は層は、指紋からの人体の脂、塗料及びエポキシの様な有機物、あるいは基材の酸化物等の無機物、あるいはそれに対して基材を露出する他の無機物等である。
かかる不要物質は、基材をその意図される目的のためにより有用にするために、除去する必要が生じることがある。例えばある種の科学的精密測定機器においては、装置の光学システムのレンズや鏡に微小な表面汚染物質が付着すると、精度が損なわれる。同様に半導体においても、わずかな汚染分子による表面欠陥により、半導体マスク又はチップが無価値になってしまうことが多い。石英半導体マスクにおける表面の分子欠陥の数をわずかに減らすだけでも、半導体チップの製造歩留まりを大幅に向上することがある。同様に、回路層をウエハ上に付着させる前に、あるいは各層を付着させる間に、シリコンウエハ表面から炭素や酸素のような表面の汚染分子を除去することにより、製造されるコンピュータ・チップの品質が大幅に改善される。
基材の層を選択的に除去することにより、基材表面上に非常に小規模の構造（いわゆるナノストラクチャ）を形成することができる。材料（基材、酸化物層あるいはその他の物質の層）も、また、基材の表面形状を変える（例えば表面の粗さを滑らかにする）ために、基材表面にわたって様々な量を選択的に除去されることがある。
材料処理装置は、その装置によって処理される製品の汚染を防止するために、不要物質の除去のための処理を必要とすることが多い。例えば、製造中にシリコンウエハを最終的に汚染する不要物質の少なからぬ部分が、ウエハを内部に納めるプロセスチャンバー、ウエハを乗せて石英製の炉管を通る石英製ウエハボート（及び炉管そのもの）、及び処理ガスをチャンバーに導くパイプのような製造装置から発生する。従って、これらの装置を定期的に清掃することで、製造工程で発生するウエハの汚染を大幅に減らすことができる。
一般に、基材から物質を除去するために使用されるあらゆる工程は、後に残る（望ましい）物質の物性に影響を与えずに行われるべきである。影響されずに残るべき物性には一般に、結晶構造、導電性、密度、誘電率、電荷密度、ホール係数及び電子／正孔の拡散係数などが含まれる。特に半導体を応用したもの（金属酸化物半導体（MOS）、電界効果トランジスタ（FET）、バイポーラ接合素子（BJT）など）では、MOS中の静電容量／面積、接合部の静電容量、FET中のドレイン（drain）からソースに流れるチャネル電流、BJTのコレクターベース間及びエミッタ−ベース間電圧、FET中のドレイン−ソース間及びゲート−ソース間電圧、MOSのポテンシャルの閾値、MOSの表面電荷／面積、及び充電（蓄積）遅延時間などが問題となる。更に、除去後の材料の形状（表面粗さなど）を変えることは望ましくない場合もあるであろう。
’165出願で詳述されているように、不要物質を除去するための多くの方法が提案されてきた（そして現在使用されている）。それらの中には湿式化学洗浄（RCAプロセス）、希釈HF、メガソニック及び超音波、そして超臨界流体洗浄、紫外線及びオゾン洗浄、ブラシ洗浄、蒸気HF、レーザー補助液体洗浄（アレン（Allen）法とタム（Tam）法を含む）、表面溶融、焼きなまし（annealing）及びアブレーションが含まれる。
別の方法としてプラズマ洗浄があるが、これは一定量の処理が完了（例えば一定数のウエハが完成）した後で、反応性イオンエッチング（RIE）ツールのプロセスチャンバーを洗浄するために使用されることがある。プラズマ種として望ましいのは酸素、四塩化炭素及び窒素であり、これらは光学機器やシリコン表面の洗浄のために様々なモル質量密度で使用される。現在最も進んでいる技術は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）によるプラズマである。このタイプの洗浄の有効性は、粒子に限定されている。膜の除去は困難であり、電気的なパラメータを損なうと思われる。
ドライアイス（ＣＯ2）洗浄（スノー洗浄及びＣＯ2ジェットスプレー洗浄とも呼ばれる）は、種々のノズル孔を持つ装置を手に持って、粉末状ＣＯ2を吹き付けて表面を洗浄するものである。この方法は、粉末状ＣＯ2への粒子の溶解性によって制限されている。すなわち、粒子がＣＯ2に溶解しなければ、それは表面から除去されない。更にこの洗浄技術では、酸化物やポリマー膜は除去できない。
これらの技術全てが何らかの欠点を持っている。非常に細かい粒子を除去できない、下にある基材の物性に望ましくない変化を引き起こす、超純水や高純度ガスのような高価な材料を大量に消費する、有毒な廃棄物（フッ化水素酸など）を発生するなどである。
膜、特に酸化物の膜は、基材から除去すべき物質の中でも厄介な部類に属する。酸素を含む雰囲気（空気など）に曝された物質のほとんどは、表面が固有の酸化物で被覆される。この様な酸化物層は通常、酸化物の分子が少なからず連続した層である。ほとんどの場合、この固有酸化物の層は、その基材がどの様に使用されるかによっては、有害なものである。この問題に対する対策の一つは、基材を真空中に保持して酸化物の成長を防止することである。酸化物の膜を除去する公知の技術には、王水、硫酸及びフッ化水素酸のような強酸で処理することが含まれる。
半導体の製造においては素子の寸法がますます微細化するに従って、シリコン基材から固有酸化物（二酸化珪素）を取り除くことが大きな問題となっている。二酸化珪素を除去する現在の方法は液体HFを使用するもので、蒸気相のハロゲンを使い、また蒸気相のハロゲンを紫外線照射と組み合わせて使用する実験が行われている。B. Van Eck. S. Bhat及びV. Menon「SiO2の蒸気相エッチング及び洗浄」微量汚染研究紀要92（Santa Clara, CA :1992年10月27-30日)p694；J. de Larios、W. Krunsell、D. Mckean、G. Smolinsky、B. Doris及びM. Gordon「微量金属及び有機汚染物質の、気相洗浄によるウエハからの除去：紫外線照射による酸素及び塩素の化学処理」微量汚染研究紀要92（Santa Clara, CA :1992年10月27-30日)p706；M. Miyashita、T. Tusga、K. Makihara及びT. Ohmi「CZ, FZ及びEPIウエハ表面の微小粗さの湿式化学処理への依存性」電気化学学会誌、vol.139（8）1992、p2133；及びT. Ohmi「ウルトラクリーン処理によるULSIの信頼性」IEEE会報vol.81（5）、p716。ハロゲンによる化学処理は、局所的な除去方法ではなく対象物体の全体に作用するものであるから、隣接する回路に損傷を与える可能性がある。
航空機、自動車及び建設（ビル）の分野における溶接に対する代替方法として接着剤を塗布するために、金属基材を処理する上でも、表面の酸化物の除去は重要である。酸化物皮膜の除去はまた、天候の作用を受けた金属表面の再処理と流通した硬貨の品質改善などの用途を持っている。
その他の重要な処理方法として、圧力トランスデューサ、加速度計、原子間力を利用した顕微鏡プローブ及びマイクロモータなどの、基材の上又は内部にナノストラクチャ（極めて微細な物理的構造）を作り出すことである。ナノストラクチャを作り出すために提案された１つの技術は、化学エッチングをマスク技術と組み合わせるものである（ウエハ上に目的の材料の層による構造を作り、不要な層をエッチングで除去するという、バルク微細加工において有用である）。J. Bryzaek、K. Peterson及びW. McCulley、IEEE Spectrum、1994年5月、p20。提案されている別の方法として、レーザー光の集中による物質の付着がある。J.J. McClelland、R.E. Scholten、E.C. Palm及びR.J. Celotta「レーザー光の集中による原子の付着」Science、vol.262.5、1993年11月、p877。
別の重要な処理方法は、基材表面の不均一を無くし、あるいは緩和するための平坦化処理である。平坦化のために一般に使用される方法は化学機械的研磨法（CMP）であり、これは特殊なスラリー混合物と研磨パッドを使用して表面を滑らかにするものである。この表面研磨は、チップ性能を向上させるという利点を持っている。CMP平坦化は「エッチ・ストップ」と工程の時間管理により、研磨のし過ぎを防止する。このプロセスは大量の汚染物質（スラリーからの残留物）を発生し、また非常にコストが高い（ウエハ1枚当たりの平均コストは約35ドル）。これはスラリー、水、パッド、及びブラシ洗浄機のブラシのような消耗材料のコストによるものである。CMPのもう１つの問題は、ウエハの表面に残るスラリーの除去である。現在行われているブラシ洗浄による除去の効率が良いのは、約0.5μmの粒子に対してのみである。CMPのもう１つの欠点は、現在採用されている他の洗浄技術と組み合わせることができないことである。
基材表面が望ましい物質の薄膜で被覆されている場合、不要物質の効果的な除去は特に困難となる。その様な薄膜の厚みは数オングストロームから数十ミクロンである。その様な基材のいくつかの処理において、特許出願に記載された装置及び技術は十分な効果を持たないことが明らかにされている。不要物質を効果的に除去するのに十分なエネルギーあるいはパワー束では、薄膜が損傷してしまうことがある。損傷が避けられるレベルまでエネルギーを下げると、不要物質の除去が不十分になってしまう。強誘電性材料を含む圧電材料も、処理が困難であることがわかっている。
比較的小さな閉じた形状（チューブなど）の内部表面から不要物質を除去することは、レーザーのような高エネルギー光源から内面を照射しにくい為、更に困難である。この問題を解決する１つの方法は、’039出願に示されているもので、光と不活性ガスを特殊な装置で処理表面に導くものである。この方法には多くの利点があるが、状況によっては’039出願に示された比較的複雑な装置を使用せずに、内面から不要物質を取り除くことが望ましい場合がある。特に、輻射を外側表面に照射することにより内面から不要物質を除去できることが望ましいこともある。
多くの用途で、汚染物質（望ましくない化学物質を含む）を表面の接着部分から除去することにより、後の工程のための基材表面の準備をして、望ましい物質（他の化学物質）の化学吸着をより効果的にすることが望まれる。
＜発明の要約＞
本発明は、従来技術の欠点を克服しながら上記の問題を解決するものであり、不要物質を除去するのに十分であるがその下の基材の物性を変えるほど強くない空間的及び時間的密度（エネルギー及びパワー束）を持つ高エネルギー光子流で不要物質を照射することにより、基材の処理表面から不要物質を選択的に除去するものである。除去された物質が別の場所で処理表面に再付着するのを防ぐために、ガスを処理表面上に連続的に流して、除去された物質を運び去ることが望ましい。更に望ましくは、ガスは基材及び除去すべき物質に対して不活性である。更にガス流で運ばれる汚染物質が処理表面に付着するのを最もよく防止するために、ガス流は層流であることが望ましい。
輻射源（高エネルギー光子）は、必要なエネルギーレベルの光子を供給するものであれば、パルスレーザー、連続発振レーザー及び高エネルギーランプなど、従来知られている任意の手段を使用できる。問題の結合が多数の光子をほぼ同時に照射することを必要とするような用途では、パルス発振の紫外線レーザーのような高出力光源が望ましい。
本発明は、有機及び無機物質の望ましくない皮膜のかなりの程度連続した層の除去に適用できることが示された。有機被膜の除去には、ステンレス又は石英の基材から塗料やマーキングのインクを除去することが含まれる。無機酸化物皮膜の除去には、クロム、モリブデン合金、ニッケル／鉄合金、ステンレス、タンタル、タングステン、銅、エルビウム及びジルコニウムから酸化物を除去すること、また石英から多結晶シリコンを除去することが含まれる。不要物質と基材の特性と厚み、また利用可能な輻射源の特性によっては、処理工程の一連の繰り返しで不要物質を除去することが必要な場合もある。
処理工程の適切な適用により、表面形状の修正もできる。例えば材料の厚みが比較的大きい場所からは比較的多くの材料を除去し、厚みが小さい場所からは少しだけ除去して、より均一な厚みの材料を作り出すことが可能である。これにより材料表面の粗さを効果的に低減することができる。制御ループ内で光源を楕円偏光計その他の表面測定装置と組み合わせてフィードバックを行うことにより、各領域での材料除去を監視及び制御することができる。同様に、粗い表面に輻射を比較的浅い角度で照射することにより、表面の出っ張った部分に高い密度の光子を当て、余り出ていない場所は影になって密度の低い光子で照射されるようにすることもできる。これにより出っ張った部分からはより多くの材料が除去され、表面の粗さが低下する。
所定の場所から所定の深さで材料を除去するように表面を選択的に照射することにより、ナノストラクチャを作り出せる。
偏光したレーザー光で表面を処理することにより、表面に損傷を与えることなく基材上の薄膜の表面から不要物質を除去することができる。
偏光したレーザー光により強誘電性材料を含む圧電性物質から不要物質を効果的に除去することもできる。アルゴンのような希ガスを含む反応性の低い気体を流すことにより、除去効率が向上する。
不要物質が付着した面と反対側の基材表面に光子を照射することにより、不要物質の除去効率を高めることができ、また閉じた表面の内側の処理を外側から行うことができる。
不活性ガスが流れている状態で表面を照射し、次ぎにその表面を望ましい物質に接触させることにより、望ましい物質が付着する可能性のある付着場所から不要物質を除去して、基材表面への望ましい物質の化学吸着を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の原理に従って基材から不要物質を除去するための方法及び装置を示す模式図である。
図2A-Bは選択された基材から物質を除去するために使用される2つの試験装置を示す模式図である。
図2Cは図2A-Bと類似しているが、より簡易な光学系を有する第三の装置を示す模式図である。
図3は図2A-Cのいずれかの装置によって基材上に生じる入射輻射領域の形状を示す模式図である。
図4は基材から選択的に物質を除去してナノストラクチャを作る技術を示す模式図である。
図5は平坦化のプロセスの前の基材を示す模式図である。
図6は図5の基材の平坦化のプロセスに使用される第一の装置を示す模式図である。
図7は表面を斜めに照射することにより基材表面の粗さを選択的に低下させるプロセスを示す模式図である。
図8はここに示す試験を行うために使用されるタイプの偏光ビームスプリッタの作用を示す模式図である。
＜詳細な説明＞
以下添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。各図面において、類似の要素は類似の番号で示す。
１．基本的な処理方法及び装置
基材の物性を変えることなく基材の処理表面から不要物質を除去する方法及び装置を、図1に模式的に示す。図1に示すように、不要物質を除去すべき基材12を処理する装置10は、照射システム400、ガスシステム500、及び相対運動システム600を含む。照射システム400は、レーザーなどの輻射11（高エネルギー光子からなる）の光源410と、基材12の処理表面に輻射11を導く適切な光学系450を含む。ガスシステム500は、基材12表面の少なくとも輻射11で照射される部分にガス18を流すための、ガス18の供給源510と供給システム550を含む。ガス18は望ましくは基材12に対して化学的に不活性なガスであり、基材12を非反応性の気体雰囲気中に浸すように、基材12を横切って流される。ガス18はヘリウム、窒素あるいはアルゴンのような化学的に不活性な気体であることが好ましい。相対運動システム600は、処理される基材12の処理表面の一部と輻射11あるいは必要によりガス18との間に相対運動を作り出す。
装置10のこれらの部分の各構成要素（光源410、光学系450、ガス供給源510、ガス供給システム550及び相対運動システム600）は、’165出願で述べられているようなものであってよく、本発明の原理に基づいて装置を構成するために技能者によって容易に選択できるものである。例えば、光学系450は鏡、レンズ、光ファイバー、コリメータ、開口、ビーム均質化装置その他の要素を含むことができる。ガス供給システム550は、管路、チャンバー、配管、弁、フィルター、流量計その他の要素を含むことができる。相対運動システム600は、輻射11及びガス18に関して平行移動又は回転運動を基材12にさせるための任意の適切なシステムでよく、基材に平面的な平行移動をさせるための平行移動ステージ、基材を回転させるための回転手段、あるいは基材上で輻射ビーム11を走査するための光学系中の可動部分を含むことができる。装置10の実施例を以下詳しく説明する。
本発明の方法によれば、基材の処理表面から不要物質を除去するのに十分であるが、基材表面に残したい材料の物性を変えるほど強くない空間的及び時間的密度（エネルギー及びパワー束）を持つ高エネルギー光子流で、基材の処理表面を照射する。
不要物質を除去するには、処理表面上において不要物質の下にありまたは隣接する物質（これは同じ物質であるか、基材の物質であるか又は第三の物質であってよい）に付着する結合を破壊しなければならない。その様な結合はすべて、少なくとも結合を構成するエネルギーに等しい量のエネルギーを導入することにより破壊される。一般的な基材の材質に対する結合エネルギー（即ち結合が形成されるときに放出されるエネルギーの量）を下の表1aに示す。当該材料の元素同士（例えばCr-Cr）の結合エネルギーと、材料の元素と酸素（例えばCr-O）の結合エネルギーを示す。種々の炭素化合物に対する結合形成エネルギーを下の表1bに示す。
0004089833.tif 000002
0004089833.tif 000003
結合形成エネルギーよりも高いエネルギーが光子流によって結合部に加えられると、結合が破壊される。この結合破壊プロセスには特有のエネルギーの非効率性があり、そのために、必要な光子のエネルギーは結合形成エネルギーの約2倍になると考えられている。表1aと1bからわかるように、酸化物の結合エネルギーは約4.0から8.3eVであり、有機（炭素）結合エネルギーは約3.5から11.2eVである。従って約7から22eVの光子エネルギーが必要である。
1個の光子のエネルギーは次式によって波長に依存している。
0004089833.tif 000004
ここでｃは光速（3.00×108m/s）であり、λは波長（m）、そしてｈはプランク定数（4.14×10-15eV・sec）である。従って光源は必要な光子エネルギー、すなわち必要な波長に対応して選択される。様々なレーザーを表1cに示す。表にはレーザー媒質（medium）（及び媒質が気体（g）か液体（l）か固体（s）又はプラズマ（p）であるか）、光の波長λ（nm）及び光子のエネルギーＥph（eV）も示す。連続波レーザーの場合は平均出力Ｐave（Ｗ）も示されており、パルスレーザーの場合は１パルス当たりのエネルギーＥpulse（Ｊ）、代表的パルス継続時間ｔ pulse（ns）及びパルスのピーク電力Ｐpeak（MW）が示されている。
0004089833.tif 000005
上記の各レーザーの光子エネルギーを、上に述べた一般的な基材物質に対して必要なエネルギーと比較（そして予想される非効率性を考慮に入れる）すれば、問題の結合を破壊するためにはほとんどの場合1個の光子では不十分だということが明らかである。しかし複数の光子が非常に短い時間の間に、すなわち実質的に「同時に」結合に照射されるならば、結合破壊エネルギーを供給できると考えられている。
各結合を破壊するためには一定のエネルギーが必要であるから、基材の処理表面から所定の量の不要物質を取り除くのに必要なエネルギーの総量（従って所定のエネルギーを有する光子の総数）は、その量の材料中に含まれる結合の数に比例する。光子は、処理表面の界面領域（すなわち一番上にある原子又は分子層（単層）の１又は２層）の中に含まれる結合のみに作用すると考えられている。相当程度連続する材料の層（酸化物の層など）を除去するためには、単層内の材料の単位表面積と厚みとを考慮することが有益である。そこで所定の表面積に対して、材料のある厚み（ある数の単層）を除去するには、所定の量のエネルギー（所定の数の光子）を効果的に加えることが必要である。基材の処理表面に入射する光子の全てが結合の破壊に寄与するわけではないことは言うまでもなく、光子のうちのほんの一部が結合の破壊に寄与すると考えられる。その原因の少なくとも一部は、光子エネルギーを吸収する有効な場所（結合又はその一部）が表面積のわずかな部分を占めるに過ぎないということであると考えられる。しかし少なくともある所定の材料に対しては、実際に必要とされる光子数と破壊すべき結合の数に基づく理論的な数の間には、比較的一定した関係があると考えられる。従って、考慮すべき適切なパラメータは、基材の処理表面に照射されるエネルギー束（単位面積当たりのエネルギー、あるいは単位面積当たりの光子数）であり、これは除去すべき不要物質の厚みに対応する。
以上述べたように、選択した光源が放出する光子1個のエネルギーよりも大きなエネルギーを、問題の結合が必要とする場合がある。以下その様な結合を「多光子結合」と呼ぶ。前述のように、複数の光子のエネルギーは、それらの光子が同時に結合に入射する場合にのみ、加え合わされて多光子結合を破壊するのに必要なエネルギーを供給することができると考えられる。これは結合箇所に光子が到達する割合、すなわちパワー束（単位面積を単位時間に通過するエネルギー）に関係する。更に多光子結合の破壊は、確率的な性質を持っていると考えられる。基材のある面積にある平均パワー束が入射すると、どの結合箇所にもある平均値で光子が到達する。しかし実際の光子の到達率は、平均値の周囲にランダムに分布するはずである。従って、多光子結合を破壊するのに十分な光子エネルギーの加え合わせが起きるような、最小の光子到達率（続いて入射する光子の間の最大時間間隔）というものが存在するならば、その最小到達率に対応する所定面積に照射される平均パワー束は、必要到達率（又はそれよりも高い割合）の光子で照射されるその面積内の結合箇所の約半分を照射するであろう。逆に言えば、平均パワー束が必要な最小光子到達率を実現するために必要なレベルよりも多少低い場合でも、必要な時間間隔以内に結合箇所のいくつかに光子が到達すると予想される。
要約すると、基材の処理表面から所定の厚みの不要物質を除去するには、ある最小限の総エネルギー束（単位面積当たりで所定レベルのエネルギーを持つ光子の総数）を不要物質に加えなければならない。多光子結合が関係する場合はまた所定のパワー束が必要となり、パワー束が強いほど、各結合箇所が必要な到達率の光子で照射される確率が高くなる。従って高エネルギー光子を発生する好適な光源の選択には、必要な光子エネルギーを評価することが必要であり、多光子結合に対してはどの程度の電力が得られるかを知る必要がある。以下に示すデータから明らかになるように、酸化物及び有機物の膜（これらは高い結合エネルギー、従って多光子結合を持つ）を除去するための好ましい光源は、最も高いピークパワーレベルと高い光子エネルギーを有するパルス発振紫外線レーザーである。
基材の処理表面に照射できるエネルギー及びパワー束は、表面に残すべき材料の物性の改変を避ける必要により制限される。一般にある材料の物性の変化は、その材料の温度をある限界値を超えて上昇させることにより生じる。輻射エネルギーを加えることによる材料表面の温度変化は、その材料の熱伝導特性と、照射される輻射のエネルギー及びパワー束に依存する。与えられた材料上で使用できる最大エネルギー及びパワー束を知るためには、実験が必要である。蒸発、アブレーション（ablation）又は表面溶融に依存する従来のレーザー洗浄技術から、基材物質に状態変化を生じるのに要するエネルギー及びパワー束の指針が得られる。
一般に、所定の光源に対して、表面上でのエネルギー及びパワー束を最大にするには、処理すべき基材部分の表面に垂直に光子を照射することが好ましい。しかし特定の環境の中でこのプロセスを実行するために、その方が便利又は必要であれば、基材に対して角度を持たせて光子を照射することがある。表面に加えられるエネルギー及びパワー束は当然、表面に対して光子が入射する角度のサイン関数で変化し、光源の出力を決める時にはこれを考慮に入れなければならない。状況によっては、材料表面の高い場所を選択的に照射して除去することにより表面を滑らかにするために、基材に対して斜めに照射することが好ましいことがある。
レーザーから放射される光のビームは、通常ガウス分布のビーム形状を持つ。ガウスビームは、中央でエネルギーが最も高く、ビームの端に向かって減少するという、伝達されるエネルギーの性質を反映するものである。このガウスビーム形状は、球面光学系と組み合わせると、リソグラフィー、穴開け加工及び微細加工に有効であり、応用可能である。
他方、ビーム全体で一様なエネルギー密度を持つビーム（フラットトップビーム形状）は、多くの用途において利点を持っている。フラットトップビーム形状は、開口及び／又はビーム均質化装置を使用して生成できる。この形状は、走査される部分の中央を過大に照射することなく、走査面積の全ての部分に十分なエネルギーを一様に加えることができるので、基材の損傷を防いで低いエネルギーで不要物質を除去するようなビームスポットを形成する上で、大きな柔軟性を持っている。更にフラットトップビーム形状は、加工対象に最終的に焦点を合わせる際に円筒型レンズを使用することができるので、より一様なエネルギー分布を実現できる。
2．試験装置
以下の例では、2組の試験装置（以下装置A及びBという）を使用した。装置Aを図2Aに模式的に示す。この装置（図では10Aと表記されている）では、光源はレーザー411であるが、これはLambda Physik社からモデル番号LEXtra 200として販売されているKrFエキシマーレーザーである。このレーザーは波長が248nm（光子エネルギー5.01eV）、パルス1個当たりの最大出力エネルギー600mJ、固定パルス継続時間34ns（パルス当たりの最大電力17.65MW）である。パルスの最高繰り返し速度は30Hzであり、最大平均出力18Wを発生する。レーザー出力での輻射ビームの寸法は23mm×13mmである。
輻射供給システム450は、レーザー411を出た輻射ビーム11が通過する順序で、開口板452、45°回転鏡453、454、455、456、及び可変集光レンズ457を含む。開口板452は、幅6mmで長さ25mmの長方形の開口を持つ平らな板であり、レーザー411から放出される光子のガウス分布の「尻尾」部分を遮断するために使用される。これは、ビームに直角な断面内でビーム11の輻射エネルギーの空間的な分布がほぼ一様になるようにするためである。回転鏡453（50mm）、454（50mm）、455（25mm）及び456（25mm）は平面鏡である。可変集光レンズ457は幅25mm、長さ37mm、焦点距離75mmの円筒型レンズである。基材12の表面からの集光レンズ457の高さと、レンズの向き（凹面が上か下か）を選択することにより、基材表面でのビームスポットの幅を調整できる。光学部品は全て、波長248mmの光に対して反射防止コーティングがされている。
第二の装置B（図2Bに示す）の供給システム450は、装置Aと同様であるが、第一の回転鏡453が省略され（それに対応してレーザー411と開口板452は回転鏡454に直接向くように90°向きが変えられた）、回転鏡455が50mm（装置Aでは25mm）となっている点が異なる。より単純な（従って好ましい）光学系を持つ第三の装置（実験では使用されなかった）を図2Cに示す。
輻射ビーム11は、基材12を搭載するステージ610とほぼ直交して送られる。図3に示すように、ステージ610はX及びY方向（ステージと平行な平面であり、図3で矢印X及びYで示す）に平行移動できる。輻射ビーム11は幅w、長さlの一般に長方形の入射輻射領域611を生じる。平行移動ステージ610によって、領域611が基材12の表面上を走査される。
ガス供給システム500には、デュアル・ステージ制御装置、水分／酸素吸収器（0.01ppbの濃度まで吸収できるMG Industries製のOxisorb）、Milliporeモデル304粒子フィルター（0.003μmまで濾過）、流量計、U.S. Filter Membralox製フィルター（0.001μmまで濾過）、そして隣接する領域611で終わるノズル551に、直列で結合された液体窒素ジュワー瓶（容量4500リットル）が含まれる。ノズル551は、領域611を横切るガス18の流れを供給し、領域611に関して固定され、これに関してステージ610と基材12が平行移動をするようになっている。このガス供給システムは、通常の雰囲気気体に対して不活性な材料に対しては有用であり、処理中に基材を雰囲気から隔離することが必要又は好ましいような場合に必要とされる装置（例えば’165出願に述べられたもの）よりも単純な装置が使用できる。
ビデオカメラ700を設置して領域611を監視し、処理結果の視覚的なデータが得られるようになっている。
上述の実施態様では、ステージ610は先ず輻射ビーム11が基材12の表面に照射されるとX軸の長手方向に平行移動し、輻射ビーム11で照射された基材12上の細長い長方形帯（elongated rectangular swath）612を作る。ステージ610を割り出して出発位置に戻し、再度X方向に平行移動して、帯612上で次の「スキャン」を行える。1回又はそれ以上の「スキャン」の後で、ステージ610を長さ1にほぼ等しい距離だけY軸の横方向に平行移動して、次ぎにX方向に再度平行移動して、前の帯612に隣接する別の帯を形成することができる。このようにして、処理すべき基材12の表面の部分が連続して、輻射ビーム11及びそれに伴うガス18の流れに曝される。
レーザー411のパルス1個の間に輻射ビーム11によって基材12の表面の任意の点に加えられるエネルギー束（単位面積当たりのエネルギー）は、その表面上のパルスのエネルギーをそのエネルギーが分布する面積で割ったものに等しい。これは次式で示される。
0004089833.tif 000006
ここでＦepsは表面の単位面積当たりのパルスのエネルギー束（J/cm2）、Ｅpsはその表面でのパルスエネルギー（Ｊ）、ｌとｗは領域611の長さと幅である（mm）。同様に、パルスのパワー束（Ｆpss）は次式で計算される。
0004089833.tif 000007
ここでｔpはレーザーのパルス継続時間である。
輻射ビーム11が光学系と開口板を通過するときは、エネルギー損失が生じる。そのため、表面でのレーザーパルスのエネルギー（Ｅeps）は、レーザーから放出されるパルスエネルギーよりも小さい。LEXtra 200レーザーには、実験中にレーザーの出力エネルギーを記録するのに便利な、パルスエネルギー・メータが付属したミニコントローラが含まれる。ただし内蔵のメータは余り正確ではない。より正確なエネルギーの測定を行うために、試験装置を校正してより正確な測定を行うために内蔵のメータの読み取り値に掛ける補正係数を求めた。それにより、表面でのレーザーパルスのエネルギー（Ｅps）が処理表面の位置に配置されたMolectron J50検出ヘッドとJD 1000ジュールメータで測定され、エネルギーの測定値が内蔵メータでのパルスエネルギー（Ｅpm）の読みと比較された。このようにして求められた補正係数（Ｒcorresion）は、光学系を通過するときの損失とメータの誤差を含む。
0004089833.tif 000008
この補正係数は一定ではない。これはレーザーの出力レベルと共にほぼ直線的に変化することがわかっている。パルスエネルギーはレーザーへの入力電圧（Ｖl）に依存するが、入力電圧は約17から22kVの範囲で調整できる。レーザーの出力エネルギー（内蔵メータの値）は、レーザーのガス供給レベルのような要因に依存して、与えられた電圧設定に対して変化するので、電圧をパルスエネルギーを直接示すものとして使うことはできないが、代わりに内蔵メータを読み取る。便宜上、補正係数を設定電圧の関数として計算し、次ぎに内蔵メータからのエネルギーの読み取り値に適用される。補正係数は次のような形を持っている。
0004089833.tif 000009
ここでmは線形グラフの傾きで、bは切片である。
2台の試験装置に対するmとbの値を表2aに示す。
0004089833.tif 000010
従って、処理表面でのパルス当たりのエネルギーは次式で与えられる。
0004089833.tif 000011
図示した実施例で、帯612は不連続な一連の領域611で形成される（想像上の２番目の領域611’を図３に示す）。領域611から領域611’へオフセットする距離（Δｘ）は、レーザーパルスの時間間隔（レーザー繰り返し率Ｒlの逆数）と、ステージ610の平行移動の速度（スキャン速度Ｖs）の積である。基材の与えられた点に加えられるエネルギー束は、従って、パルス当たりのエネルギー束（Ｆeps）と、その点を照射するパルスの数（Ｎpl）の積である。パルスの数Ｎplは領域611の幅wを、パルスの合間にステージが移動する距離ΔXで割ったものに等しい。ｗがΔｘの整数倍でなく、各点が整数個のパルスを受けなければならないならば、全ての点が同じ数のパルスを受け取ることにならないのは当然である。しかし上に述べた関係は、各帯612上に加えられる平均エネルギーを求める目的のためには、十分に正確と考えられる。更に、別の帯612に取りかかる前にステージを横方向に割り出す代わりに、ステージを横方向の同じ位置に残して別の帯612を同じ場所に置き、そして基材上で別のスキャンをすることもできる。この時加えられる総エネルギー束（Ｆet）は、１スキャン当たりのエネルギー束（Ｆepa）にスキャンの数（Ｎpa）を掛けたものに等しい。
従って、基材12の表面に加えられた平均エネルギー束は次式で与えられる。
0004089833.tif 000012
与えられた点に加えられる総エネルギー束は、１スキャン当たりのエネルギー束（Ｆepa）にスキャンの数を掛けて得られる。
0004089833.tif 000013
以下に示す実験データでは、試験パラメータは表2bに示すようなものである。
0004089833.tif 000014
特に明記しない限り、使用したガスは窒素であり、処理表面上を流れる流量は250〜500ml/sの範囲である。
3．酸化フィルムの除去の例
酸化フィルムに関して上に述べた基本的処理方法と装置の応用を、以下の例で示す。それぞれの例で、酸化された基材の1つ以上のサンプルに対して一連の処理を繰り返し行った。各々の処理は、処理表面上の1つの帯612を1回以上スキャンすることで構成される。特に断らない限り、サンプルは平面上で処理された（スパッター用ターゲットの平らな面の上でのように）。
処理の効果は6段階の洗浄結果評価（Rc）によって、表3aに示すように分類される。
0004089833.tif 000015
これらの試験の目的は、処理表面を損傷することなく、可能な限り最高のステージ速度で可能な限り少ないスキャン（望ましくは1つのスキャン）を行って、全ての酸化物を除去することであった。これは実用のための最高処理速度、可能な限りの最小時間で基材を処理することである。上に述べたように、プロセスの重要な要因は1パルス当たりのエネルギー束（Ｆeps）、それと（固定パルス時間34nsにより）直接関連している１パルス当たりのパワー束（Ｆpps）、及び総エネルギー束（Ｆet）である。プロセスのこれらの要因は、パルスのエネルギー（Ｅps）、レーザーのパルス繰り返し速度（Ｒl）、ステージ速度（Ｖs）及び入射領域の幅（ｗ）を調整することによって変えられる。
a．クロム製スパッターターゲット
この例では、酸化されたクロム製スパッターターゲットを装置Bで処理した。
スパッターターゲットは（以下に述べる各実験で使用された他のスパッターターゲットと同様に）、長さ約21cmで最大幅9cmの、わずかに楕円形の形状であった。試験は9回続けて行われ、その結果をまとめたのが表3bである。
0004089833.tif 000016
これらのデータにより、多光子結合に対して、各試験で加えられた１パルス当たりのパワー束レベルが閾値にかかったことが示される。Ｆepaが一定であっても（例えば5番目から7番目の試験まで）、またその後でＦepaの値が小さくなっても（8番目から10番目の試験まで）、Ｆppsが約12MW/cm2よりも大きい場合は良い除去結果が得られた。
b．エルビウム製スパッターターゲット
この例では、酸化されたエルビウム製スパッターターゲットを装置Bで処理した。その結果を表3cにまとめる。
0004089833.tif 000017
観察された青い酸化物は、酸化エルビウムか、あるいはスパッタリングに対するターゲットの反応によるその他の副産物であると考えられる。試験は全てビーム幅を2.9mmと一定にして行われたが、試験毎にレーザーのパルスエネルギーＥps（従ってパルスのパワー束Ｆpps）をわずかに増加させて、スキャン速度は大幅に増加して行った。最初の2回の試験の結果は部分的な洗浄となったが、続けて試験を（Ｆppsの値をわずかに高く、約8MW/cm2として）行った結果は良い洗浄効果が得られ、総エネルギー束Ｆetのレベルを継続的に低くして0.7J/cm2としてもまだ良い除去結果が得られた。この結果からも、2番目と3番目の試験の間に多光子結合に対するＦppsの閾値を通過したことが示される。
7番目の試験で、酸化物を除去できないほど低いレベルまで総エネルギー束を減らす為に、ステージ速度Ｖsを増加して50mm/sとした。この試験ではX方向の線状の残留酸化物に「回折」パターンが生じて、酸化物が残った各領域は中間の洗浄された領域のように同じエネルギー又はパワー束で照射されたのでないことを示唆している。連続する入射領域（611）が重ならないほど速度は高くなかったが（レーザー繰り返し速度が30回／秒で、基材はパルスとパルスの間に1.6mm移動したが、これは入射領域の幅（2.9mm）よりも小さい）、観察された効果は入射領域611のX方向の長さにわたっての光子のガウス分布を示唆するものである。
c．ジルコン製スパッターターゲット
この例では、酸化したジルコン製スパッターターゲットを装置Bで処理した。その結果を表3dにまとめる。
0004089833.tif 000018
前に述べた例と同じく、全ての試験を同じビーム幅2.9mmで行い、試験毎にパルスエネルギーＥps（従ってパルスのパワー束Ｆpps）をわずかに増加させ、スキャン速度を大幅に増加した。各試験で良い洗浄効果が得られ、総エネルギー束のレベルを継続的に低くして約0.9J/cm2としてもまだ良い除去結果が得られた。
d．タンタル製ホルダー
この例では、酸化したタンタル製円筒形ホルダーを装置Bで処理した。ホルダーは円筒形なので、処理表面は曲面であり、ステージの直線的な平行移動能力では表面全体上でビーム入射領域611を滑らかにスキャンするには十分でなかった。そのため入射領域が重ならないような速さで、ホルダーを手動で回転した。従って表3eに示したデータは、互いに孤立した入射領域に適用される。
0004089833.tif 000019
これらのデータにより、基層のタンタル基材から酸化タンタル膜を除去するには、約0.5J/cm2のエネルギー束で十分であることがわかる。約22MW/cm2（1回目から3回目の試験まで）を超えるパワー束では、基材表面の黒皮に残る損傷が観察された。
e．タングステン製るつぼ
この例では、酸化したタングステン製るつぼを装置Bで処理した。るつぼは長さ約10cmで幅2.5cmの、引き延ばされた皿型（処理領域ではほぼ半円筒形）の形状であった。表3fのデータには、内部表面（凹）を処理した試験1-3と、外部表面（凸）を処理した試験4-7が含まれる。
0004089833.tif 000020
これらのデータにより、酸化タングステンの除去は約1.3J/cm2の低いエネルギー束で行えるが、約41MW/cm2という高いパワー束でも基材に損傷が生じない。
f．モリブデン合金マスク
この例では、モリブデン合金製の3枚の酸化物膜（シリコンチップの配線パターン実装領域の製造に使用される）を、装置Aで処理した。マスクの処理で得たデータを表3gにまとめた。
0004089833.tif 000021
他の2つのマスクよりも、サンプル1として使用された大きなマスクから酸化物を除去するのに、高い総エネルギー束（Ｆet）が必要であった。最初のマスクでは、試験6及び9aの処理で茶色がかった残留物が残ったが、これは残留材料への損傷を示している可能性がある。このデータはまた、サンプル1（Ｆppsが約30MW/cm2未満）ではＦppsが多光子結合のパワー閾値を超えなかったが、サンプル2及び3（Ｆppsが約60MW/cm2を超える）では閾値を超えたことを示す。
g．鋼製ルーラー
この例では、酸化した鋼製ルーラーを装置Aで処理した。ルーラーの処理で得たデータを表3hにまとめた。
0004089833.tif 000022
これらのデータから、試験2b及び2cから7までの間で多光子結合のパワー束の閾値を超えた（従って閾値は約7.5と9.3MW/cm2の間である）ことがわかる。更に、試験5から7ではＦppsは十分に高かったが、総エネルギー束Ｆetは全ての酸化物を除去するには十分に高くなかった（約1.5から1.9J/cm2）。
h．ニッケル／鉄合金製スパッター・ターゲット
この例では、スパッターターゲットを装置Bで処理した。スパッター・ターゲットはニッケルと約19%の鉄との合金で作られたものである。ターゲットの処理で得たデータを表3iにまとめた。
0004089833.tif 000023
試験1、3、4、5及び7では処理中にピンクがかった光の反応が見られ、試験7ではかすかにピンクがかった色合いが表面に残った。これに対する1つの説明として考えられるのは、約20〜26MW/cm2という高いパワー束のパルスで、基材が損傷を受けたと言うことである。あるいは高いパワー束が、酸化物層の組成を除去がより困難な（すなわち高い結合エネルギーを持つ）組成に変えた可能性もある。このことは、これらの試験では酸化物層全体を除去するにはより高い総エネルギー束が必要であったという観察と合致する。それに対して試験8〜10では、酸化物を除去するのに約9〜10MW/cm2という低いパワー束のパルス（約1.3J/cm2以上の総エネルギー束Ｆet）で十分であった。
i．ニッケル合金製ストリップ
この例では、酸化したニッケル合金製ストリップを装置Aで処理した。ニッケル合金の成分組成は不明であった。ストリップの処理で得たデータを表3jにまとめた。
0004089833.tif 000024
試験4を目で観察することにより、残留物質への損傷を示すと思われる茶色がかった残留物が見られた。試験7でスキャンとスキャンの合間に視覚による検査をすることにより、各スキャン毎に新たに酸化物が除去されることが示された。更に、多光子結合のパワー束の閾値は約50MW/cm2であると思われる：低い値のＦppsである程度の洗浄が達成されたが、しかし全ての酸化物を除去するにはもっと高い値のＦetが必要であった。
j．ペニー銅貨
この例では、酸化した米国ペニー銅貨を装置Bで処理した。3個の銅貨を使用して、各銅貨の表に対して1回の試験を行い、裏面に対して別の試験を行った（つまり各銅貨に対して2回の試験を行い、試験1と2は同じコイン、試験3と4は同じコインなど）。銅貨の処理で得たデータを表3kにまとめた。
0004089833.tif 000025
これらのデータにより、酸化銅の効果的な除去が約8〜20MW/cm2のパワー束のパルスで可能（ほとんど全ての酸化物を除去するには、約13〜130J/cm2の総エネルギーが必要）であるが、もっと高いパワー束のパルス（試験6における約20MW/cm2）では表面が損傷する可能性がある。
k．ニッケル合金クォーター硬貨
この例では、酸化した米国の1/4ドル硬貨（表面層はニッケル合金）を装置Bで処理した。2個のクォーター硬貨を使用して、各硬貨の表に対して1回の試験を行い、裏面に対して別の試験を行った（前の試験と同様、試験1と2は1つのコインの両面、試験3と4は別のコインに対して）。硬貨の処理で得たデータを表3lにまとめた。
0004089833.tif 000026
これらのデータにより、硬貨のニッケル合金表面上の酸化物層の効果的な除去が、1から4回のスキャンで約10〜11MW/cm2のパワー束のパルスで行われたことが分かる。
4．有機膜の除去
有機物の膜に対する上に述べた処理方法及び装置の応用を、以下の例で示す。特に断らない限り、試験は同じ方法で行い、示したデータは酸化膜の除去の例と同じ形式と単位である。全ての試験は装置Aで行った。
a．ステンレス鋼上の塗装
この例では、Ra仕上げが20である304ステンレス鋼製円盤に、通常の金属用塗料（この場合は「RUSTOLEUM」という商品名で市販されている塗料）を塗布（スプレーにより）した。処理結果を表4aにまとめた。
0004089833.tif 000027
これらのデータから、ステンレス鋼の基材から比較的厚い有機物の膜を効果的に除去することができ、基材の損傷は観察されなかったことがわかる。塗膜の除去には約16J/cm2以上の総エネルギー束（Ｆet）を必要とし、もっと低いパワー束（試験9での約8MW/cm2）ではもっと大きな総エネルギー（167J/cm2）が必要と思われる。これはまた、パワー束の閾値が8から12MW/cm2の間にあることを示すと考えられる。
b．石英ウェーファボート上の有機膜
この例では、一般に円筒形で溝が切られた石英製のウェーファボート（炉の中で半導体を運ぶのに使用される）の表面に様々な有機物の皮膜を施した。3種類の有機膜を塗布した：指紋（人体の脂）、塗料（青及び赤）、及び「マジックインク」である。その後で石英ウェーファボートを装置Aで処理した。処理結果を表4bに示す。
0004089833.tif 000028
これらのデータは、1回又はそれ以上のスキャンで様々なエネルギーレベルを使用して、石英基材に損傷を与えることなく有機被膜を効果的に除去できることを示している。
c．溶融シリカ石英窓上の有機被膜
この例では、一般に平面状の溶融シリカ石英製の光学窓上の表面に、様々な有機物の皮膜を施した。2種類の有機被膜を施した：指紋（人体の脂）で、さらにほこりが付いているものといないもの、及び青い塗料である。その後で、窓を装置Aで処理した。処理結果を下の表4cに示す。
0004089833.tif 000029
これらのデータから、1回又はそれ以上のスキャンで、様々なエネルギーレベルを使用して、石英基材に損傷を与えることなく、有機被膜を効果的に除去できることが分かる。
5．石英からの多結晶シリコンの除去
石英上の多結晶シリコンに関して上に述べた処理方法及び装置の応用を、以下の例で示す。炉管を通過したシリコン製ダイスの処理中に表面に再析出した多結晶シリコンの層を除去するために、円筒形の石英炉管の内面を処理した。管の半径方向の部分的な断面を装置Aで処理した。一連の試験を実行した結果を下の表5aに示す。試験装置では、入射領域611は数十分という長いスキャン時間で、幅（X方向）0.9〜2.0mmの帯612を横切って連続的にスキャンした。表5aに示すスキャン数（Npa）は次式で与えられる。
0004089833.tif 000030
ここでｗ swathは帯（swath）612の幅であり、ｔ scanはスキャンの継続時間、そしてＶlはレーザースキャン速度である。
高いエネルギー及びパワー束レベルでは、多結晶シリコン層が完全に除去され、従って石英が輻射に対して露出された点では、石英の蛍光が見られた。これは、いつ除去が達成されたかを示す便利な視覚的な指標となる。
0004089833.tif 000031
0004089833.tif 000032
これらのデータから、石英表面から多結晶シリコンが除去できることが分かる。
6．表面形状の修正
これまでの説明とデータから、基材表面から相当程度連続する材料の層を選択的に除去できることが明らかである。基材から除去される材料の厚みは、除去すべき材料の結合エネルギー、照射する光子のエネルギー（波長）、照射する光子のエネルギー束、及び多光子結合の場合はパワー束の関数である。エネルギー及びパワー束はまた、それぞれ照射光子の空間的及び時間的密度とも呼ばれる。従って与えられた材料に対して、その材料の望みの厚みの層を除去するのに必要な空間的及び時間的な光子密度を求めることができる。酸化、有機及び無機物質層について上に述べたように、基材表面を横切って輻射でスキャンすることにより、基材の広い面積にわたってその物質の層を一様に除去することができる。しかし除去プロセスを適切に制御すれば、比較的小さな面積から物質を選択的に（すなわち非一様に）除去して、基材表面の形状を変更することも可能である。形状変更は、ナノストラクチャを生成するための微細加工という形でも、また粗い表面の平坦化という形でも行える。
a．ナノストラクチャの生成
ナノストラクチャは、周囲の表面よりも高く盛り上げるべき構造の周囲から、基材物質を選択的に除去することにより形成される。これは2つの方法で実行できる。最初の方法は考え方としては、通常の大きさの構造に対するフライス加工と等価である。この類推を延長すれば、入射輻射領域611はフライス加工の刃物であるミルと考えられ、領域611の寸法（ミルの寸法に対応する）が除去可能な材料の最小の幅を決定する。同様に、領域611の移動に対する制御の横方向の分解能（610のようなステージの移動によるかまたは集光光学系の移動による）が、作られる構造の規模と精度を決める。入射領域の一回の「スキャン」によって行われる「切り込み」の深さは、エネルギー及びパワー束によって決まり、除去される材料全体の深さは表面上で行われるスキャンの数で制御される。
単純なナノストラクチャの生成を図4に模式的に示す。ナノストラクチャは、基材12の表面に形成された「溝」710で囲まれた「島」720である。溝710は、島720を作りたい領域の周囲に沿って、入射輻射領域611（図では円形領域として示してあるが、前記の実験装置で示したように長方形であってもよい）を移動することによって形成される。領域611の移動を、溝710の別の部分における、領域の別の位置（611’）で示した。
別の微細加工方法は、除去すべき材料部分を定めるマスクを使用して、基材の処理表面の上又は上方にマスクを重ね、マスク上で入射輻射領域を一様にスキャンするものである。当然、基材の微細加工が完了する前にマスクを損傷して使用不能にすることなく基材の処理表面から不要物質を除去するために、マスクと基材の材質を選択しなければならず、光子のパワーとエネルギー束レベルを設定しなければならない。
マスク（フォトリソグラフィー用など）の使用と、レーザー入射領域の寸法及び位置に対する制御との技術は、従来技術でナノストラクチャの微細加工において問題になる空間的な大きさに対して、制御可能であることが示されている。微細加工のために本発明を利用するためにこれらの技術を適用する方法は、当該分野の技術者にとっては公知のことであるから、詳しい説明は省略する。
b．平坦化
輻射の選択的な適用により、図5に模式的に示すように、基材表面を「平坦化」することもできる。図5に示すように、基材12が厚みが一様でない（領域12b1、12b2、12b3等で示す）層12bを持つ場合（酸化物層など、ただしこの層は基材の単なる表面層の場合もある）は、用途によっては酸化物層の全部でなく一部を除去して、該酸化物層の厚みをより一様にする（破線12cで示す）ことが望ましいことがある。これは、領域12b1等の各々を輻射で選択的に照射して、処理前の厚みと希望の厚みの差に等しい厚みの材料を除去することにより達成される。輻射は基材表面上をラスター方式でスキャンしてよく、各領域から希望の量の材料が除去される。
層12bの処理前の厚みを正確に求める（そして必要ならば希望の処理後の寸法を確認する）ために、その場で膜厚を測定する技術を利用することが望ましい。公知の適切な技術には、反射又はビームプロフィール分光測定法あるいは楕円偏光法がある（その様な技術は、P. Burggraaf、「薄膜計測法：新たな頂点を目指して」Semiconductor International、1994年3月に説明がある）。各領域の実際の厚みを次ぎに希望の厚みと比較して、不要物質の厚みを決定することができる。そしてその厚みの不要物質を除去するために適切な輻射エネルギーとパワー束をその領域に照射する。処理後の厚み測定を行って、実際の厚みが希望の厚みに等しいことを確認し、必要であれば追加の処理を行う。このプロセスを、各領域について繰り返す。
適切な装置を図6に模式的に示す。基材12は可動ステージ610上に載置され、光源410からの輻射11が供給光学系450を通して供給される。厚み情報805は楕円測定器810（あるいは他の適切な厚み測定器）で収集される。コントローラ850が楕円測定器810から厚み情報815を受け取り、輻射制御信号820を光源410へ、位置制御信号825をステージ610へ、あるいは信号830を可動光学系450に出力する。
c．斜め照射
厚みが一様でない基材の処理表面も、図7に模式的に図示するように平均基材表面に輻射を斜めの角度で照射することにより、「滑らかにする」ことができる。基材12の粗い表面層12b（図7の断面図に示す）は、多くの方向（あるいは処理表面の全平面に対して様々な角度）に向いた表面要素を持っている。輻射11からの入射エネルギー及びパワー束は、表面要素に対する入射角のサイン関数として変化するので、輻射に対して最も垂直に近い要素が斜めの要素に比べてより高いフラックス（fluxes）に曝される。更に影になった（輻射に曝されない）要素はフラックス（flux）を受け取らない。輻射11による照射の効果がこのように蓄積することにより、輻射に垂直な表面要素から比較的多くの材料を除去して、斜め又は影になった要素からは少ない材料を除去する（連続した処理の後のそれぞれの表面形状12b’、12b’により模式的に示す）。これにより表面層12bの平均的な粗さが低減する。
7．除去に対する偏光の効果
前述のように、基材が薄膜で被覆されている場合は、基材表面からの不要物質の効果的な除去は特に困難である。薄膜の厚みは数オングストロームから10μｍ程度まであり得る。前記の装置及び技術を使って、様々な不要物質を除去するのに十分なエネルギー及びパワーレベルでこのような表面を処理することは、ある種の表面被覆に損傷をもたらすことが分かった。他方、薄膜を損傷しないような低いエネルギー及びパワーレベルでは、ある種の不要物質を効果的に除去することができない。以下のデータで示されるように、レーザー光を偏光させることで、薄膜を損傷しないほど十分に低いエネルギー及びパワー束で、様々な基材上の様々な薄膜材料から数種類の不要物質を除去できることが明らかになった。
いくつかの種類の圧電性物質（特に強誘電性のもの）も、前記の技術及び装置では洗浄が困難であることが分かった。圧電性物質とは、材料上の電荷分布と材料の寸法の変化の間に相関を示す物質である。そのため外部から電場をかけると寸法が変化し、その逆の現象も生じる。圧電性物質は温度収縮をしても電場を発生する（パイロ電気効果）。ある種の圧電性物質は強誘電性も持ち、表面内の電気双極子が自然に揃って強い相互作用を作り出し、強誘電性材料の表面上の物質と比較的強い相互作用を起こすと考えられている。今では、2つの重要な強誘電性材料、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）とタンタル酸リチウム（LiTaO3）から粒子を除去する上で、偏光したレーザー光が有効であることが分かっている。窒素の代わりにアルゴンを使用すれば、除去効果は更に向上する。
これらの試験で使用されたKrFパルスレーザーのレーザーキャビティから放射される光のパルスは偏光しておらず、このことはレーザー技術では、前記光がそれぞれのパワーが時間と共に互いにランダムに（そして逆に）変化する、共直線性の2つの直交する偏光ビーム（p-成分とs-成分）で構成されることを意味する。以下の例では、処理表面に照射されるレーザー光は、部品番号08 BSQ 005、コーティング記号/802として販売されている、カリフォルニア州アービンのMelles Griot社の高エネルギーレーザービーム分割器によって部分的に偏光された。このビームスプリッタは、紫外線級の合成溶融シリカで片側に45°で50%の平均反射率を示すコーティングをして、反対側に反射防止コーティングをしたものである。ビームスプリッタを図8に模式的に示す。偏光していない入射ビーム910は、ビームスプリッタ900の第一の側に入射する。入射ビームは、反射ビーム920と透過ビーム930に分割される。波長248nmのKrFレーザー光の場合、ビームスプリッタは入射ビームのs-偏光成分の71%とp-偏光成分の29%を反射する。従って反射ビーム920はs-偏光が優勢であり、透過ビーム930はp-偏光が優勢である。反射及び透過ビームの各々は、入射ビームのエネルギー及びパワーの約50%を保持する。
以下に示すデータを得るために使用した装置は、基本的に図2A〜Cに示したものと同じであるが、光学系の1つ又はそれ以上の部品の代わりにビームスプリッタが使用された点が異なる。装置A（図2A）は、開口板452と第一の回転鏡453の代わりにビームスプリッタを使用するように改造された。装置B（図2B）は、第二の回転鏡455の代わりにビームスプリッタを使用するように改造された。装置C（図2C）は、回転鏡458の代わりにビームスプリッタを使用するように改造された。ビームスプリッタは光学系の任意の場所に配置できるが、レーザーに近い場所が望ましい。
以下に述べる各例において、基材の1つ又はそれ以上のサンプルに対して一連の処理の繰り返しを行った。一回づつの処理は、1つの帯612上の一回又はそれ以上のスキャンによって処理表面を横切って行った。特に断らない限り、サンプルは平面上で処理された。
以下の各例に対して、試験装置は前に述べたように校正を行った。すなわち、処理表面上でのパルスエネルギー（Ｅps）の測定値を使用して、レーザーの内蔵メーター（Ｅpm）が示すパルスエネルギーにかけるべき補正係数（Ｒcorrection）を求めた。この場合もＲcorrectionは式5で示したように、レーザーの入力電圧Ｖiの線形関数である。以下の各例において補正係数mとbを示す。一般に光学系に偏光器を挿入すると、光学的な損失が大幅に増加し、その結果Ｅpmに対するＥpsの比を低下させる。
処理効果は「備考」欄に記載する。前記のように、プロセスの重要な要因は１パルス当たりのエネルギー束（Ｆeps）、１パルス当たりのパワー束（Ｆpps）及び総エネルギー束（Ｆet）である。これらのファクターは、パルスエネルギー（Ｅps）、レーザーのパルス繰り返し率（Ｒl）、ステージ速度（Ｖs）及び入射領域幅（ｗ）を調整することによって変更した。
以下の試験では様々な不要物質を扱った。ほとんどの試験では、半導体その他の工業的な製造プロセスで一般的に扱われるいくつかの不要物質が扱われた。それらは（a）指紋（人体の脂）、（b）人間の唾液、（c）様々な物質のうちの1つ以上で構成され、非常に微細な粒子の薄い不連続な皮膜と考えられる「曇り」、（d）特に断らない限り外部の大気条件に触れたときに表面に付着した微細なほこりその他の未知の物質である「粒子」、及び（e）インクである。
a．ガラス及び石英上のインジウム錫酸化物
この例では、インジウム錫酸化物（ＩｎＳｎＯx）の膜を有するガラス及び石英の基材を処理した。試験1から7までのデータはガラス基材から指紋、環境粒子及び細かく別れた粒子の曇りを除去したものである。試験8から11では、インク、指紋及び曇りを石英基材から除去した。結果を表7aに示す。これらのデータに使用された補正係数はm=0.1023、b=2.742である。
0004089833.tif 000033
これらのデータから、インジウム錫酸化物の薄膜では、薄膜を損傷することなく効果的に洗浄できること、特に１パルス当たりのエネルギー束（Ｆeps）が0.30J/cm2未満で、１パルス当たりのパワー束（Ｆpps）が8.7MW/cm2未満の時に良好であることが分かる。しかしＦeps=0.31J/cm2、Ｆpps=9.9MW/cm2の時は、薄膜は損傷を受けた。
b．シリコン上のアルミニウム膜
この例では、デジタル・マイクロミラー装置上のアルミニウム薄膜（厚みが数百オングストローム）から粒子を除去した。このアルミニウム薄膜に付着する粒子は、鏡が作り出す像を歪めるので有害である。処理結果を表7bにまとめた。これらのデータに使用された補正係数はm=0.0082、b=5.9357である。
0004089833.tif 000034
試験1から5では、ディジタル・マイクロミラー装置を偏光したレーザーで処理し、装置を損傷することなく粒子が効果的に除去された。
試験6では、ビームスプリッタをマサチューセッツ州アクトンのActon Research社の部品番号248-P50-45-2D-ARという50%ビームスプリッタ（非偏光）に変えたときに、薄膜に損傷が生じた。このビームスプリッタは45°コーティングがされ、波長248nm（この例で使用したレーザーの波長）では、入射ビームのエネルギーが50%の透過と50%の反射に分割された。この試験に使用された補正係数はm=0.00794、b=5.813である。
試験7及び8はそれぞれ、斜めに切ったホウケイ酸塩ガラスと平らなホウケイ酸塩ガラスから粒子を除去する効果を示している。
c．合金上のニッケルコーティング
この例では、ニッケル薄膜を施した合金製の光学的スタンパーを処理した。除去した不要物質はa）ポリカーボネート粒子、b）環境粒子、c）熱と圧力でニッケル表面に融着したラテックス手袋の破片、d）残留グリコール、及びe）機械の潤滑油である。結果を表7cにまとめた。これらのデータに使用された補正係数はm=0.1052、b=4.7874である。
0004089833.tif 000035
Ｆeps=0.18J/cm2及びＦpps=5.3MW/cm2で複数のスキャンを行い、ポリカーボネートと粒子が除去された。Ｆeps=0.16J/cm2及びＦpps=4.8MW/cm2では、ラテックス製手袋材料の湿ったものと乾いたものが除去された。湿ったラテックス製手袋の材料は、局部的な腐食を生じた。グリコールは1回のスキャンで除去されたが、脂の除去にはＦeps=0.13J/cm2、Ｆpps=3.9MW/cm2で2回のスキャンを必要とした。Ｆeps=0.27J/cm2、Ｆpps=7.8MW/cm2ではニッケル皮膜が損傷し、表面に泡が観察された。
d．石英上のクローム薄膜
この例では、厚み800オングストロームのクロム層を持つ石英基材に対して試験を行った。クロム層の表面形状は3種類であった：（a）概ね平面でパターンの無い表面、（b）論理回路用のマスクのパターンを持つ表面、及び（c）DRAMマスクのパターンを持つ表面。環境粒子は試験1-10及び17-23で除去された。試験11-16では、残留フォトレジストが汚染物質であった。試験17-20は、損傷の閾値を決定するために行った。結果を下の表7dに示す。これらのデータに使用された補正係数はm=O.1888、b=5.5861である。
0004089833.tif 000036
Ｆeps=0.06J/cm2及びＦpps=1.8MW/cm2では、パターンの無いクロム膜から、損傷を生じずに粒子が効果的に除去された。エネルギー及びパワー束が安定した条件では、パターンの無いクロム膜からの残留フォトレジストの除去は、１スキャン当たりの平均エネルギー束Ｆepsに依存した。Ｆeps=2.5J/cm2では、複数のスキャンの後でも除去できなかった。Ｆeps=5.lJ/cm2では2回のスキャンで残留フォトレジストが効果的に除去されたが、Ｆeps=5.4及び6.3J/cm2の間では、クロム皮膜にひび割れが始まった。
論理回路用のパターンを持つマスクが関係する試験では、データから作業の上限がＦeps=0.07J/cm2、Ｆeps=2.5J/cm2、Ｆpps=2.0MW/cm2にあると考えられる。それは、これらの条件では何らかの損傷が生じたからである。
パターンのあるDRAMマスクからは、Ｆeps=0.05J/cm2、Ｆeps=1.8J/cm2及びＦpps=1.4MW/cm2で粒子が除去されなかった。もっと高いエネルギー及びパワー束では、効果的な除去が見られた。
e．光学系上の酸化ハフニウム
この例では、異なる可変集光レンズ457を使用した。レンズの開口は50mm×50mm、焦点距離200mmで、マサチューセッツ州アクトンのActon Research社の部品番号03-060-1-248-ARとして販売されているものである。以下の試験では、石英及びBK-7（業界標準の組成を持つホウケイ酸塩クラウンガラス）上の厚み20オングストロームの酸化ハフニウム皮膜から汚染物質が除去された。汚染物質を除去する上で偏光した光は効果がないが、無偏光の光は有効であることが分かった。結果を表7eにまとめた。処理された基材はa）光学的反射器（BK-7）、b）ポロ反射鏡（石英）、c）ドーヴプリズム（BK-7）、d）レーザー反射器（BK-7）及びe）出力カプラー（BK-7）である。試験対象の不要物質はa）指紋、b）唾液、c）接着剤、及びd）汚れである。汚染物質が「きれい」又は「セットアップ」とされた基材上には、環境粒子だけが存在した。これらのデータに使用された補正係数はm=0.0436、b=2.7844である。
0004089833.tif 000037
指紋、唾液及び接着剤は、酸化ハフニウム皮膜に損傷を与えることなく光学的反射器（BK-7）から除去された。試験4及び5ではガスを流すことの重要性が示された。つまり、試験4はガスを流さずに行って除去ができず、試験5では同じパワー及びエネルギー束ともっと低い総エネルギーで、ガスを流して完全な除去が達成された。
ポロ反射鏡の処理表面はその取り付け面に対して奥まっていた。試験1では、接着剤が離れた後でまた処理表面に付着するのが観察された。その後の試験では、ガスノズルの向きを変えて、流れを表面に当てる（表面と平行に流すのでなく）ようにして、流量を増加して除去された汚染物質が効果的に流れに捕捉されるようにした。Ｆeps=0.47J/cm2及びＦpps=13.8MW/cm2では、接着剤と唾液がポロ反射鏡（石英）から除去され、損傷が生じた。
ドーヴプリズム（BK-7）上の粒子は、Ｆeps=0.34J/cm2及びＦpps=10.1MW/cm2で膜への損傷を起こさずに除去された。指紋と接着剤の除去には、それぞれ0.50及び14.6J/cm2という高いエネルギー及びパワー束（１パルス当たり）を必要とした。レーザー反射器（BK-7）及び出力カプラー（BK-7）からは、指紋、粒子、汚れ及び唾液が除去された。
唾液の除去中に数個の表面が損傷を受けた。これは唾液の酸性により腐食が起きたものと考えられる。
f．圧電性基材
この例では、3つの強誘電性材料、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）とタンタル酸リチウム（LiTaO3）及び石英から環境粒子を除去した。最初は無偏光の光を使用したが、粒子を除去する上で効果がなかった。次ぎに前に述べた「偏光」例の全て（7a-e）で行ったように、光学系にビームスプリッタを配置して、反射ビーム920が表面に入射するようにした。これも有効でないことが分かった。次ぎに光学系の配置を変更して、透過ビーム930が処理表面に入射するようにビームスプリッタを配置した。これは、回転鏡455から反射されたレーザー光がビームスプリッタを通って回転鏡456に進むように、図2Bの様に回転鏡455と456の間にビームスプリッタを設置することで行った。図2A及び2Cに模式的に図示した装置を使用して、回転鏡455と回転鏡456の間にビームスプリッタを配置しても、同じ結果すなわち透過中の偏光が得られる。透過した、偏光した光は優れた結果をもたらす。
使用した基材はLiNbO3（試験1-10）、LiTaO3（試験11-16）及び石英（試験17-23）であった。試験番号の中で、文字Nはキャリアガスとして窒素が使われていることを示し、Aはアルゴンを示す。すなわち11Nは窒素とLiTaO3を使った実験を示し、試験19Aは石英基材上にアルゴンガスを流した試験を示す。結果を下の表7ｆにまとめた。これらのデータに使用された補正係数はm=0.1701、b=4.4228である。
0004089833.tif 000038
LiNbO3の場合は、窒素を使用した場合よりも、アルゴンガスを使用したときにもっと効果的に粒子が除去された。この向上した除去効果は、もっと低いエネルギー及びパワー束（１パルス当たり）でも得られた。もっと高いフラックスレート（flux rates）Ｆeps＝0.09J/cm2及びＦpps＝2.8MW/cm2では、LiNbO3基材が損傷した。１スキャン当たりの平均エネルギー束（Ｅeps）は、除去の効率と表面の損傷には無関係と思われる。
結果はLiTaO3でも同様で、窒素と比べて、アルゴンを使用したときに低いフラックスで効果的な除去が得られた。試験16Aで処理された表面は処理前にひびが入った。レーザー光がひびにかかる前まではこの表面から粒子が効果的に除去されたが、その後で基材が粉砕した。
データからは、石英基材に対して除去の効率とキャリアガスの種類の間に何の関係も示唆されない。
強誘電性の基材の場合はキャリアガスの選択の方が重要である。アルゴンは窒素よりもこれらの基材との反応性が低い希ガスなので、試験された基材から粒子を除去する上で、窒素よりもアルゴンガスの方が効果的であると考えられる。
8．裏面の洗浄
基材の不要物質が付着した側と反対側の面を照射することにより、様々な基材を処理した。基材を入射輻射に対してこの向きに配置した場合、不要物質は基材の「裏側」にあると考えられる。上に述べた試験は、基材の照射された側から除去されたので、「前面」洗浄と考えられる。
以下に示す試験に使用された装置は、図2A-Cに示したものと基本的に同じであるが、不要物質を除去する表面が下向きになるように処理サンプルの向きを設定した点が異なる。（サンプルは可変ホルダーでステージの上方に保持される。）このようにして、基材の「望ましい物質」の側、つまり汚染されてない側を、輻射で照射する。ガス供給システムも、ガスを基材の下側を横切って流すような向きに変えて（下に述べる場合を別として）、ビデオカメラは前面を写す向きにした。
a．石英からの多結晶シリコンの除去
この例では、石英炉管を処理して多結晶シリコンの層を除去した。試験片は基本的に例5で述べたものと同じであり、照射の入射領域と照射技術も、サンプルの裏面を照射した他は例5と同じであった。データを表8aに示す。これらのデータに使用された補正係数はm=0.029、b=1.20である。
0004089833.tif 000039
これらのデータは、基材の裏側から輻射を当てることにより、石英基材から多結晶シリコンが除去できることを示す。シリコンが比較的大きな片としてはがれて、基材の与えられた面積にわたってシリコンの全厚みが一回で取れた。これは輻射の前面照射の場合の例5で見られたような、次第に除去されて行くのと対照的である。
b．石英からのマンガンイオンの除去
この例では、乾燥したマンガンの標準溶液（1000ppm Mn++）の残留物からのマンガンイオンで被覆された石英基材を、前面から（試験1-3、レーザービーム近傍のイオン）、裏面から（試験5-7、レーザービームから遠いイオン）、及び両側から継続的に（試験4）照射することにより処理した。これらの試験において、マンガンイオンを持つ表面を横切ってガスを流した。結果を表8b1に示す。これらのデータに使用された補正係数はm=0.0698、b=2.7757である。
0004089833.tif 000040
試験1-4では、処理により基材の表面に副産物又は残留物を生じたが、これは損傷を示すと考えられる。試験5-7ではその様な残留物は観察されなかった。実際、試験4では、前面での操作で生成された残留物は背面処理で除去された。更に試験5-7では完全にイオンが除去され、試験1-3では部分的な洗浄しかできなかった。
以下の試験では、石英基材の不要物質あるいは汚染物質の付着した側と反対側に輻射を照射した（裏面処理）。試験1-4ではガスを前面上に流し、試験5-12では裏面上に流した。データを表8b2に示す。これらのデータに使用された補正係数はm=0.0698、b=2.7757である。
0004089833.tif 000041
これらのデータにより、ガス流は不要物質が付着した表面上に流すべきであることが分かる。試験1-4と試験9-12を比較すると、エネルギー及びパワー束をかなり減少した場合でも、裏面照射を採用することにより、効果的な除去が行えることがわかる。
c．様々な物質からの有機物の除去
この例では、様々な基材物質のサンプルの「前面」に有機物質（黒いインク）を塗布した。これらのサンプルを裏面からの照射で処理した。基材にはa）<100>シリコン、b）電解研磨をした304ステンレス鋼、c）不透明なプラスティック製ウェーファ・キャリア（レーザー光を反射）、d）カルシウム、ナトリウム及びシリコンの特別な組成によるセラミックスである「Canasite」、e）ポリテトラフルオロエチレン（厚み20mil）、f）ポリプロピレン・フィルム（フリーザ用の袋から）及びg）石英に貼ったポリカーボネート製梱包テープが含まれる。結果を下の表8cにまとめた。これらのデータに使用された補正係数はm=0.0698、b=2.7757である。
0004089833.tif 000042
<100>シリコン、ステンレス鋼、プラスティック製ウェーファ・キャリア及びCanasiteからインクは除去されなかったが、石英上のポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン及びポリカーボネートからは効果的に除去された。除去の効率の差は、KrFレーザー光の波長に対する基材物質の透明性の差によるものと思われる。洗浄されなかった物質の全ては、基本的にKrFの光に対して不透明であり、洗浄されたものは少なくともある程度透明であった。ポリテトラフルオロエチレンは試験で使用した厚みの20milではKrFの光をわずかに透過する。
背面洗浄が前面から不要物質を除去するメカニズムは明らかでない。1つの可能性としては光子とフォノン（音響量子）の相互作用がある。照射されたレーザーの場の方向で基材内に音響量子の場を生成できることが知られている。音響量子は、アモルファス又は結晶性固体構造だけでなく、共有結合又はイオン内の結合を振動させることができる。与えられた周波数で、これらの振動は望ましい物質と不要物質との間の結合を破壊するのに十分なエネルギーを伝達することができると考えられている。音響量子の強度は、表面の結晶界面、表面上の薄膜被覆及び、不要物質の性質によって強化される可能性がある。音響量子に関する参考文献としては、A. Neubrand及びP. Hess「レーザーの発振と表面弾性波の検出：表面層の弾性的特性」、応用物理学会誌、vol.71（1）（1992）、pp.227-38；R. Hrovatin及びJ. Mozina「透明板内でレーザーにより誘発された表面波の光学的な検出」、応用物理学会誌、vol.71（12）（1992）、pp.6192-6194；及びO. Knipp「段差を持つ表面上の音響量子」Physics Review B、凝縮物質、vol.43（15）pp. 6908-23がある。
9．化学吸着の強化
’968特許で述べられているように、不活性ガスを流しながら高エネルギー光子で処理表面を照射する（本請求で開示される方法に従って）ことで基材を前処理することにより、膜の導電性又は絶縁性を劣化させる可能性のあるカーボン汚染物質を除去し、半導体の表面上の薄膜の成長（有機金属膜の酸化シリコン基材への化学吸着などによる）を促進できる。同じ処理によって薄膜の除去も可能である。この様な表面処理及び除去は、ガスを流すという条件下ではなく高真空という条件ではあるが、その後ガラス及び溶融シリコン製スライド上のいくつかの有機シラン膜について報告された。Dulcey他「化学吸着された単分子膜の深紫外光化学：パターン化された共平面分子集合」Science Vol.252,551-554（1991年4月）。親出願で示されるように、金属、シリコン系材料及び金属とシリコン系材料の両者の酸化物を含む様々な基材から様々な不要物質を除去することができる。本発明の方法を利用して不要物質と基材の間の結合を破壊して、その後該基材を望ましい物質に接触させることにより、その様な任意の基材を処理して望ましい物質を化学吸着させたい結合箇所から汚染物質（不要物質）を除去することができる。
【図１】
0004089833.tif 000043
【図２Ａ】
0004089833.tif 000044
【図２Ｂ】
0004089833.tif 000045
【図２Ｃ】
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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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