(57)【要約】【課題】基板上に所望のサイズのクラスター粒子を所望の堆積量分布に従って形成する。【解決手段】所定サイズのクラスター粒子からなるイオンビームを出射することが可能なイオンビーム出射手段（２）と、イオンビーム出射手段（２）から出射されたイオンビーム（１４）の照射方向を可変する照射方向可変手段（４）と、イオンビームの照射方向に配置された基板（８）と、イオンビーム（１４）の基板（８）上での強度分布を推定するためのイオンビーム強度分布推定手段（２０）と、基板上に所望の堆積量分布を有するクラスター粒子を形成するために、イオンビーム強度分布推定手段（２０）によって推定された強度分布に基づいて、イオンビーム出射手段（２）および照射方向可変手段（４）を制御する制御装置（１２）と、を備える、クラスター粒子堆積装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定サイズのクラスター粒子からなるイオンビームを出射することが可能なイオンビーム出射手段と、
前記イオンビーム出射手段から出射されたイオンビームの照射方向を可変する照射方向可変手段と、
前記イオンビームの照射方向に配置された基板と、
前記イオンビームの前記基板上での強度分布を推定するためのイオンビーム強度分布推定手段と、
前記基板上に所望の堆積量分布を有するクラスター粒子を堆積するために、前記イオンビーム強度分布推定手段によって推定された強度分布に基づいて、前記イオンビーム出射手段および前記照射方向可変手段を制御する制御装置と、を備える、クラスター粒子堆積装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、更に、前記クラスターイオンビームの照射密度可変手段を備え、前記制御装置は、更に前記照射密度可変手段を制御して前記基板上に所望の堆積量分布を有するクラスター粒子を堆積する、クラスター粒子堆積装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の装置において、更に、前記イオンビームによって前記基板に生成されるイオン電流をモニタするための電流モニタ手段を備え、前記制御装置は、前記電流モニタ手段の出力を参照して前記基板上に所望の堆積量分布を有するクラスター粒子が堆積されたか否かを判定する、クラスター粒子堆積装置。
【請求項４】
請求項1乃至３の何れか１項に記載の装置において、前記イオンビーム強度分布推定手段は、前記イオンビームによって照射される表面とは反対側の表面上に電極を形成した第２の基板と、前記第２の基板の前記電極に流れるイオン電流を測定するための装置と、を含む、クラスター粒子堆積装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、前記第２の基板に形成される前記電極は複数の微小電極を含み、前記イオン電流を測定するための装置は、前記各微小電極のそれぞれを流れるイオン電流を独立して測定可能な装置を含む、クラスター粒子堆積装置。
【請求項６】
イオンビーム強度分布測定用の基板上で、所定サイズのクラスター粒子からなるイオンビームの強度分布を測定し、
前記所定サイズのクラスター粒子を基板上に所望の堆積量分布で形成するために、前記測定されたイオンビームの強度分布に基づいて、イオンビーム強度およびイオンビーム偏向量の制御シーケンスを決定し、
前記決定された制御シーケンスに基づいて堆積プロセスを実行する、各段階を含む、クラスター粒子堆積方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、
前記イオンビームの強度分布を測定する段階は、前記イオンビーム強度分布測定用の基板の裏面に複数の微小電極を設け、前記基板へのイオンビームの照射時に前記各電極を介して流れるイオン電流を検出することにより実施される、クラスター粒子堆積方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載の方法において、前記制御シーケンスを決定する段階は、前記測定されたイオンビーム強度分布に基づいてコンピュータシミュレーションを行って、前記基板上に前記クラスター粒子を所望の堆積量分布で堆積させるための最適制御シーケンスを決定することを含む、クラスター粒子堆積方法。
【請求項９】
請求項６乃至８の何れか１項に記載の方法において、前記堆積プロセスの実行に並行して前記基板に生成されるイオン電流をモニタし、このモニタ値に基づいて実際の堆積量と前記制御シーケンスによる予定堆積量とのずれを検出し、このずれを補償するように前記制御シーケンスを修正する、クラスター粒子堆積方法。
【請求項１０】
請求項６乃至９の何れか１項に記載の方法において、前記堆積プロセスの実行に並行して前記基板に生成されるイオン電流をモニタし、このモニタ値に基づいて前記基板上に所望の堆積量分布を有するクラスター粒子が堆積されたか否かを判定する、クラスター粒子堆積方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の粒子サイズを有するクラスターイオンビームによって、基板上に所望の堆積量分布を有するクラスター粒子を堆積するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車用の排気ガス浄化装置では、Ｐｔなどの貴金属錯体を酸化物担体に担持し、熱処理することにより貴金属微粒子を形成し、触媒装置としている。このような化学的手法でつくられた場合、複数の金属原子を含むクラスターイオンが発生する。クラスターイオンのサイズ、即ち１個のクラスターを構成する原子の個数は一定ではなく、従って、形成される触媒には異なるサイズの金属クラスターが含まれることとなる。
【０００３】
一方、例えば排気ガス浄化のための触媒では、特定サイズの金属クラスター触媒を形成した場合に高い触媒反応を示すことがわかっている。Ｐｔなどの貴金属は非常に高価で有り、その使用量の削減が大きく求められる。従って、費用対効果の高い触媒装置を形成するためには、反応性の高い特定サイズの金属クラスターからなる触媒を均一に形成する必要がある。このように、所定のサイズの金属クラスターからなる触媒を、基板上でその分布をコントロールしながら形成することの必要性は大きい。
【０００４】
所望のサイズのクラスターイオンを堆積するために、クラスターイオン発生装置と基板との間にクラスターイオンビームを偏向させるための磁場発生装置を設け、所望のサイズのクラスターイオンのみを選択して基板に向かわせるようにした装置が提案されている（特許文献１、２参照）。しかしながらこれらの装置では、基板上のクラスター分布を制御することはできない。
【０００５】
スパッタ装置において、基板上に形成されるクラスター数を制御するために、基板周辺に水晶振動子を利用した膜厚測定器を設け、この膜厚測定器に飛散する粒子量を水晶振動子の固有振動数の変化を測定することにより検出し、この検出値から基板上の堆積クラスター数を推定することも行われている（特許文献３参照）。しかしながらこの膜厚測定器をクラスターイオンビームの基板へ向かう進路上には配置できないため、クラスター粒子の基板上への堆積量と膜厚測定器における測定値との間で一致が保証されず、膜厚測定器での測定結果はあくまで目安として用いられるのが通常であった。
【０００６】
なお、クラスターイオンビームによる堆積を制御するために、堆積速度変化に応じて堆積速度を調整し堆積速度の変動を抑えること（特許文献４参照）、更に、イオン電流を検出し検出値に応じて電位を調整することで、基板に到達するイオン量を制御することが可能となり、その結果、クラスター分布を向上させることができること（特許文献５参照）、等が既に提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−２９０２６６
【特許文献２】特開昭６２−２７５６３
【特許文献３】特開平７−２８３２８１
【特許文献４】特開平６−３３０２９４
【特許文献５】特開平４−１６８２６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上に説明したように、所望のサイズのクラスター粒子を基板上に堆積する装置および方法は既に提案されているが、所望のサイズのクラスター粒子を所望の分布で基板上に堆積させるための装置および方法は未だ提案されていない。その一方で、クラスター粒子のサイズおよび分布を制御して薄膜を形成することの必要性は、上述した排気ガス浄化装置の例を見るまでもなく、強く認識されている。
【０００９】
本発明は、かかる点に関してなされたものであって、所望のサイズのクラスター粒子からなる薄膜を所望の堆積量分布を有して基板上に形成することができる装置および方法を提供することを、その課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、所定サイズのクラスター粒子からなるイオンビームを出射することが可能なイオンビーム出射手段と、前記イオンビーム出射手段から出射されたイオンビームの照射方向を可変する照射方向可変手段と、前記イオンビームの照射方向に配置された基板と、前記イオンビームの前記基板上での強度分布を推定するためのイオンビーム強度分布推定手段と、前記基板上に所望の堆積量分布を有するクラスター粒子を堆積するために、前記イオンビーム強度分布推定手段によって推定された強度分布に基づいて、前記イオンビーム出射手段および前記照射方向可変手段を制御する制御装置と、を備える、クラスター粒子堆積装置を提供する。
【００１１】
上記装置において、更に、前記クラスターイオンビームの照射密度可変手段を設け、前記制御装置は、更に前記照射密度可変手段を制御して前記基板上に所望の堆積量分布を有するクラスター粒子を堆積するようにしても良い。
【００１２】
または、更に、前記イオンビームによって前記基板に生成されるイオン電流をモニタするための電流モニタ手段を設け、前記制御装置は、前記電流モニタ手段の出力を参照して前記基板上に所望の堆積量分布を有するクラスター粒子が堆積されたか否かを判定するようにしても良い。
【００１３】
上記装置において、前記イオンビーム強度分布推定手段は、前記イオンビームによって照射される表面とは反対側の表面上に電極を形成した第２の基板と、前記第２の基板の前記電極に流れるイオン電流を測定するための装置と、を含むようにしても良い。なお、第２の基板に設ける電極は複数の微小電極を含み、イオン電流を測定するための装置は、各微小電極に流れるイオン電流を独立して測定可能な装置を含むようにしても良い。
【００１４】
上記課題を解決するために、イオンビーム強度分布測定用の基板上で、所定サイズのクラスター粒子からなるイオンビームの強度分布を測定し、前記所定サイズのクラスター粒子を基板上に所望の堆積量分布で形成するために、前記測定されたイオンビームの強度分布に基づいて、イオンビーム強度およびイオンビーム偏向量の制御シーケンスを決定し、前記決定された制御シーケンスに基づいて堆積プロセスを実行する、各段階を含む、クラスター粒子の堆積方法を提供する。
【００１５】
上記方法において、前記イオンビームの強度分布を測定する段階は、前記イオンビーム強度分布測定用の基板の裏面に複数の微小電極を設け、前記基板へのイオンビームの照射時に前記各電極を介して流れるイオン電流を検出することにより実施するようにしても良い。
【００１６】
上記方法において、更に、前記制御シーケンスを決定する段階は、前記測定されたイオンビーム強度分布に基づいてコンピュータシミュレーションを行って、前記基板上に前記クラスター粒子を所望の堆積量分布で堆積させるための最適制御シーケンスを決定するようにしても良い。
【００１７】
上記方法において、更に、前記堆積プロセスの実行に並行して前記基板に生成されるイオン電流をモニタし、このモニタ値に基づいて実際の堆積量と前記制御シーケンスによる予定堆積量とのずれを検出し、このずれを補償するように前記制御シーケンスを修正するようにしても良い。
【００１８】
上記方法において、更に、前記堆積プロセスの実行に並行して前記基板に生成されるイオン電流をモニタし、このモニタ値に基づいて前記基板上に所望の堆積量分布を有するクラスター粒子が堆積されたか否かを判定するようにしても良い。
【発明の効果】
【００１９】
上記装置では、所定サイズのクラスター粒子からなるイオンビームを基板に照射した場合の、基板上でのイオンビームの強度分布を予め推定する手段を設けており、制御手段は、推定されたイオンビーム強度分布に基づいてイオンビーム出射手段、イオンビーム照射方向の可変手段、あるいはイオンビーム照射密度可変手段を制御することにより、基板上に所望のクラスター粒子堆積量および堆積量分布を形成することができる。
【００２０】
また、イオンビーム照射による堆積プロセスにおいて、基板に生成されるイオン電流をモニタする手段を設けることによって、このモニタ値から基板上に所望の（目的）堆積量が達成されたか否かを容易に知ることができる。
【００２１】
上記装置を使用してクラスター粒子堆積分布を形成する場合に、イオンビーム強度分布推定手段によって推定されたイオンビーム強度分布に基づいて堆積プロセスのコンピュータシミュレーションを行うことによって、所望の堆積量分布を達成するための最適制御シーケンスを決定することができる。この制御シーケンスに従って上記装置を駆動し、堆積プロセスを実施することにより、所望の堆積量、堆積量分布を有するクラスター分布を容易に形成することができる。
【００２２】
また、堆積プロセスの実施と並行して基板に生成されるイオン電流をモニタすることにより、基板上に所望の堆積量を有するクラスター粒子分布が形成されたか否かを容易に知ることができる。更に、モニタ値に基づいて実際の堆積プロセスにおける堆積量を検出し、これを予め決定された制御シーケンスにおける予定堆積量と比較することで、堆積プロセスが順調に進行しているか否かを判定することができる。もし、堆積プロセスが順調に進行していない場合は、ずれを補償するように制御シーケンスを修正すれば良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、同一の符号は同一あるいは類似の構成要素を示すので重複した説明は行わない。
【００２４】
図１は、一実施形態にかかるクラスター粒子堆積装置１の構成を示す概略図である。図において、２はクラスターイオン発生源、４は偏向電極、６はイオンレンズ、８は基板、１０は電流測定手段、１２はコンピュータなどの制御装置を示す。なお、図１において、各手段の電源装置は省略して示している。
【００２５】
クラスターイオン発生源２は、Ｐｔなどの貴金属、遷移金属などを含む全ての金属をターゲット材料として装着し、これに、例えばアルゴンイオンを照射することによって金属のクラスターイオンを発生させる。１個のクラスターイオンを構成する金属原子の数は、１個から数千、あるいは数万個まで広い範囲にわたっているが、その帯電量は＋１である。クラスターイオン発生源２はマスフィルタを内蔵しており、従ってクラスターイオン発生源２からはこのフィルタを通過したクラスターイオン、即ち、一定の粒子数からなるクラスター粒子イオンのみが出射される。クラスターイオンの粒子サイズ（粒子の個数）は、マスフィルタの設定によって任意に選択可能である。
【００２６】
クラスター粒子のサイズ選別が可能なクラスターイオン発生源２は、例えば、「イオンファネル装着クラスターソースのクラスター生成特性」（分子科学討論会、４Ｐ０３７、２００７年）において報告されているものを使用することができる。
【００２７】
偏向電極４は、クラスターイオン発生源２から出射したクラスターイオンビーム１４の進行方向を任意の方向に可変するための手段、即ち、イオン照射方向可変手段であり、イオンレンズ６はクラスターイオンビームのビーム径を可変する手段、即ち、イオン照射密度可変手段である。偏向電極４、イオンレンズ６は周知の装置であるため、その構成についてここでは詳述しない。
【００２８】
基板８は、クラスターイオンビーム１４の進行方向上に配置され、クラスターイオンビームの照射によってクラスター粒子が堆積される。基板８上での堆積粒子の分布は、偏向電極４およびイオンレンズ６を調整することにより変更することが可能である。偏向電極４、イオンレンズ６の調整は制御装置１２によって行われる。電流測定装置１０は、基板８にクラスターイオンが衝突することによって生成されたイオン電流を測定する。
【００２９】
金属のクラスターイオンはそのサイズによらず、通常、＋１価であるため、イオン電流を測定することによって基板８に堆積したクラスターイオンの個数を推定することが可能である。即ち、基板８上に堆積されるクラスター粒子の量は、基板８の裏面（イオンビームの照射面とは反対側の面）に設けられた電極（図示せず）に接触するプローブ（図示せず）を有する電流測定装置１０によってイオン電流をモニタすることにより検出される。
【００３０】
コンピュータなどの制御装置１２は、周知のように、ＣＰＵ、メインメモリ、外部記憶装置、入力装置、出力装置等を含み、入力装置を介して入力されたパラメータに基づいて内蔵のプログラムに従った制御出力を形成し、これを出力装置を介して外部装置に出力する。ここで、外部装置とは、クラスターイオン発生源２、偏向電極４、イオンレンズ６である。
【００３１】
例えば、制御装置１２は、ユーザ入力あるいは内蔵プログラムに従って、クラスターイオン発生源２におけるイオンビームの発生量を設定し、また、マスフィルタの設定を変更することによって出射されるクラスター粒子のサイズを変更することができる。更に、偏向電極４、イオンレンズ６に印加する電圧を調整することにより、イオンビーム１４を基板８上で任意に偏向させることができる。
【００３２】
制御装置１２はまた、基板８に生成されるイオン電流を電流測定手段１０によってモニタすることにより、基板８上に堆積されたクラスター粒子の量（個数）を検出し、その値が予め決定した値に到達した場合、クラスターイオン発生源１２におけるクラスターイオンの発生を停止させる。あるいは、偏向電極４を制御して、クラスターイオンビーム１４が基板８に達しないようにし、それ以上の不要なイオンの基板８上への堆積を防止する。
【００３３】
なお、図１の装置において、堆積プロセスの開始前後に不要なイオンビームが基板８上に達しクラスター粒子として堆積されるのを防止するために、図示の偏向電極４とは異なる電極群を設け、不要なイオンビームが基板８以外の方向に向かうように偏向させることも可能である。
【００３４】
図１の装置において、電流測定手段１０によって基板８上に堆積されたクラスター粒子の総数を知ることができるが、基板８上に形成されたクラスター分布を知ることはできない。本実施形態の装置では、基板上に所望の分布を形成するために、イオンビーム強度分布測定手段によって測定された強度分布に基づいて、実際の堆積プロセスにおけるイオンビームの強度分布を推定し、推定強度分布に従ってイオンビーム発生装置２、偏向電極４、イオンレンズ６等を制御して所望の堆積量分布を有する試料を形成するようにしている。
【００３５】
図２は、イオンビーム強度分布測定手段２０の一例を示す図である。図において、２２はイオンビーム強度分布測定用の基板であって、基板８と同様の材料で形成され、通常、同じサイズを有している。基板２２を基板８と区別するために、基板２２を条件出し基板と称する。条件出し基板２２の裏面（イオンビーム１４の照射面とは反対側の面）には、基板２２の微小面積をカバーする多数の電極２４が形成されている。
【００３６】
条件出し基板２２を、図１の装置の基板８が配置される位置において、任意に設定された基準時間だけイオンビームを照射すると、イオン粒子の基板上への堆積によってイオン電流が形成される。このイオン電流は、各電極２４に接続されたプローブ２６を介して電流測定装置２８によって検出され、コンピュータ３０において基板２２上のイオンビーム強度分布に変換される。このようにして、条件出し基板２２を用いて基準時間におけるイオンビーム強度分布が測定されると、これを、実際の堆積時のイオンビーム強度分布として推定する。
【００３７】
なお、電流測定装置２８およびコンピュータ３０は、図１に示す電流測定装置１０とコンピュータ１２であっても良いが、電流測定装置２８の場合、プローブ２６は各電極２４に対応した個数を設ける必要がある。あるいは他の実施形態として、１個あるいは複数のプローブによって各電極２４を走査してイオン電流値を検出するようにしても良い。また、図２の装置では条件出し基板２２上に基板表面を全体的に網羅するように微小電極２４を配置しているが、基板２２自体を微小基板とし、その裏面（イオンビームの照射される側とは反対側の表面）に一個の電極を設けるようにしても良い。この場合は、微小基板を移動させて必要な範囲のイオン電流の分布を測定すれば良い。
【００３８】
図３は、図２に示す装置を用いて測定された、条件出し基板２２上でのイオンビーム強度分布の一例を示す。図の縦軸は、電流量を、横軸は条件出し基板２２の、例えば、Ｘ軸上での位置を示している。図３では、基板の一方向上でのイオンビーム強度分布を示しているが、実際は基板面全体でのイオンビーム強度分布が得られる。
【００３９】
図４は、本発明の一実施形態に従って、基板上に所定サイズのクラスター粒子の薄膜を所望の総堆積量、堆積量分布に従って形成する場合の、装置の動作手順を示すフローチャートである。以下に、このフローチャートに沿ってクラスター粒子の堆積方法を説明する。
【００４０】
まず、ステップＳ１において、目標とする総堆積量および目標堆積量分布を決定する。この値は、コンピュータ１２に入力される。次のステップＳ２において、堆積に使用するイオンビームのイオンビーム強度分布を測定する。この測定は例えば、図２に示す条件出し基板２２上の各電極２４におけるイオン電流を電流測定装置２８によって測定することにより行われる。測定結果は、実際の堆積時のイオンビーム強度分布の推測データとして、コンピュータ３０に保存される。
【００４１】
なお、図４に示す実施形態では、目標堆積量、目標堆積量分布の決定ステップ（ステップＳ１）の後でイオンビーム強度分布の測定（ステップＳ２）を実行しているが、この順序は任意であって、ステップＳ２の後にステップＳ１を実行するようにしても良いことはもちろんである。
【００４２】
ステップＳ３では、コンピュータ３０に保存されたイオンビーム強度分布データを利用してあらかじめ用意されたプログラムに従い堆積のコンピュータシミュレーションを行う。その結果として、目標堆積量、目標堆積量分布に到達するための最適制御シーケンスを決定する。最適制御シーケンスは、図１の装置であれば、イオン発生源２、偏向電極４、イオンレンズ６をどのように制御すれば、目標堆積量および目標堆積量分布を有する試料が最も効率的に基板８上に形成されるかを示すものである。
【００４３】
ステップＳ３で最適制御シーケンスが決定されると、ステップＳ４では、この制御シーケンスに従って図１の装置を駆動し、実際の堆積プロセスを実施する。このとき、同時並行的に基板８に生成されるイオン電流を電流測定装置１０によりモニタする。モニタ結果はコンピュータ１２に入力される。ステップＳ５において、コンピュータ１２は、入力されたイオン電流のモニタ値が、ステップＳ３で予め決定された制御シーケンスによって予測される値と一致しているか否かを判定する。即ち、コンピュータ１２は例えば１分ごとに、イオン電流のモニタ値（積算値）から推測されるクラスター粒子の堆積量が、予め決定された制御シーケンスにおけるその時点での堆積量の予測値と一致しているか否かを判定する。
【００４４】
ステップＳ５でＮＯの場合、即ち、イオン電流のモニタ値から算出した堆積量と予め決定した制御シーケンスから予測される堆積量との間にずれがあれば、ステップＳ６においてイオン発生源２の制御を修正する。例えば、イオン電流のモニタ値から算出した堆積量が予測値よりも少ない場合は、より多くのクラスターイオンが生成されるようにイオンビーム発生源２を制御する。イオン電流のモニタ値から算出した堆積量が予測値よりも多い場合は、イオンビーム発生源２から生成されるイオンビームの量をより少なくする制御を行う。イオンビーム発生源の制御修正が終了すると、再びステップＳ４以下を実行し、堆積プロセスを続行する。
【００４５】
ステップＳ５でＹＥＳの場合、即ちイオン電流のモニタ値から算出したクラスター粒子の堆積量が制御シーケンスにおける予測値と一致している場合は、ステップＳ７において、イオン電流のモニタ値から算出されるクラスター粒子の堆積量が目標堆積量に到達したか否かを判定する。ステップＳ７でＹＥＳの場合は、ステップＳ８において堆積プロセスを停止する。なお、堆積プロセスを停止する場合、イオンビーム発生源２を停止するか、あるいは偏向電極４を制御してイオンビームが基板８の方向とは異なる方向に向かうようにしても良い。ステップＳ７でＮＯの場合は、ステップＳ４に戻って堆積プロセスを続行する。
【００４６】
以上によって、基板上に、所望の粒子サイズを有するクラスター粒子分布が、所望の堆積量分布に従って形成される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】一実施形態にかかるクラスター粒子堆積装置の構成を示す概略図。
【図２】条件出し基板を用いたイオンビーム強度分布測定装置の構成を示す概略図。
【図３】イオンビーム強度分布を示す図。
【図４】一実施形態にかかるクラスター粒子の堆積方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４８】
１    クラスター粒子堆積装置
２    イオンビーム発生源
４    偏向電極
６    イオンレンズ
８    基板
１０    電流測定装置
１２    制御装置（コンピュータ）
１４    イオンビーム
２０    イオンビーム強度分布測定装置
２２    条件出し基板
２４    電極
２６    プローブ
２８    電流測定装置
３０    コンピュータ
【図１】
2009191306.tif 000003
【図２】
2009191306.tif 000004
【図３】
2009191306.tif 000005
【図４】
2009191306.tif 000006