JPH04354865A - 超低速クラスターイオンビームによる表面処理方法 - Google Patents

超低速クラスターイオンビームによる表面処理方法

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JPH04354865A JP3129512A JP12951291A JPH04354865A JP H04354865 A JPH04354865 A JP H04354865A JP 3129512 A JP3129512 A JP 3129512A JP 12951291 A JP12951291 A JP 12951291A JP H04354865 A JPH04354865 A JP H04354865A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、超低速イオンビーム
による表面処理方法に関するものである。さらに詳しく
は、半導体、その他電子デバイス等の表面清浄化やその
改質に有用な、常温で気体状物質のクラスターを用いて
の超低速イオンビームによる表面処理方法に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来より、半導体等の電子デ
バイスの表面清浄化や、イオン注入による表面改質、あ
るいは薄膜形成などを目的に各種の気相反応方法が開発
され、たとえばスパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤ、イ
オンビーム蒸着などの方法が実用化されてきている。
【０００３】しかしながら、これら従来の方法の場合に
は、対象とする固体表面の損傷、劣化等の好ましくない
影響を避けることが難しく、高精度、高品質な電子デバ
イスの製造等にとって大きな課題となっていた。すなわ
ち、たとえば、表面清浄化の方法としてＡｒイオンなど
の不活性ガスイオンを用いて固体表面に照射し、表面に
吸着している不純物原子や酸化物をスパッタリングして
清浄化する方法が知られている。しかしながら、この従
来の方法の場合には、入射エネルギーが１００ｅＶ以下
ではイオン電流が極端に少なくなるため、入射エネルギ
ーを数ｋｅＶと高くしたイオンビームを利用しなければ
ならなかった。そのため、固体表面に欠陥を発生させた
り、あるいはＡｒが表面に注入され不純物原子となるた
め、清浄な表面が得られない等の欠点があった。また、
単原子や分子状のイオンを用いた固体表面へのイオン照
射では、固体内部にイオンが注入されるため、極く浅い
表面表層部のみの改質は困難であった。
【０００４】このため、ＵＬＳＩ等の高度エレクトロニ
クスの発展へと向うための基盤技術として、イオンビー
ムを用いながらも無損傷で固体表面を清浄化クリーニン
グし、あるいはまた、固体表面の極めて浅い表層部への
イオン注入を行うことができる新しいイオンビーム技術
の実現が強く望まれていた。この発明は、以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、従来のイオンビーム
技術の欠点を解消し、固体表面に欠陥のない無損傷表面
清浄化クリーニングや、極めて浅い表層部のみにイオン
注入層を形成することなどが可能となる新しいイオンビ
ーム表面処理方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、常温で気体状物質の塊状原子集
団または分子集団であるクラスターを形成し、これに電
子を浴びせて生成させたイオンを加速電圧によって加速
して固体表面に照射することを特徴とする超低速イオン
ビームによる表面処理方法を提供する。
【０００６】また、この発明はクラスターイオンによっ
て固体表面の無損傷クリーニングを行う方法や、２〜１
０原子層程度の極めて浅い表面表層部のイオン注入を行
うことをその具体的態様の一つとしてもいる。すなわち
、この発明は、前記した通りの常温で気体状の物質、た
とえば炭化物、酸化物、弗化物、塩化物、水素化物、硫
化物、希ガス物質およびそれらの適度な割合での混合気
体状の物質などを用い、これら物質のクラスターイオン
を固体表面に超低速イオンビームとして照射することを
特徴としている。この場合、クラスターは、通常数百個
の原子によって構成されているのでたとえ印加電圧が１
ｋＶでもそれぞれの原子は、１０ｅＶ以下の超低速イオ
ンビームとして、照射される。
【０００７】以下、実施例を示してさらに詳しくこの発
明の超低速イオンビームによる表面処理方法について説
明する。
【０００８】
【実施例】添付した図面の図１は、この発明の超低速イ
オンビームによる表面処理装置の概略図である。この図
１に沿ってクラスターイオンビームを用いた表面クリー
ニング方法について説明すると、まずＣＯ２　や弗化物
あるいは塩化物などの常温で気体状のガスを導入孔（１
）を通してガスソース（２）にガス圧力が数気圧になる
まで導入する。次いで、導入したガスをガスソース（２
）の先端に設けられたノズル（３）から噴射する。この
時断熱膨脹によって数百個の原子から成るクラスター、
すなわち塊状原子集団あるいは塊状分子集団が形成され
る。このクラスターをスキマー（４）を通じイオン化部
（５）に導く。イオン化部（５）を通過するときにその
クラスターの一部はイオン化されクラスターイオンとな
る。次いで、このクラスターイオンは加速電極（６）及
び基板ホルダー（７）に印加された負の加速電圧によっ
て加速され、基板（８）に衝突する。１個のクラスター
は数百個の原子から構成されているので、印加電圧が１
ｋＶでもそれぞれの原子は１０ｅＶ以下の超低速ビーム
となって基板に衝突する。
【０００９】図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、この装置のた
めのノズル（３）を例示したものである。いずれもたと
えばガラス製のノズルとすることができる。そして、た
とえばこれらのノズルを、Ｌ型ノズル（ａ）、Ｍ型ノズ
ル（ｂ）およびＳ型ノズル（ｃ）と呼ぶことができる。 ノズルの直径（ｄ１　〜ｄ３　）および出口直径（Ｄ１
　〜Ｄ３　）は、各々、０．１ｍｍおよび３ｍｍとなる
ように設計する。製造したノズル直径の実測値は次の通
りであった。
【００１０】ｄ１　＝０．１８ｍｍ ｄ２　＝０．１５ｍｍ ｄ３　＝０．１２ｍｍ また、ノズルの発散部の長さ（ｌ１　〜ｌ３　）は、Ｌ
型、Ｍ型、Ｓ型ノズルでそれぞれ３２ｍｍ、１４ｍｍ、
１０ｍｍとした。なお、ノズルの長さや直径は、ガスの
種類によって異なり、断熱膨張によってクラスターが形
成される寸法にする。また、ノズルの材料はガラス製以
外の金属製でもよい。
【００１１】図３は、このうちのＬ型ノズルから噴射し
たビームの強度分布である。ビームの強度はイオンゲー
ジによって測定した。また、スキマー（４）とノズル（
３）との距離は１ｃｍに固定し、ノズル（３）の位置を
ビームに垂直な方向に変化させてビーム強度を測定した
。この図３より、ビームが中心に偏よった指向性ビーム
となっており、その指向性はガス供給圧力（Ｐ０　）の
増大とともに大きくなることがわかる。
【００１２】図４はＬ型ノズルを用いて、ガス供給圧力
（Ｐ０　）を０．４気圧から３．０気圧まで変えて測定
したＣＯ２　ビームの電子線回折パターンの強度分布で
ある。Ｓ値は、Ｓ＝（４π／λ）Ｓｉｎ２θの関係を示
している。 この図４より、ガス供給圧力（Ｐ０　）の増大とともに
、それぞれのピークは大きくなっていることがわかる。 （１１１）面からの回折ピークの半値幅とそのピークの
位置（回折角度）とからクラスターの大きさ、すなわち
サイズが計算できる。その計算結果を示したものが図５
である。Ｌ型、Ｍ型、Ｓ型ノズルいずれの場合も、クラ
スターサイズはガス供給圧力の増大とともに増大してい
ることがわかる。特に、Ｌ型ノズルでは、サイズは１０
００〜５０００に分布している。
【００１３】また、ＣＯ２　クラスターイオンをＳｉ基
板に照射したときの損傷効果を調べるために、このクラ
スターイオンの加速電圧を変えてＳｉ基板に照射した後
、そのＳｉ基板の屈折率をエリプソメータによって測定
した。図６は、ＣＯ２　クラスターおよびＣＯ２　単分
子のイオンをそれぞれ照射したＳｉ基板の屈折率と加速
電圧との関係である。ＣＯ２　単分子の場合、屈折率は
加速電圧の増大とともに増加し、イオン照射によって表
面が非晶質状態になっていることがわかる。一方、ＣＯ
２　クラスターイオンの照射では、屈折率は加速電圧が
４ｋＶまでほとんど一定である。また、その値は未照射
のＳｉ基板の値と同程度あり、照射損傷は極めて小さい
ことがわかる。
【００１４】図７は、ＣＯ２　クラスターイオンおよび
単分子イオンを加速電圧Ｖａ＝３ｋＶでＳｉ基板に照射
した後、このＳｉ基板をラザフォードバックスキャタリ
ング（ＲＢＳ）法で測定した結果を示したものである。 約２８０チャネル付近のピークの面積から、損傷を受け
たＳｉ原子の数は、ＣＯ２　クラスターイオンの照射の
場合、未照射のＳｉ基板のピークの面積と同程度であり
、イオン照射による損傷は小さいことがわかる。なお、
クラスターの１分子当りの入射エネルギーは約６ｅＶで
、単分子１個当りの入射エネルギーの３ｋｅＶに比べて
非常に小さい。
【００１５】以上の結果より、クラスターイオンを用い
ることにより、基板表面への入射エネルギーは表面の原
子を変位させるために必要なエネルギーより小さくでき
るため、基板表面に欠陥は発生しないことがわかる。ま
た、基板表面に吸着した不純物原子や酸化物などの吸着
エネルギーは数ｅＶ以下であるので、基板表面に吸着し
た不純物や酸化物はスパッタされて表面から除去される
。さらに、ＦやＣｌなどは化学的に活性であるため、そ
れぞれの原子が持っている運動エネルギーと併せ、加熱
しなくても固体表面の酸化物などの除去に有効である。 なお、クラスターイオンは、必要であれば、電界や磁界
等を用いて質量分離して基板表面に照射してもよい。
【００１６】このように、この発明の方法によって固体
表面に欠陥のない清浄な表面が低温でも形成できるため
、この清浄な表面を用いた単結晶成長が可能となり、さ
らにはこれらの材料を用いた電子デバイスのモノリシッ
ク化にも応用でき、その効果は大きい。また、クラスタ
ーの基板への入射エネルギーは自由に制御できるので、
たとえば図８に示すように、極く浅い表面表層部へのイ
オン注入による表面改質も実現できる。さらに、ガスに
よっては基板表面に堆積させ、低速イオンビームによる
化学蒸着（ＣＶＤ）も実現できる。
【００１７】
【発明の効果】この発明により、以上詳しく説明した通
り、超低速イオンビームによって表面無損傷クリーニン
グや、表面表層部イオン注入などの高精度、高精密表面
処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のイオンビーム処理装置の一例を示し
た断面構成図である。
【図２】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、図１の装置のノ
ズルの形状を例示した断面図である。
【図３】ＣＯ２　ビームの強度分布図である。
【図４】ＣＯ２　ビームの電子線回折パターンの強度分
布図である。
【図５】クラスターサイズと供給ガス圧力との相関図で
ある。
【図６】屈折率と加速電圧との相関図である。
【図７】ＲＢＳスペクトル図である。
【図８】クラスターイオンを用いたイオン注入の概要図
である。
【符号の説明】
１　　ガス導入孔 ２　　ガスソース ３　　ノズル ４　　スキマー ５　　イオン化部 ６　　加速電極 ７　　基板ホルダー ８　　基　　板

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　常温で気体状物質の塊状原子集団また
    は分子集団であるクラスターを形成し、これに電子を浴
    びせて生成させたイオンを加速電圧によって加速して固
    体表面に照射することを特徴とする超低速イオンビーム
    による表面処理方法。
  2. 【請求項２】　　固体表面の無損傷クリーニングを行う
    請求項１の表面処理方法。
  3. 【請求項３】　　固体表面の浅い表層部にイオン注入を
    行う請求項１の表面処理方法。
  4. 【請求項４】　　イオンがクラスターイオンからなる請
    求項１，２または３の表面処理方法。
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