JP2015517020A - 層を形成する方法 - Google Patents

Abstract

層を形成する方法であって、当該方法は、その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、基板の表面に向かって粒子ビームを送ることとを含み、前記粒子ビームは、適度に荷電したイオン（ＭＣＩ）を含み、実質的にすべてのＭＣＩは、?２〜?６の電荷と約２００ｅＶ以下の運動エネルギとを個別に有し、前記ＭＣＩは、約３０Åを超えて基板の表面内に侵入せず、基板上に層を形成する。

Description

背景
数ナノメートル深さまでの準単分子層の規模での表面、界面、または準表面層の材料工学が多くの多様な分野において技術的により一層重要になりつつある。そのような分野は、たとえば、数例を挙げると、データ記憶、マイクロエレクトロニクス、触媒作用、およびバイオ医学用途を含むことができる。したがって、そのような材料工学を実行するための新規なプロセスが常に必要である。

概要
表面ナノ工学技術におけるプロセス相互作用は、表面層原子に、または表面から数結合長内の深さに制限され得る。たとえば表面注入（ＳＩ）、表面サブプランテーション（ＳＳＰ）、エッチング、ドーピング、および界面工学を含む表面ナノ工学技術を展開し向上させるための方法がここに開示される。ここに開示される方法は、緩速、低速から適度に多重荷電した単原子または分子またはクラスタ、イオンを利用する。用途は、たとえば表面から数ナノメートル延在する深さ規模の表面改質、材料合成および構成上の変更、エッチング、および界面工学を含むことができる。ここでは炭素または水素化炭素膜について述べるが、開示される方法は、たとえばグラフェンおよび他の要素または要素の組合せを含む他の材料に広く適用可能である。いくつかの実施形態では、およそ２５０原子質量単位までの要素の層およびその組合せを形成することができる。さらに、たとえば準安定の表面組成または表面層を含む様々な種類の材料を形成することができる。ここに含まれる炭素膜への言及は例示にすぎず、したがって本開示の範囲を例示するが、限定しないことが意図される。

層を形成する方法がここに開示される。当該方法は、その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、基板の表面に向かって粒子ビームを送ることとを含み、粒子ビームは、適度に荷電したイオン（ＭＣＩ）を含み、実質的にすべてのＭＣＩは、±２〜±６の電荷と約２００ｅＶ以下の運動エネルギとを個別に有し、ＭＣＩは、約３０Åを超えて基板の表面内に侵入せず、基板上に層を形成する。

また、層を形成する方法がここに開示される。当該方法は、その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、基板の表面に向かって粒子ビームを送ることとを含み、粒子ビームは、適度に荷電したイオン（ＭＣＩ）を含み、実質的にすべてのＭＣＩは、±２〜±１０の電荷と約２０００ｅＶ以下の運動エネルギとを個別に有し、ＭＣＩは、約５０Åを超えて基板の表面内に侵入せず、基板上に層を形成する。

層を形成する方法であって、当該方法は、その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、基板の表面に向かって粒子ビームを送ることとを含み、粒子ビームは、適度に荷電したイオン（ＭＣＩ）を含み、実質的にすべてのＭＣＩは、±２〜±１０の電荷を個別に有し、運動エネルギは、約５ｅＶと約２０００ｅＶとの間の運動エネルギを有し、粒子ビームは、少なくとも加速減速ビーム輸送技術を用いて表面に向けて送られ、ＭＣＩは、約３０Åを超えて基板の表面内に侵入せず、基板上に層を形成する。

本開示の上記の概要は、本開示の開示される各実施形態またはあらゆる実装例を説明するものとは意図されていない。以下の説明は、例示的な実施形態をより具体的に例証する。出願書類全体にわたるいくつかの場所において、例のリストによって案内が与えられ、当該例は多様な組合せで使用することができる。各インスタンスにおいて、列挙されるリストは、代表的なグループとしてのみ役立ち、排他的なリストとして解釈されるべきではない。

深さ（Å）の関数であるサブプラントされた炭素原子および損傷した原子の両方の濃度を示す図である。 挿入および変位効果によってどのように表面注入が表面密度を変調することができるかを例示する図である。 電荷の関数である炭素含有イオンのイオン寸法減少係数を示す図である。 運動エネルギの関数である単独荷電炭素イオンのモリエール直径を示す図である。

図は必ずしも縮尺通りではない。図で用いられる同じ数字は同じ構成要素を指す。しかしながら、所与の図の構成要素を参照するための数字の使用は、同じ数字が付されている別の図の構成要素を限定することを意図するものではないことが理解されるであろう。

詳細な説明
以下の説明では、この文書の一部を形成し、例示のためにいくつかの具体的な実施形態を示す添付の図面の組を参照する。本開示の範囲または精神から逸脱することなく他の実施形態が企図され、なされ得ることが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味に取られるべきではない。

特に他に記載のない限り、明細書および請求項で用いられる特徴寸法、量、および物性を表わすすべての数字は「約」という用語によりすべての例において変更されると理解すべきである。したがって、特に反対の記載のない限り、上記の明細書および添付の請求項で述べる数値パラメータは、本明細書中に開示される教示を利用して当業者が得ようとする所望の性質に依存して変動することができる概算値である。

終点による数値範囲の記載は、その範囲内に包摂されるすべての数字を含み（たとえば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、および５を含む）、その範囲内の一切の範囲を含む。

本明細書および添付の請求項で用いられる限りにおいて、内容がそうではないことを明示していない限り、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単数形は複数の参照対象を有する実施形態を包含する。本明細書および添付の請求項で用いられる限りにおいて、「または」という用語は、内容がそうではないことを明示していない限り、「および／または」を含むその意味で一般的に用いられる。

「含む」、「含み」などの同様の用語は、包含するが限定されないことを意味し、すなわち含んでいるが排他的ではないことを意味する。「上部（ｔｏｐ）」および「底（ｂｏｔｔｏｍ）」（または「上方（ｕｐｐｅｒ）」および「下方（ｌｏｗｅｒ）」のような他の語）が、関連する記載のために厳密に利用されるが、記載された要素が配置される部品の全体的な配向を示唆するものではないことに留意すべきである。

開示される方法は、限定はしないが、表面注入（ＳＩ）、表面サブプランテーション（ＳＳＰ）、エッチング、ドーピング、および界面工学を含む表面ナノ工学技術を展開し向上させるための方法を提供することができる。ここに開示される方法は、たとえば、データ記憶、マイクロエレクトロニクス、触媒作用、およびバイオ医学用途を含む本質的に無数の用途に利用することができる。

たとえばデータ記憶のための高度なオーバーコート技術などの多くの重要な薄膜用途では、一般に利用される薄膜堆積から表面ナノ工学技術に移行した方が、増大する面密度需要を満たし得る。厚さ、均一性およびプロセス再現性は、オーバーコート工学における一般に利用される品質にとっての重要課題（ＣＴＱ）指標である。開示される方法は、オーバーコートにおいて所望される機械的、化学的、および熱的なロバスト性特性の向上を提供することができる。開示される方法は、表面もしくは近傍表面領域の上および／またはその中に設計される新しい形態の炭素系材料および／または準安定材料を提供して、将来のヘッド媒体間隔（ＨＭＳ）およびオーバーコートの熱的、機械的、および化学的要件を満たすことも可能であり得る。

データ記憶オーバーコートのための薄膜用途の例示的なコンテキストでは、比較的厚い炭素膜（数十ナノメートル〜マイクロメートル）に関する研究によれば、ｓｐ２炭素原子に対するｓｐ３の比率（ｓｐ３／ｓｐ２）の上昇が一般に炭素膜の特徴を向上させることが分かっている。サブプランテーションモデルは、活発な炭素イオンの浅いイオン注入がｓｐ３結合混成（ｓｐ３／ｓｐ２比）の増大に適応させた膜密度の局所的な増大を誘起する高熱処理技術として文献において十分立証されている。これらの技術は、たとえば、ヘッドオーバーコート用途に望ましいものよりも著しく厚い膜について概して報告されている。表面への深さに関する、活発な注入粒子の、基板原子との非線形相互作用により、これらの周知の手法の適用はナノメートル規模の厚さの膜にとって複雑になる可能性がある。

典型的なイオンエネルギ約１００ｅＶでは、サブプラントされた原子の深さおよび結果として生ずる損傷範囲プロファイルは、（オーバーコートの薄い性質によって）オーバーコート用途において有意であり、活発に処理されている表面より下の層および界面の原子組成、結合および構造に大きな影響を及ぼす可能性がある。図１は、１００ｅＶでの深さ（Å）に対するサブプラントされた炭素原子および損傷した原子の量の理論的な表示を示す。長さは、高いｓｐ３含有量をもたらす意図で炭素オーバーコート膜を処理する際、実際の炭素オーバーコート膜が不所望にｓｐ２が豊富な最終表面を有し得るような規模である。これは、ｓｐ３を生成するのに必要とされる原子相互作用が、活発に処理されている表面の下にいくつかの層を生じさせるためのより高い確率を有することができることを示し得る。さらに、イオン相互作用深さを著しく越えて延在する可能性があるイオン運動エネルギの欠陥移動効果または熱放散に起因する望ましくない原子緩和プロセスによって、膜中のあらかじめ生成されたｓｐ３領域がｓｐ２に逆戻りすることができる状況が起こり得る。

出願人が共有している２０１２年４月５日付けで提出され「層を形成する方法（"METHODS OF FORMING LAYERS"）」と題された米国特許出願連続番号第１３／４４００７１号（その開示は引用によってここに援用される）は、深さに依存する合成とは対照的に、膜特性が制御された層ごとの成長を設計するためにＳＳＰ法を用いる表面ナノ工学の方法を開示した。当該開示では、成長が進行するにつれて、サブプランテーション処理効果は、表面層に、および／または連続的に成長した層の頂部のいくつかの表面層に限定された。この特徴は、そのプロセスを従来のサブプランテーション技術から区別するとともに、非線形の原子相互作用効果による効果を排除した（出願人が共有している２０１２年４月５日付けで提出され「層を形成する方法（"METHODS OF FORMING LAYERS"）」と題された他の米国特許出願連続番号第１３／４４００６８号（その開示は引用によってここに援用される）参照）。

ここに開示される方法は、成長が進行するにつれて、層の頂部の数結合長に処理効果を連続的に限定するように努める。これは、基板原子との注入粒子の非線形原子相互作用の影響を最小化するか、または排除することができる。図２は、挿入および変位効果によって表面注入がどのように表面密度を変調することができるかを例示する。炭素を含む膜が形成されているいくつかの実施形態では、これはｓｐ３結合混成を変調することもできる。

図２に見られるように、表面注入または表面サブプランテーション（ＳＳＰ）は、スパッタエッチング、表面エネルギ障壁の侵入およびイオン反射を含むいくつかのメカニズムによって複雑となり得る。これらの効果の算出推定値からプロセスエネルギウィンドウを推定することができる。

ｓｐ３中心生成の有効性の点では、それぞれ（注入誘起フォノンフラックスによる）欠陥移動および熱アニールによって局所的な歪みを緩和するためのメカニズムを供給することによってｓｐ３中心濃度を低減することができる欠陥生成および非弾性エネルギ損失のメカニズムについてさらなる考察を行わなければならない。サブ注入および表面サブプランテーションプロセスにおけるｓｐ３中心の生成および消滅の相対速度（およびｓｐ３中心の生成の正味速度）はしたがって、堆積されたエネルギと、どのように表面および近傍表面領域に連結されるかとについての慎重な制御に依存する。表面侵入に対するエネルギ障壁を克服し、同時に停止距離を数結合長未満に限定するという相反する必要性により、使用可能なエネルギウィンドウが低入射粒子エネルギに抑制される。あいにく、エネルギ学は典型的に、変位衝突において、典型的な原子変位エネルギ（Ｅ_ｄ）に近いエネルギ、Ｅ_ｄ〜２０から２５ｅＶを運動学的に交換することができる。Ｅ_ｄに近いΔΕ交換では、変位された粒子およびその空孔の瞬間的な再結合について高い確率が存在し、ｓｐ３中心形成に必要とされると考えられる局所的な歪みを無くす。分子イオンの使用は、イオンフラグメント上の入射イオンエネルギを分割することによって効果的にＳＳＰプロセスウインドウを拡張する方法として、上で引用した米国特許出願連続番号第１３／４４００７１号において提案された。炭化水素分子イオン、たとえばアセチレンが使用された場合、運動学は表面電位障壁を克服する水素を排除し得るが、それにもかかわらず化学効果はオーバーコート用途では水素を層に取込む場合があり、これは、高い濃度では望ましくない可能性がある。

開示される方法は、上述の現象を利用して、たとえば表面注入（ＳＩ）、表面サブプランテーション（ＳＳＰ）、エッチング、ドーピング、および界面工学に、異なった、かつ／または有利な結果をもたらす。

開示される方法は、概して多数の工程を含むことができ、そのうちいくつかは、基板を供給するステップと、適度に荷電したイオン（ここでは「ＭＣＩ」と称する）を含む粒子ビームを基板に向かって送り、層を形成するステップとを含むことができる。基板の供給は、たとえば、基板をシステム内に配置するか、構成するか、または他の方法で設置することによって行うことができる。

層がその上に形成されることになる基板は、いずれかの種類の材料または構造とすることができる。いくつかの実施形態では、典型的な基板は、層形成がその上で行なわれることになる少なくとも１つの表面を有することができる。そのような表面は「層形成に適合化されている」と称することができ、少なくとも所望の表面上に層が形成されることになるように、処理室に単に配置されることを含むことができる。いくつかの実施形態では、基板は、その上にまたはその中に形成された構造または装置を含むことができる。ある実施形態では、ここに開示される方法を利用して、多様な構造上にオーバーコートを形成することができ、そのような実施形態では、オーバーコートがその上に形成されることになる装置は、基板と考えることができる。層がその上に形成される前に、様々なプロセスおよびプロシージャを任意に基板上で行なうことができる。

いくつかの実施形態では、基板または基板の表面の導電率を考慮することができる。なお、ここに開示される方法を利用して、導電性であろうと、電気的に絶縁していようと、またはそのいくつかの組合せであろうと、事実上いずれかの表面上に層を形成することができることが注目されるべきである。いくつかのインスタンスでは、荷電粒子は、イオン電位エネルギの散逸を引起こす場合があり、金属性表面上のナノスケールの表面破壊をもたらす可能性がある。この現象は非導電性表面上では観察されない場合がある。いくつかの実施形態では、したがって、開示される方法は、非導電性表面を利用してもよい。いくつかの実施形態では、非導電性表面は、層が形成されるべき領域上の絶縁材料のみを含む。いくつかの実施形態では、非導電性表面は非導電性とすることができる。たとえば、他の場合には導電性の表面を、表面処理技術によって非導電性とすることができるか、または非導電性材料でコーティングすることができる。表面処理技術の具体的な例は、開示される方法を使用してｓｐ３含有量がより高い層を塗布することに先立って、ｓｐ２炭素が豊富な前駆炭素層の堆積を含む。

非導電性表面の使用は、表面または基板層との有効なプロセスレベル相互作用が起こることができる前に、材料表面上で中性化されている入射イオンによって引起こされ得る表面中性化効果を低減するかまたは防ぐのに有益でもあり得る。ｓｐ３が豊富な炭素オーバーコートを形成する非常に具体的な限定的でない例についてＭＣＩを利用する別の潜在的な利点は、表面に位置する原子または近傍表面原子準層（sublayer）にいったん侵入すると、入射ＭＣＩの中性化を含む。これは、先に説明したような混成によって局所的な歪みの増大および付随するｓｐ３中心の生成をもたらす波動関数のその後の展開（つまりイオンの有効径の増大）につながり得る。いくつかの実施形態では、表面中性化効果を防ぐために、所望の表面または界面における入射前に電荷が維持されるように、好適に薄い絶縁または負に帯電した材料に侵入するために十分高いエネルギでＭＣＩが入射し得る。同様に、（位置エネルギ交換の検討に関して）必要とされるよりも高い入射粒子電荷を利用して、基板内への侵入で生じ得る電荷中性化を補償し得る。

その導電率に関して、特定の種類の表面を有することが望ましい場合があるインスタンスがあり得るとしても、いずれかの種類の基板および／または表面をここで利用することができることが再び注目されるべきである。

開示される方法は、基板に向かって粒子ビームを送るステップを含むこともできる。粒子ビームは、適度に荷電したイオン（ここでは「ＭＣＩ」と称する）を含むことができる。開示されるＭＣＩは、その諸特性によって表すことができる。たとえばＭＣＩは、それらの電荷（Ｑ）、それらの運動エネルギ、それらの位置エネルギ、それらの種類、それらの成分原子の質量、またはその組合せによって表すことができる。いくつかの実施形態では、所与の粒子質量について、ＭＣＩの電荷（Ｑ）および運動エネルギが考慮するべき最も関連のある特性であり得る。

開示される方法は、荷電状態（ここでは「Ｑ」と称することもできる）によって表すことができるＭＣＩを含む粒子ビームを利用する。ＭＣＩは、正負いずれかの荷電状態を有することができる。それゆえ、電荷の絶対値または（正負いずれかを特定する）実際の電荷のみによって荷電状態を指すことができる。しばしば、粒子ビームにおけるすべてのＭＣＩは同じ電荷を有することになる。これは、たとえば下で述べる質量および／または電荷フィルタリングを含む様々な技術を使用して行うことができる。しかし、特定の粒子ビームにおけるすべてのＭＣＩは同じ電荷を有する必要はない。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、±２〜±１０の電荷を有することができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは±２〜±６の電荷を有することができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは±３〜±６の電荷を有することができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは３の電荷を有することができる。いくつかの実施形態では、粒子ビームは、荷電状態が２と６との間にある正または負に帯電されたＭＣＩで構成され得る。

開示される方法は、運動エネルギによっても表すことができるＭＣＩを含む粒子ビームを利用する。粒子の運動エネルギは、粒子が高速または緩速かどうかを説明していると言うこともできる。ここで利用されるＭＣＩは、「緩速」であるかまたは「低運動エネルギ」を有すると考えることができる。多くの場合、粒子ビームにおけるすべてのＭＣＩは、実質的に同じ運動エネルギまたは低い熱（エネルギ）拡散を有することになる。これは、たとえば下で述べる加速減速技術を含む様々な技術を使用して行うことができる。しかし、特定の粒子ビームにおけるすべてのＭＣＩが同じ運動エネルギを有する必要はない。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、約２０００電子ボルト（ｅＶ）以下の運動エネルギを有することができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、約５ｅＶ〜約２０００ｅＶの運動エネルギを有することができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、約２００ｅＶ以下の運動エネルギを有することができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、約５ｅＶ〜約２００ｅＶの運動エネルギを有することができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、約５ｅＶ〜約１００ｅＶの運動エネルギを有することができる。

ＭＣＩは、それらの位置エネルギによって表すこともできる。ＭＣＩは、それらの位置エネルギがそれらの運動エネルギを越えることができるという点で利点を呈示することができる。以下の表１は、電荷の関数である炭素含有イオンの位置エネルギを示す。

開示されるＭＣＩは、それらの成分原子の原子質量によって表すこともできる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、約１〜約２５０統一原子質量単位（ｕ）の原子質量を有する原子で構成することができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、約１〜約１００ｕの原子質量を有する原子で構成することができる。単原子ＭＣＩは構成原子の原子質量に等しい質量を有することになる一方、分子およびクラスタＭＣＩは構成原子の原子質量単位の合成物である質量を有することになることが注目されるべきである。

開示される方法は、種類によって表すこともできるＭＣＩを含む粒子ビームを利用する。ＭＣＩは、たとえば単原子イオン、分子もしくは多原子イオン、またはイオンのクラスタ（またはナノクラスタ）であり得る。多くの場合、粒子ビームにおけるすべてのＭＣＩは、同じ種類となる。これは、たとえば下で述べる質量選択加速減速技術を含む様々な技術を使用して行うことができる。しかし、特定の粒子ビームにおけるすべてのＭＣＩが同じ種類である必要はない。

開示されるＭＣＩは、それらの「有効径」によって表すこともできる。ここで使用される「有効径」とは、イオン化度Ｑと共に、電子波動関数の空間的な大きさ（寸法および形状）を指す。ＭＣＩの多重荷電状態（つまり絶対値が１より大きい電荷）は、粒子の「有効径」を調整することができるという点で利点を呈示することができる。図３は、イオンの電荷（Ｑ）の関数である炭素含有イオンの標準化されたイオン寸法減少係数（「有効径」の基準）を示す。図に見られるように、電荷が増大するにつれて、炭素含有イオンの「有効径」は減少する。

原子またはイオンの多くの物理的性質は、それらの「有効径」に由来する。原子または分子規模では、これは、薄膜処理における目標原子と入射粒子との間の原子間力の相互作用の大きさを表す実効距離を含むことができる。所与の表面との所与の入射イオンの運動学的相互作用の性質は、その速度に依存する衝突断面を通る粒子の運動エネルギに依存する。この一例は図４に示される。図４は、静止した炭素目標原子と衝突する際の、運動エネルギ（ｅＶ）の関数である単独荷電炭素イオンのモリエール直径（Å）を示す。低エネルギでは、表面に接近する緩速イオンについて多数の原子に重なるように断面が広がる（エネルギが低いほど大きくなる）につれて、二元衝突モードから、たとえば表面原子による波状表面相互作用電位によって支配される複雑な多体型衝突への移行が生じることになることが、関連する衝突断面積から分かる。これは、表面を設計する機能を複雑にし、限定すらする可能性がある。

特定の、しかし限定的ではない低エネルギＳＳＰ衝突運動学的領域の例では、（たとえばｓｐ３形成タイププロセスにおける）表面侵入またはナノスケールサブプランテーション侵入による表面侵入のプロセスおよび／または変位は、最終的に、入射運動エネルギが減少するにつれて、（より多くのｓｐ２形成タイププロセス）のような表面堆積となるであろう。先に上述した表面侵入障壁エネルギ、欠陥生成、およびフォノンアニール効果に関連付けられる運動学的効果に加えたこれらの考察は、ＳＩおよびＳＳＰ技術の有効性および／または効率、ならびに共有されている米国特許出願連続番号第１３／４４００７１号に記載されている「膜」特性を設計するのに利用可能なプロセス変数ウィンドウの幅の両方を限定し得る。

開示される方法は、ＭＣＩの区別された運動学的特徴と位置エネルギ特徴とを用いて表面ナノ工学技術の能力を向上させるという利点を有する。例として、荷電状態が３である（Ｑ＝３）炭素含有ＭＣＩを利用する方法は、炭素の一価イオンのように、エネルギに依存するモリエール断面（上で図４に図示）の半分を効果的に有することになる。これは、従来の一価イオンに対して著しくより低い入射粒子エネルギの使用を可能にし、たとえばその後の欠陥生成における望ましい減少による表面領域に運動学的に交換されるエネルギの程度および深さを制御する際に利点を呈示する。処理は、表面エネルギ障壁に近いが欠陥生成のためのエネルギしきい値未満の入射エネルギで進行してもよく、潜在的に無欠陥表面工学技術を可能にする。

さらに、緩速ＭＣＩプロセスを利用する開示される方法では、運動エネルギ交換ではなく位置エネルギ交換によってエネルギ交換をより支配することができるイオンの位置エネルギは、従来の薄膜処理における純粋に運動学的な効果ではなく、電子励起によって交換される。ＳＳＰ技術への応用では、ＭＣＩ位置エネルギは、入射粒子運動エネルギを越え得る。緩速ＭＣＩ処理の入射粒子が、主として運動学的な交換ではなく位置エネルギ損失によって有意なエネルギを失うことができることにより、薄膜ナノ工学において完全に新しい能力を可能とすることができる。緩速ＭＣＩ処理では、ＭＣＩの有効イオン電荷は入来粒子の表面への侵入の深さ（経路長）によって変動する場合があり、故に、ＭＣＩがどのように相互作用して表面層へのエネルギを交換するかという性質が、所与の発射体−目標原子システムについての深さによる中性化の程度に依存して基板表面への経路長（深さ）とともに変化することになることも注目されるべきである。

開示される方法における粒子ビームとして、既知のイオン源を利用することができる。一般に、多重荷電イオンを生成することができる供給源を利用することができる。利用することができる典型的なイオン源は、たとえば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源、マルチカスプイオン源、および電子ビームイオントラップ（ＥＢＩＴ）イオン源を含むことができる。

ここに開示される方法は、粒子ビームを基板または表面に向けて送るステップを含むことができる。粒子ビームを送ることは、たとえば「加速減速」ビーム輸送技術を含む様々な技術を使用して行うことができる。ここでは「イオン加速減速」と称することができるイオンの加速および／または減速は、角運動学的処理（（ビーム軸に関する）目標処理表面の角度測定の（角度）配置による粒子ビームパラメータの調整されたリアルタイム変動）と併せた質量選択、ビーム調整、および整形によって、プロセス現象の制御をもたらす要因、たとえばナノ物質および準安定の表面物質のエッチング、界面ナノ工学、ナノドーピング、表面ナノ工学を制御することができる。イオン加速減速手法は、低エネルギ（たとえば使用不可能に低いビーム電流）における粒子ビーム輸送効果、たとえば空間電荷拡張および不十分なイオン源性能特徴を回避して、プロセス制御を向上させることができる。ＭＣＩは高エネルギで加速および調整され、次いで基板との衝突直前に衝撃エネルギまで減速させることができる。しかし、低エネルギプロセスについての存在範囲は、極めて狭く、容易に損なわれる可能性がある。

別の実施形態では、ビームを任意に整形し得る。ビームの整形は、たとえばイオン源において、またはたとえば質量選択後に生じることができる。いくつかの実施形態では、狭い矩形または線形状ビームが有利な形状であり得る。別の有利な局面は、粒子ビーム自身が静的であり、基板をビームに関して機械的に走査することができる点である。整形、静的な入射および独立した基板走査は、運動角度測定（kinogoniometric）中性粒子処理における重要な局面であり得る。

プロセスウインドウにおける堆積速度の適切な制御と共に、基板台への「投写」距離についての適切な検討が計器設計においてなされない場合、（プロセス制御の蓋然的な損失がある）ビームによって質量ビーム広がりを示すことができる。粒子エネルギ、ビーム電流、ビーム広がり、電荷状態、およびイオン質量のプロセス制御は、従来のプロセス技術においては典型的に静的である。しかし、選択されるビームパラメータの変動を用いて、たとえば、サンプル角度測定動作の有無に関わらず、界面、構成もしくは損傷中心濃度プロファイルを調整し得る。関連して、可変的にドープした多層ナノストラクチャまたは選択的な深さまたは表面ドーピングは、たとえば潤滑油工学用途における膜成長中または膜成長後の質量フィルタパラメータの適切な切換によって実現され得る。

開示される方法を利用して、いずれかの材料の層を形成することができる。換言すると、表面層に挿入されるＭＣＩは、いずれかの同一性を有することができる。いくつかの実施形態では、開示される方法を利用して、炭素を含む層を形成することができる。いくつかの実施形態では、開示される方法を利用して、炭化水素（たとえば水素化炭素）として炭素を含む層を形成することができる。しかし、炭素および炭化水素は単に一例であり、開示される方法は、炭素および／または炭化水素層または膜の形成に限定されないことが理解されるべきである。

ＭＣＩを構成する材料は、形成される層の材料の構成要素となる。いくつかの実施形態では、中性粒子ビームからの材料が基板に挿入されることになり、その場合、中性粒子ビームからの材料と基板材料との混合物が形成されることになる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩの材料（たとえば炭素）を含む層が形成される。他のいくつかの実施形態では、水素化炭素（炭素および水素の両方）を含む層が形成される。

形成される層は、様々な厚さを有することができる。層の厚さは、当該語句がここで利用される限りにおいて、厚さの基準を指す。たとえば、厚さの基準は平均厚さを示してもよいし、層の厚さまたは平均厚さと関係付けることができる特性を与えてもよい。たとえば、ほぼ準単分子層（材料の単分子層未満）〜約３０Åの厚さであり得る。いくつかの実施形態では、層は約１５Å〜約２５Åの厚さであり得る。いくつかの実施形態では、層は約１５Å〜約２０Åの厚さであり得る。

「層」とは、基板の表面上の材料、基板の界面における材料（つまり、表面に部分的に注入されるだけでなく、表面上にあるかのように露出した材料）、基板内の材料（つまり基板に注入され、基板の表面において露出していない材料）、またはそのいずれかの組合せを指すことができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、基板の表面内に侵入せず、かつ／または約５０Åより大きい原子もしくは分子と相互作用しない。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、基板の表面内に侵入せず、かつ／または約３０Åより大きい原子もしくは分子と相互作用しない。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、基板の表面内に侵入せず、かつ／または約１５Å〜２５Åより大きい原子もしくは分子と相互作用しない。いくつかの実施形態では、ＭＣＩは、基板の表面内に侵入せず、かつ／または約１５Å〜２０Åより大きい原子もしくは分子と相互作用しない。実施形態では、ここに開示される方法は、核形成メカニズムに基づいて層を形成しない。核形成メカニズムは、連続した膜の最小厚さを基本的に限定する。

入射粒子フラックス分布の制御、そのエネルギ分布、および到来角分布は、表面ナノ工学が可能な現像プロセスにおける主要な構成要素である。しかし、原子の多くの物性は、原子の「寸法」、つまりその波動関数の寸法および形状に由来する。これは、薄膜プロセスを制御する際に根本的に重要である原子／粒子間の原子間力の相互作用の大きさを表す実効距離を含む。緩速の、適度に荷電したイオン（ＭＣＩ）の使用によって、粒子の波動関数の、粒子の荷電状態への依存、およびエネルギ交換におけるイオン位置エネルギとその変換されたエネルギとの間の相互作用のために、薄膜処理における新たな自由度への接近が可能となる。

いくつかの開示される方法は、ナノクラスタまたは分子イオンを利用することができる。そのような場合、粒子を（それらの入射エネルギに対立するものとしての）それらの注入エネルギによってさらに表すことができる。粒子のエネルギについて説明するために、以下の構成物をここで利用することができる。接地されたビーム粒子源の典型的な場合には、入射粒子が単原子の単独荷電イオンであると仮定すると、バイアスされていない非荷電基板表面とのその相互作用の直前の粒子の入射エネルギ（Ｖ_ｉｎｃ）は、ビーム電圧（またはスクリーンバイアス）Ｖ_ｂとプラズマ電位Ｖ_ｐとの和によって与えられる。このインスタンスでは、注入エネルギ（Ｖ_ｉｍｐ）は、記載された入射エネルギ（Ｖ_ｂ）と同じである。単独荷電分子イオンまたはクラスタの場合については、基板表面における原子との相互作用後、分子軌道オーバーラップによって、その構成要素の原子種への分子（またはクラスタ）の完全なフラグメンテーションがもたらされると想定される。入射運動エネルギ（Ｖ_ｂ＋Ｖ_ｐ）から分子またはクラスタ解離エネルギを引いたものを、次いで、当初の入射分子またはクラスタ質量の質量分率（mass_{atomic component}/mass_{total molecule or cluster}）に従って各原子「フラグメント」上で分割し、各フラグメントのＶ_ｉｍｐを与える。

表面へのイオン投影飛程を数結合長の最大値未満に制限するように、（ナノクラスタまたは分子イオンなどの）粒子の注入エネルギを選択することができる（最大値が選択される）。粒子の注入エネルギは、表面エネルギ障壁の侵入によって表面への粒子の取込みを可能とするために少なくとも十分であるように選択することもできる（最小値が選択される）。（基板への粒子の侵入を可能にするのに十分な）選択された最小エネルギにより、層の成長は、典型的な核形成メカニズムによって行われない。注入粒子エネルギの選ばれた範囲は、目標原子への運動エネルギ移動が、変位をもたらすのに不十分であるか、または平均して概ね１つもしくは２つの変位反応のみをもたらすか、または表面への、もしくは表面から数結合長内の距離への挿入を可能にするのに十分であるかのいずれかであるようなものである。

粒子は、基板の表面に接触すると、より小さな粒子に分解され得る。そのようなインスタンスでは、粒子自体、そのような入射粒子のフラグメント、またはそのいくつかの組合せが、エネルギ、つまり１００ｅＶ以下の注入エネルギを有し得る。注入エネルギをここで論じる場合、そのようなエネルギは、入射粒子、表面とのそれらの相互作用によって生じるそのような入射粒子のフラグメント、またはそのいずれかの組合せを指すことができると理解されるべきである。いくつかの実施形態では、開示される方法は、数十電子ボルト（ｅＶ）の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約１００ｅＶ未満の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約８０ｅＶ以下の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約６０ｅＶ以下の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約４０ｅＶ以下の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約２０ｅＶ以下の注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態において、方法は、約２０ｅＶ〜約１００ｅＶの注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約２０ｅＶ〜約８０ｅＶの注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約２０ｅＶ〜約６０ｅＶの注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、約２０ｅＶ〜約４０ｅＶの注入エネルギを有する粒子を利用することを含む。

このように、層を形成する方法の実施形態が開示される。上記の実装例および他の実装例は、添付の請求項の範囲内である。当業者は、開示されたもの以外の実施形態で本開示を実行することができると認識するであろう。開示された実施形態は、限定ではなく例示の目的で提示されている。

Claims (20)

1. 層を形成する方法であって、前記方法は、
   その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、
   基板の表面に向かって粒子ビームを送ることとを含み、前記粒子ビームは、適度に荷電したイオン（ＭＣＩ）を含み、実質的にすべての前記ＭＣＩは、±２〜±６の電荷と約２００ｅＶ以下の運動エネルギとを個別に有し、
   前記ＭＣＩは、約３０Åを超えて基板の表面内に侵入せず、基板上に層を形成する、方法。
2. 前記ＭＣＩは、単原子種、分子多原子種、クラスタ種、またはその組合せである、請求項１に記載の方法。
3. 実質的にすべての前記ＭＣＩは、約５ｅＶと２００ｅＶとの間の運動エネルギを有する、請求項１に記載の方法。
4. 実質的にすべての前記ＭＣＩは、約５ｅＶと１００ｅＶとの間の運動エネルギを有する、請求項１に記載の方法。
5. 実質的にすべての前記ＭＣＩは、±３〜±６の電荷を有する、請求項１に記載の方法。
6. 実質的にすべての前記ＭＣＩは、±３の電荷を有する、請求項１に記載の方法。
7. 前記粒子ビームの供給源は、多重荷電イオンを生成するように構成される、請求項１に記載の方法。
8. 前記供給源は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源、マルチカスプイオン源、または電子ビームイオントラップ（ＥＢＩＴ）イオン源から選択される、請求項７に記載の方法。
9. 層を形成する方法であって、前記方法は、
   その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、
   基板の表面に向かって粒子ビームを送ることとを含み、前記粒子ビームは、適度に荷電したイオン（ＭＣＩ）を含み、実質的にすべての前記ＭＣＩは、±２〜±１０の電荷と約２０００ｅＶ以下の運動エネルギとを個別に有し、
   前記ＭＣＩは、約５０Åを超えて基板の表面内に侵入せず、基板上に層を形成する、方法。
10. 実質的にすべての前記ＭＣＩは、約５ｅＶと２０００ｅＶとの間の運動エネルギを有する、請求項９に記載の方法。
11. 実質的にすべての前記ＭＣＩは、±３〜±６の電荷を有する、請求項９に記載の方法。
12. 前記粒子ビームの供給源は、多重荷電イオンを生成するように構成される、請求項９に記載の方法。
13. 前記供給源は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源、マルチカスプイオン源、または電子ビームイオントラップ（ＥＢＩＴ）イオン源から選択される、請求項１２に記載の方法。
14. 層を形成する方法であって、前記方法は、
    その上への堆積に適合化された少なくとも１つの表面を有する基板を供給することと、
    基板の表面に向かって粒子ビームを送ることとを含み、前記粒子ビームは、適度に荷電したイオン（ＭＣＩ）を含み、実質的にすべての前記ＭＣＩは、±２〜±１０の電荷を個別に有し、運動エネルギは、約５ｅＶと約２０００ｅＶとの間の運動エネルギを有し、前記粒子ビームは、少なくとも加速減速ビーム輸送技術を用いて表面に向けて送られ、
    前記ＭＣＩは、約５０Åを超えて基板の表面内に侵入せず、基板上に層を形成する、方法。
15. 実質的にすべての前記ＭＣＩは、±３〜±６の電荷を有する、請求項１４に記載の方法。
16. 実質的にすべての前記ＭＣＩは、約５ｅＶと２０００ｅＶとの間の運動エネルギを有する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記粒子ビームの供給源は、多重荷電イオンを生成するように構成される、請求項１４に記載の方法。
18. 前記供給源は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源、マルチカスプイオン源、または電子ビームイオントラップ（ＥＢＩＴ）イオン源から選択される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記ＭＣＩは炭素を含む、請求項１４に記載の方法。
20. 前記ＭＣＩは、±３〜±６の電荷を有する、請求項１９に記載の方法。