СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПУЧКОМ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ, ОСНОВАННЫЙ НА ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПУЧКОМ ГАЗОВЫХ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ, И ПОЛУЧЕННЫЕ ТАКИМ ОБРАЗОМ ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2018 года по МПК H05H3/02 C23C26/00 

Изобретение в относится в общем к способам и установкам для обработки низкоэнергетическим нейтральным пучком, и в частности к способам и системам создания пучков высокой чистоты для выведения ускоренного нейтрального мономерного и/или нейтрального газового кластерного пучка из ускоренного пучка газовых кластерных ионов. Изобретение также включает в себя определенные новые или усовершенствованные материалы и устройства, выполненные из этих материалов.

Уровень техники

В течение последнего десятилетия пучок газовых кластерных ионов (GCIB) стал широко известным и широко используемым для разнообразных вариантов применения в поверхностной и приповерхностной обработке. Поскольку газовые кластерные ионы традиционно обладают большой массой, они склонны перемещаться с относительно низкими скоростями (сравнительно с традиционными ионами), даже когда ускорены до значительных энергий. Эти низкие скорости, в сочетании с изначально слабым связыванием кластеров, обусловливает уникальные возможности поверхностной обработки, которые ведут к пониженному проникновению в поверхность и пониженному повреждению поверхности по сравнению с традиционными ионными пучками и диффузными плазмами.

Пучки газовых кластерных ионов были использованы для сглаживания, травления, очистки, формирования слоев, выращивания пленок, или иного рода изменения широкого разнообразия поверхностей включая, например, металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов. В вариантах применения, включающих в себя полупроводниковые и родственные полупроводникам материалы, пучки GCIB были использованы для очистки, сглаживания, травления, осаждения и/или выращивания пленок, включающих в себя оксиды и прочие материалы. GCIB также применялись для введения легирующих и деформирующих решетку атомных частиц, материалов для аморфизации поверхностных слоев и для повышения растворимости легирующих добавок в полупроводниковых материалах. Во многих случаях такие варианты применения GCIB были в состоянии привести к результатам, превосходящим другие технологии, в которых использовались традиционные ионы, ионные пучки и плазмы. Полупроводниковые материалы включают в себя широкий круг материалов, которые могут иметь свои электрические свойства, управляемые введением легирующих материалов, и включают в себя (без ограничения) кремний, германий, алмаз, карбид кремния, и также композитные материалы, содержащие элементы III-IV групп и элементы II-VI групп. Ввиду простоты образования GCIB с использованием аргона (Ar) как исходного газа и ввиду таких инертности аргона было разработано множество вариантов применения для обработки поверхностей вживляемых медицинских устройств, таких как коронарные стенты, ортопедические протезы и другие вживляемые медицинские устройства, с использованием GCIB на основе газа аргона. В вариантах с применением полупроводников для формирования GCIB были использованы разнообразные исходные газы или исходные газовые смеси, содержащие легирующие добавки с электрическими свойствами и деформирующие решетку частицы, для реактивного травления, физического травления, осаждения пленок, выращивания пленок и прочих полезных процессов. Известны многообразные реализованные на практике системы для распространения GCIB-обработки на широкий круг типов поверхностей. Например, патент США № 6,676,989 С1, выданный на имя Kirkpatrick и др., описывает систему GCIB-обработки, имеющую держатель заготовки и манипулятор, пригодную для обработки трубчатых и цилиндрических заготовок, таких как сосудистые стенты. В другом примере, патент США № 6,491,800 В2, выданный на имя Kirkpatrick и др., представляет систему GCIB-обработки, имеющую держатели заготовок и манипуляторы для обработки непланарных медицинских устройств других типов, включающие в себя, например, протезы тазобедренного сустава. Дополнительный пример, патент США № 6,486,478 В1, выданный авторам Libby и др., раскрывает автоматизированную систему загрузки/выгрузки подложек, пригодную для обработки полупроводниковых пластин. Патент США № 7,115,511, выданный на имя Hautala, описывает использование механического сканера для сканирующего перемещения заготовки относительно несканирующего GCIB. В еще одном дополнительном примере, патент США № 7,105,199 В2, выданный на имя Blinn и др., описывает использование GCIB-обработки для улучшения адгезии покрытий из лекарственных препаратов на медицинских устройствах, и для модификации скорости элюции или высвобождения лекарственного препарата из медицинских устройств.

GCIB использовалось для травления и сглаживания кристаллических и некристаллических форм материалов, таких как алмазы и прочие драгоценные камни. Это было не столь успешным в том плане, что иногда драгоценные камни могли подвергаться нежелательным изменениям цвета в результате GCIB-обработки. Было неясно, является ли это следствием некоторого рода поверхностного или приповерхностного нарушения материалов драгоценных камней, или же могло быть обусловлено формированием более шероховатой границе раздела между протравленными и/или сглаженными поверхностными слоями, образованными GCIB-обработкой, и нижележащим объемом материала, или же, может быть, следствием повреждения из-за электрической зарядкой поверхности, вызванной кластерными ионами. Какой бы ни была причина отрицательных побочных эффектов GCIB-обработки требуется способ обработки для травления и/или сглаживания материалов из природных и/или искусственных драгоценных камней, который не вызывал бы ненужного ухудшения внешнего вида и эстетического восприятия драгоценных камней. GCIB-обработка показалась как возможный способ сглаживания и/или выравнивания поверхностей оптических материалов, таких как линзы, оптические отражающие поверхности, оптические окна прозрачности, оптические панели для дисплея и тачскрин-панели, призматические устройства, прозрачные подложки для фотомасок, и тому подобные, оптические волноводы, оптоэлектронные устройства и прочие оптические устройства. Материалы для оптических устройств включают в себя широкое разнообразие стекол, кварцев, сапфиров, алмазов и другие твердые прозрачные материалы. Традиционное шлифовка и выравнивание, включая механические, химико-механические и другие способы обработки, не создают надлежащих поверхностей для многих насущных вариантов применения. GCIB-обработка во многих случаях оказалась способной сглаживать и/или выравнивать оптические поверхности до степени, недостижимой общеупотребительными способами шлифовки, но нужны альтернативные способы, которые не приводят к шероховатой границе раздела между сглаженной поверхностью и нижележащим объемом материала, во избежание создания рассеивающих слоев, встроенных в оптический материал.

Хотя GCIB-обработку успешно использовали во многих вариантах применения, существуют новые и современные потребности в применении, для которых не подходят в полной мере ни GCIB или ни другие современные методы и устройства. В большинстве случаев, наряду с тем, что GCIB может выполнять значительное сглаживание на атомарном уровне поначалу несколько шероховатой поверхности, окончательное сглаживание, которое может быть достигнуто, часто оказывается меньшим, чем требуемая гладкость, и в других случаях результатом GCIB-обработки может быть скорее огрубление умеренно гладких поверхностей, нежели дальнейшее их сглаживание.

Также существуют другие потребности/возможности, как выявлено и разрешено вариантами осуществления настоящего изобретения. В области выделяющих лекарственные препараты медицинских имплантатов GCIB-обработка имела успех в обработке поверхностей лекарством покрытий на медицинских имплантатах для связывания покрытия с подложкой или для изменения скорости, с которой лекарственные препараты выделяются из покрытия после имплантации пациенту. Однако было отмечено, что в некоторых случаях, где GCIB использовали для обработки лекарственные покрытий (которые часто являются очень тонкими и могут содержать очень дорогостоящие лекарства), происходила потеря веса лекарственного покрытия (показывающая потерю или удаление лекарства) в результате GCIB-обработки. В частных случаях, где происходит такая потеря (с определенными лекарствами и при использовании определенных технологических параметров), проявление этого, как правило, нежелательно, и предпочтительно иметь способ, позволяющий исключить потерю веса, в то же время по-прежнему получать удовлетворительный контроль скорости выделения лекарственного препарата.

В вариантах применения с использованием полупроводников GCIB с переменным успехом использовались во многих процессах улучшения поверхности, однако существуют возможности для усовершенствования. В традиционной GCIB-обработке часто, несмотря на значительно улучшенные сравнительно с ранее традиционными технологиями, результат все-таки не обеспечивал того качества, которое требуется для большинства насущных потребностей. Например, в процессах сглаживания для многих материалов конечная степень гладкости, практически достигаемая с использованием GCIB-обработки, не всегда удовлетворяет требованиям. В вариантах применения, где другие материалы вводят в полупроводниковые материалы (иногда называемые GCIB-внедрением) для легирования, деформирования решетки и прочих применений, таких как осаждение пленок, выращивание пленок, и аморфизация, границе раздела между внедренным, выращенным, аморфизированным или осажденным материалом часто имеет шероховатость или неоднородность на границе раздела между облученным слоем и нижележащей подложкой, что ухудшает оптимальные эксплуатационные характеристики GCIB-модифицированного слоя.

Ионы с давних пор пользовались преимуществом для многих процессов, поскольку их электрический заряд облегчает управление ими с помощью электростатических и магнитных полей. Этим обеспечивается высокая технологическая гибкость обработки. Однако в некоторых вариантах применения заряд, который присущ любому иону (в том числе газовые кластерные ионы в GCIB) может вызывать ненужные воздействия на обрабатываемые поверхности. GCIB имеет явное преимущество перед традиционными ионными пучками в том плане, что газовый кластерный ион с одиночным или небольшим множественным зарядом создает возможность транспорта и контроля при гораздо большем массопотоке (кластер может состоять из сотен или тысяч молекул) по сравнению с традиционным ионом (одиночными атомом, молекулой или молекулярным фрагментом). В частности, в случае изоляционных материалов поверхности, обработанные с использованием ионов, часто подвержены обусловленного зарядом повреждению вследствие внезапного разряда накопленных зарядов или создания вредного напряжения, вызванного электрическим полем в материале (опять же обусловленного накопленными зарядами). В большинстве случаев GCIB имеет преимущество благодаря его относительно низкому отношению заряда к массе, но в некоторых ситуациях может не устранять проблемы зарядки мишени. Кроме того, ионные пучки с силой тока от небольшой до высокой страдают от значительной расфокусировки наведенного пространственного заряда, вызванной объемным зарядом, что может препятствовать передаче хорошо сфокусированного пучка на большие расстояния. Опять же, вследствие своего низкого отношения заряда к массе по сравнению с традиционными ионными пучками у GCIB есть преимущество, но они не полностью устраняют проблему переноса пространственного заряда.

Еще один пример потребности или возможности следует из того факта, что, хотя применение пучков нейтральных молекул или атомов оказывается благоприятным в некоторых вариантах применения для поверхностной обработки и переноса пучка, не имеющего пространственного заряда, как правило, нельзя было просто и экономично создавать интенсивные пучки нейтральных молекул или атомов, за исключением случаев формирования струй из форсунок, где энергии, как правило, составляют величины порядка нескольких миллиэлектронвольт на атом или молекулу, и тем самым имеют ограниченные технологические возможности.

В патенте США № 4,935,623 фирмы Hughes Electronics Corporation, в котором Knauer описал способ формирования пучков высокоэнергетических (от 1 до 10 эВ) заряженных и/или нейтральных атомов. Knauer формирует традиционные GCIB и направляет их под скользящими углами на твердые поверхности, такие как кремниевые пластины, в результате чего кластерные ионы диссоциируют, приводя к пучку прямого рассеяния атомов и обыкновенных ионов. Это дает интенсивный, но несфокусированный пучок нейтральных атомов и ионов, который может быть использован для обработки, или при последующем электростатическом отделении ионов может быть применен для обработки в виде пучка нейтральных атомов. При необходимости рассеивания GCIB вне твердой поверхности для обеспечения диссоциации способ Knauer создает серьезную проблему. В широком диапазоне энергий пучка GCIB вызывает сильное распыление в поверхностях, с которыми он сталкивается. Было ясно показано (например, смотри работу авторов Aoki, T. и Matsuo, J., «Molecular dynamics simulations of surface smoothing and sputtering process with glancing-angle gas cluster ion beams», Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research B., том 257 (2007), стр. 645-648), что даже при применяемых Knauer скользящих углов пучки GCIB создают значительное распыление твердых материалов, и тем самым нейтральный пучок прямого рассеяния загрязняется распыленными ионами и нейтральными атомами и прочими частицами твердой поверхности, которую используют для рассеяния/диссоциации. Во множестве вариантов применения, включающих в себя использование для обработки медицинских устройств и применение для обработки полупроводников, присутствие такого распыленного материала, загрязняющего нейтральный пучок прямого рассеяния, делает его непригодным для использования.

В патенте США № 7,060,989 на имя Swenson и др. описано применение баллона сжатого газа с давлением газа выше, чем давление создания пучка, чтобы изменить распределение энергии газовых кластерных ионов в GCIB. Способ снижает энергию газовых кластерных ионов в GCIB и изменяет некоторые характеристики обработки поверхности такими модифицированными GCIB. Такая газовая модификация распределения энергии газовых кластерных ионов в GCIB полезна, но не снимает проблему, обусловленную зарядами, созданными на заготовке ионами в GCIB, и не разрешает определенные технологические проблемы, например, такие как потеря массы лекарственных покрытий во время GCIB-обработки. Хотя способы авторов Swenson и др. могут улучшать конечную характеристику сглаживания поверхности с помощью GCIB, результат все-таки далек от совершенства.

Размеры газовых кластеров и газовых кластерных ионов обычно охарактеризованы величиной N, числом атомов или молекул (в зависимости от того, имеет ли газ атомарное или молекулярное строение, и включая такие варианты, как ионы, мономеры, димеры, тримеры, лиганды), входящих в состав индивидуального кластера. Как представляется, многие из преимуществ, которые обеспечиваются традиционной GCIB-обработкой, основываются на низких скоростях ионов в GCIB и на том обстоятельстве, что слабосвязанные кластеры распадаются при соударении с твердой поверхностью, вызывая переходное нагревание и давление, но без чрезмерного проникновения, внедрения или повреждения подложки ниже поверхности. Воздействия таких крупных кластеров (имеющих N мономеров - как определено ниже - порядка нескольких тысяч или более), как правило, ограничиваются несколькими десятками ангстрем. Однако было показано, что более малые кластеры (имеющие величину N порядка от нескольких сотен до около тысячи) вызывают большее повреждение поверхности при соударении с нею и способны создавать отдельные ударные кратеры в поверхности (например, смотри работу авторов Houzutni. H., и др. «Scanning tunneling microscopy observation of graphite surfaces irradiated with size-selected Ar cluster ion beams», Jpn. J. Appi. Phys., том 44 (№ 8), (2005), стр. 6252 и след.). Этот эффект кратеробразования может создавать шероховатости на поверхностях и удалять с них материал (вытравливать) в нежелательной конкуренции с эффектами выравнивания крупными кластерами. Во многих других вариантах обработки поверхностей, для которых GCIB оказалась полезной, считается, что эффекты, вызванные большими и малыми газовыми кластерными ионам, могут состязаться в способах достижения обратных результатов, чтобы снизить производительность обработки. К сожалению, все легко реализуемые способы формирования GCIB приводят к созданию пучков, имеющих широкое распределение кластеров по размерам, имеющих размеры N, изменяющихся от около 100 до таких значений, как свыше нескольких десятков тысяч. Часто среднее и/или максимальное значение распределения по размерам лежит в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч, с хвостами распределения, постепенно стремящимися к нулю на предельных краях распределения. Распределение кластерных ионов по размерам и средний размер кластера, N_Mean, связанный с распределением, зависят от используемого исходного газа и могут зависеть в значительной степени от выбора параметров сопла, используемого для формирования кластерной струи, от падения давления в сопле и от температуры сопла, всего того, что влияет и в традиционных способам формирования GCIB. Большинство коммерческого оборудования для GCIB-обработки, как заведено, используют магнитные или реже электростатические сепараторы по размерам для удаления самых малых ионов и кластеров (мономеров, димеров, тримеров и т.д., вплоть до около N=10 или более), которые создают самые значительные повреждения. Такие фильтры часто называются «мономерными фильтрами», хотя они обычно удаляют также несколько более крупные ионы, также как и мономеры. Определенные устройства для электростатической выборки кластерных ионов по размерам (как, например, устройство, использованное в патенте США № 4,935,623 на имя Knauer) требуют размещения сеток из электрических проводников в пучке, что представляется значительным недостатком из-за возможного распыления сеток пучком, вводя загрязнения в пучок, в то же время снижая надежность и приводя к необходимости дополнительного технического обслуживания устройства. По этой причине фильтры для мономеров и частиц с малой массой теперь обычно относятся к магнитному типу (например, см. патент США № 6,635,883 на имя Torti и др. и патент США № 6,486,478 на имя Libby и др.). За исключением наиболее малых ионов (мономеров, димеров, и т.д.), которые эффективно удаляются магнитными фильтрами, кажется, что большинство GCIB содержит мало или вообще не содержит газовых кластерных ионов с размерами менее, чем около N=100. Может быть так, что такие размеры образуются не без труда или после формирования нестабильны. Однако кластеры в диапазоне от около N=100 до нескольких сотен, как представляется, присутствуют в пучках большинства промышленного оборудования для GCIB-обработки. Как правило, встречаются значения N_Mean в диапазоне от нескольких сотен до нескольких тысяч, когда используют стандартные технологии. Поскольку при данном ускоряющем потенциале кластеры промежуточных размеров движутся гораздо быстрее, чем крупные кластеры, они с большей вероятностью образуют кратеры, грубые границы разделов и прочие ненужные эффекты, и, возможно, содействуют менее совершенной обработке, когда присутствуют в GCIB.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в создании устройств и способов формирования высокочистых пучков нейтральных газовых кластеров для обработки заготовок.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание устройств и способов формирования высокочистых пучков газовых кластеров, которые по существу не содержат кластеров промежуточных размеров.

Еще одна дополнительная задача настоящего изобретения заключается в создании устройств и способов формирования высокочистых, сфокусированных, интенсивных пучков нейтральных атомов или молекул с энергиями в диапазоне от около 1 эВ до столь высоких, как несколько тысяч эВ.

Еще одной дополнительной задачей настоящего изобретения является создание устройств и способов формирования пучков, способных к лучшему сглаживанию поверхности по сравнению с традиционными GCIB.

Задача настоящего изобретения состоит в создании устройств и способов формирования легированных и/или деформированных пленок, и/или для введения примесных атомных частиц в поверхности полупроводниковых или прочих материалов, причем обработанные поверхности имеют границе раздела с нижележащим материалом подложки, которые превосходят те, которые сформированы с использованием традиционной GCIB-обработки.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройств и способов формирования аморфных участков на поверхности полупроводниковых и других материалов с использованием нейтрального пучка, и причем граница раздела с нижележащим материалом подложки превосходит поверхность, сформированную с использованием традиционной GCIB-обработки.

Дополнительная цель задача изобретения состоит в создании устройств и способов травления поверхностей, превосходящих конечной гладкостью традиционные GCIB-обработкой.

Другая дополнительная задача настоящего изобретения заключается в создании устройств и способов травления оптических поверхностей с превосходящей конечной гладкостью традиционные GCIB-обработкой.

Еще одна задачей настоящего изобретения состоит в создании устройств и способов нанесения оптического покрытия на оптическую поверхность с прочностью сцепления, превосходящей адгезию, полученную традиционными способами.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способов модифицирования поверхности оптического устройства для снижения восприимчивости к деградации вследствие атмосферных воздействий и для создания оптических устройств, усовершенствованных таким образом.

Дополнительная задача настоящего изобретения состоит в создании способов формирования барьера на поверхности гигроскопичного материала для снижения чувствительности материала к поглощению влаги, и для создания усовершенствованных таким образом материалов.

Еще одной дополнительной задачей настоящего изобретения является создание устройств и способов формирования и/или выращивания пленок на поверхностях полупроводниковых и/или прочих материалов, имеющих границы раздела с нижележащим материалом подложки, которые превосходят те, которые сформированы с использованием традиционной GCIB-обработки.

Одна дополнительная задача настоящего изобретения состоит в создании устройств и способов обработки электроизоляционных материалов нейтральными пучками газовых кластеров и/или мономеров для обработки таких материалов без повреждения, вызванного переносимыми пучком электрическими зарядами.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание способов улучшения свойств оптического элемента или драгоценного камня путем облучения нейтральным пучком поверхности оптического элемента.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в создании оптического элемента или драгоценного камня с улучшенными свойствами по технологии нейтрального пучка.

Раскрытие изобретения

Изложенные выше задачи, а также дополнительные и другие задачи и преимущества настоящего изобретения достигнуты с помощью разнообразных вариантов осуществления описываемого изобретения ниже в этом документе.

Один вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ обработки поверхности оптического элемента, содержащий этапы, на которых: обеспечивают камеру с пониженным давлением; формируют пучок газовых кластерных ионов, содержащий газовые кластерные ионы внутри камеры с пониженным давлением; ускоряют газовые кластерные ионы с образованием пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка внутри камеры с пониженным давлением; стимулируют фрагментацию и/или диссоциацию по меньшей мере части ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка; удаляют заряженные частицы с траектории пучка с образованием ускоренного нейтрального пучка вдоль траектории пучка в камере с пониженным давлением; удерживают оптический элемент в траектории пучка; обрабатывают по меньшей мере часть поверхности оптического элемента облучением его ускоренным нейтральным пучком; и причем этапы стимулирования и удаления проводят до облучения поверхности.

На этапе удаления из траектории пучка могут быть удалены по существу все заряженные частицы. Нейтральный пучок может быть по существу свободным от кластеров промежуточной величины. Нейтральный пучок может состоять по существу из газа, составленного пучком газовых кластерных ионов. Этап стимулирования может включать в себя повышение ускоряющего напряжения на этапе ускорения, или улучшение эффективности ионизации при формировании пучка газовых кластерных ионов. Этап стимулирования может включать в себя расширение диапазона скоростей ионов в пучке ускоренных газовых кластерных ионов. Этап стимулирования может включать в себя введение одного или более газообразных элементов, используемых в формировании пучка газовых кластерных ионов, в камеру с пониженным давлением, для повышения давления вдоль траектории пучка. Этап стимулирования может включать в себя увеличение размера апертуры скиммера, используемого в этапы формирования пучка газовых кластерных ионов. Этап стимулирования может включать в себя облучение пучка ускоренных газовых кластерных ионов или нейтрального пучка лучистой энергией. Нейтральный пучок, обрабатывающий по меньшей мере участок поверхности заготовки, может состоять по существу из мономеров, имеющих энергию между 1 эВ и несколькими тысячами эВ. Способ может дополнительно содержать этап, на котором перемещают заготовку с держателем заготовки для обработки множества участков поверхности. Способ может дополнительно содержать этап, в которой сканируют заготовку с держателем заготовки для обработки протяженных участков поверхности.

Оптическое устройство может содержать любое из: электроизоляционного материала; материала с высоким удельным электрическим сопротивлением; кристаллического материала; аморфного материала; гигроскопичного материала; стеклянного материала; материала драгоценного камня; кварца; или прозрачного материала. На этапе обработки может быть сформировано оптическое покрытие на оптическом элементе.

Этап обработки может изменять оптическую характеристику оптического элемента. Оптическая характеристика может представлять собой показатель преломления. Оптический элемент может представлять собой материал драгоценного камня. Материал драгоценного камня может быть выбран из группы, состоящей из алмаза, сапфира, кварца, и искусственного материала драгоценного камня. Оптический элемент может включать в себя триборат лития (LBO), и, в котором на этапе обработки, дополнительно может быть сформирован поверхностный барьер, который снижает восприимчивость или чувствительность к деградации под действием влаги на поверхности LBO.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ повышения адгезии оптического покрытия, имеющего толщину на поверхности оптической подложки, включающий в себя этапы, на которых: обеспечивают камеру с пониженным давлением; формируют пучок газовых кластерных ионов, содержащий газовые кластерные ионы, внутри камеры с пониженным давлением; ускоряют газовые кластерные ионы с образованием пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка внутри камеры с пониженным давлением; при необходимости выводят ускоренный нейтральный пучок из пучка ускоренных газовых кластерных ионов; удерживают оптическое покрытие в траектории пучка или траектории выведенного пучка; обрабатывают по меньшей мере участок поверхности оптического покрытия облучением его пучком или выведенным пучком; и причем на этапе ускорения ускоряют на заданную величину, обеспечения того, что по меньшей мере часть пучка или выведенного пучка будет проникать на всю толщину оптического покрытия для повышения адгезии покрытия к оптической подложке.

Еще один дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ обработки гигроскопичного кристаллического материала, содержащий этапы, на которых: обеспечивают камеру с пониженным давлением; формируют пучок газовых кластерных ионов, включающий в себя газовые кластерные ионы, внутри камеры с пониженным давлением; ускоряют газовые кластерные ионы с образованием пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка внутри камеры с пониженным давлением; при необходимости выводят ускоренный нейтральный пучок из пучка ускоренных газовых кластерных ионов; удерживают кристаллический материал в траектории пучка или траектории выведенного пучка; обрабатывают по меньшей мере участок поверхности кристаллического материала облучением его пучком или выведенным пучком; и формируют поверхностный барьер на кристаллическом материале, который снижает реакционную способность или чувствительность к деградации под действием влаги на поверхности кристаллического материала.

Еще один дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения представляет оптический элемент, включающий в себя оптическую подложку и поверхностное покрытие, и поверхностное покрытие прикреплено на оптической подложке облучением нейтральным пучком, выведенным из пучка газовых кластерных ионов. Поверхностное покрытие может состоять из предназначенных для поверхностного покрытия материалов и атомов газов, использованных для формирования нейтрального пучка. Поверхностное покрытие может состоять из предназначенных для поверхностного покрытия материалов. Атомы газов, использованных для формирования нейтрального пучка, могут внедряться в поверхностное покрытие и достигать подложки. Участки поверхностного покрытия могут быть встроены в оптическую подложку вследствие облучения нейтральным пучком. Оптическая подложка может иметь оптическую характеристику, которая изменяется под действием облучения нейтральным пучком. Оптическая характеристика может представлять собой показатель преломления. Оптический элемент может представлять собой материал драгоценного камня. Материал драгоценного камня может быть выбран из группы, состоящей из алмаза, сапфира, кварца, и искусственного материала драгоценного камня. Поверхностное покрытие может быть сформировано в результате облучения нейтральным пучком. Оптическая подложка может быть гигроскопичной, и дополнительно поверхностное покрытие может иметь улучшенные гигроскопические свойства относительно оптической подложки.

Другой дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения представляет гигроскопичную подложку, содержащее поверхностное покрытие, сформированное облучением ускоренным нейтральным пучком гигроскопичной подложки, причем поверхностное покрытие имеет улучшенные гигроскопические свойства относительно гигроскопичной подложки. Настоящее изобретение представляет способ и систему на основе пучка высокой чистоты для выведения из пучка ускоренных газовых кластерных ионов пучка ускоренных нейтральных газовых кластеров и/или предпочтительно мономерного пучка, который может быть использован для разнообразных типов обработки поверхностей и ближайшей подповерхностной области материалов, и который способен во многих вариантах применения обеспечить превосходные эксплуатационные характеристики по сравнению с традиционной GCIB-обработкой. Он может создавать хорошо сфокусированные, ускоренные, интенсивные нейтральные мономерные пучки с частицами, имеющими энергии в диапазоне от около 1 эВ до столь высоких значений, как несколько тысяч эВ. В этом диапазоне энергий нейтральные частицы могут быть благоприятными или необходимыми во многих вариантах применения, например, когда желательно разрушить связи в поверхностной и ближайшей подповерхностной области для облегчения очистки, травления, сглаживания, осаждения, аморфизации или для создания поверхностных химических эффектов. В таких случаях часто могут быть полезными энергии от около одного эВ до нескольких тысяч эВ на частицу. Это энергетический диапазон, в котором с помощью простого, относительно недорогого устройства было практически невозможно сформировать интенсивные нейтральные пучки. В разнообразных вариантах исполнения ускоренный Нейтральный Пучок используются для обработки поверхностной и ближайшей подповерхностной области материалов и для изготовления такими способами обработки усовершенствованных материалов и устройств.

Эти ускоренные нейтральные пучки формируют сначала путем формирования традиционного ускоренного GCIB, затем частичной или по существу полной диссоциацией его способами и технологическими условиями, которые не вносят в пучок примеси, затем отделением остаточных заряженных частей пучка от нейтральной части, и затем использованием полученного нейтрального пучка для обработки заготовки. В зависимости от степени диссоциации газовых кластерных ионов созданный Нейтральный Пучок может представлять собой смесь нейтральных газовых мономеров и газовых кластеров, или может состоять по существу полностью или почти полностью из нейтральных газовых мономеров. Предпочтительно, чтобы ускоренный Нейтральный Пучок представлял собой по существу полностью диссоциированный нейтральный мономерный пучок.

Преимущество нейтральных пучков, которое может быть создано способами и устройствами согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, состоит в том, что они могут быть использованы для обработки электроизоляционных материалов без повреждения материала вследствие создания зарядов на поверхностях таких материалов пучком, переносящим заряды, как это обычно происходит со всеми ионизированными пучками, в том числе GCIB. Например, в вариантах применения с полупроводниками и других электронных устройств ионы часто принимают участие в повреждении или разрушительной зарядке тонких диэлектрических пленок, таких как оксиды, нитриды, и т.д. Применение нейтральных пучков может позволить проводить успешную обработку пучком полимерных, диэлектрических, и/или прочих электроизоляционных материалов или материалов с высоким удельным сопротивлением, покрытий и пленок в других вариантах применения, где ионные пучки могут создавать неприемлемые побочные эффекты вследствие зарядки поверхности или других эффектов внесения зарядов. Примеры включают в себя (без ограничения) обработку ингибирующих коррозию покрытий и облучение для образования межмолекулярных связей и/или полимеризации органических пленок. В других примерах Нейтральный Пучок инициирует модификации полимерных или других диэлектрических материалов (например, стерилизация, сглаживание, улучшение поверхностной биосовместимости и повышение прочности сцепления и/или регулирование скоростей выделения лекарственных препаратов) могут обеспечить возможность применения таких материалов в медицинских устройствах для имплантатов и/или других медицинских/хирургических вариантах применения. Дополнительные примеры включают в себя обработку нейтральным пучком поверхностей стеклянного, полимерного и керамического лабораторного оборудования для биокультур и/или поверхностей для отбора проб окружающей среды, где такие пучки могут быть использованы для улучшения характеристик поверхностей, например, таких как шероховатость, гладкость, гидрофильность и биосовместимость.

Поскольку исходный GCIB, из которого способами и устройствами согласно вариантам осуществления настоящего изобретения могут быть сформированы ускоренные нейтральные пучки, содержит ионы, он легко ускоряется для желательной энергии и легко фокусируется с использованием стандартных технологий ионных пучков. При последующей диссоциации и отделении заряженных ионов от нейтральных частиц, частицы нейтрального пучка склонны сохранять свои сфокусированные траектории и могут перемещаться на значительные расстояния с хорошим эффектом.

Когда нейтральные газовые кластеры в струе ионизируются в результате электронной бомбардировки, они становятся нагретыми и/или возбужденными. Это может проявляться в последующем испарении мономеров из ионизированного газового кластера, после ускорения, когда он отводится на канал пучка. К тому же, столкновения газовых кластерных ионов с молекулами фонового газа в областях ионизатора, ускоряющего устройства и канала пучка также нагревают и возбуждают газовые кластерные ионы, и могут приводить к дополнительному последующему выделению мономеров из газовых кластерных ионов после ускорения. Когда эти механизмы выделения мономеров инициируются электронной бомбардировкой и/или столкновениями с молекулами фонового газа (и/или другими газовыми кластерами) из того же газа, из которого был сформирован GCIB, в пучок не вносятся никакие ненужные примеси в результате процессов диссоциации, которые проявляются в результате образования мономеров.

Существуют другие механизмы, которые могут быть использованы для диссоциирования (или инициирования образования мономеров из) газовых кластерных ионов в GCIB без внесения нежелательных примесей в пучок. Некоторые из этих механизмов также могут быть применены для диссоциации нейтральных газовых кластеров в пучке нейтральных газовых кластеров. Одним из таких механизмов является лазерное облучение пучка кластерных ионов с использованием энергии инфракрасного или иного лазерного излучения. Индуцированное лазером нагревание газовых кластерных ионов в облучаемом лазером GCIB приводит к возбуждению и/или нагреванию газовых кластерных ионов и вызывает последующее образование мономеров из пучка. Другой механизм заключается в пропускании пучка через термически нагретую трубку таким образом, чтобы фотоны лучистой тепловой энергии воздействовали на газовые кластерные ионы в пучке. Индуцированное нагревание газовых кластерных ионов лучистой тепловой энергией в трубке вызывает возбуждение и/или нагревание газовых кластерных ионов и обусловливает последующее образование мономеров из пучка. В еще одном механизме в результатом пересечения пучка газовых кластерных ионов газовой струей того же газа или смеси в качестве исходного газа, использованного для формирования GCIB (или другого газа без нежелательных примесей), имеют место столкновения мономеров газа в газовой струе с газовыми кластерами в ионном пучке, вызывая возбуждение и/или нагревание газовых кластерных ионов и последующее образование мономеров из возбужденных газовых кластерных ионов. Будучи полностью зависимым от электронной бомбардировки во время первоначальной ионизации и/или столкновений (с другими кластерными ионами или с молекулами фонового газа того (тех) же газа (газов), которые использовались для формирования GCIB) внутри пучка, и/или лазерного или теплового излучения, и/или столкновений с пересекающей струей газа без вредных примесей для достижения диссоциации и/или фрагментации GCIB, загрязнение пучка столкновением с иными материалами исключается.

Благодаря применению таких незагрязняющих методов диссоциации, описанных выше, GCIB диссоциирует или по меньшей мере частично диссоциирует без внесения в продукты диссоциации или остаточные кластеры атомов, которые не являются частью атомов исходного газа. Применения исходного газа для первоначального формирования кластеров, который не содержит атомов, которые загрязняли бы заготовку, с использованием остаточных кластеров или продуктов диссоциации, можно избежать загрязнения заготовки. Когда используют аргон или другие благородные газы, материалы исходного газа являются летучими и химически нереакционноспособными, и при последующем облучении заготовки с использованием нейтральных пучков атомы этих летучих и нереакционноспособных веществ полностью выделяются из заготовки. Таким образом, в отношении заготовок, которые представляют собой оптические материалы или материалы драгоценных камней, в том числе стекла, кварц, сапфир, алмаз, и прочие твердые, прозрачные материалы, такие как триборат лития (LBO), аргон и другие благородные газы могут служить в качестве материалов исходного газа без внесения нежелательных примесей из-за облучения нейтральным пучком. В других ситуациях могут быть применены иные исходные газы, при условии, что атомные компоненты исходного газа не включают в себя атомов, которые приводили бы к загрязнению заготовки. Например, стеклянные заготовки, LBO и всевозможные другие оптические материалы являются кислородсодержащими, и для них атомы кислорода не являются нежелательной примесью. В таких случаях кислородсодержащие исходные газы могут быть использованы без загрязнения.

Когда струя нейтральных газовых кластеров из сопла движется через зону ионизации, где электроны направлены для ионизации кластеров, кластер может оставаться неионизированным или может приобретать зарядовое состояние q с одним или более зарядами (выбиванием электронов из кластера налетающим электроном). Эксплуатационные условия ионизатора обусловливают вероятность того, что газовый кластер будет приобретать определенное зарядовое состояние, причем с более интенсивными условиями ионизатора в результате достигается повышение вероятности достижения бóльшего зарядового состояния. Более интенсивные условия ионизатора, приводящие к более высокой эффективности ионизации, могут быть связаны с более высокой плотностью потока электронов и/или более высокой (в пределах ограничений) энергией электронов. Как только газовый кластер ионизирован, он обычно выводится из ионизатора, фокусируется в пучок и ускоряется при прохождении через электрическое поле. Степень ускорения газового кластерного иона легко контролируется регулированием величины ускоряющего электрического поля. Типичные имеющиеся в продаже на рынке устройства для GCIB-обработки, как правило, предусматривают ускорение газовых кластерных ионов электрическим полем, имеющим регулируемый ускоряющий потенциал, V_Acc, обычно, например, от около 1 кВ до 70 кВ (но не ограничен этим диапазоном -V_Acc вплоть до 200 кВ или даже боле может быть возможным). Таким образом, однозарядный газовый кластерный ион достигает энергии в диапазоне от 1 до 70 кэВ (или более, если используют больший V_Acc) и многозарядный (например, без ограничения, в зарядовом состоянии q=3 электронных зарядов) газовый кластерный ион достигает энергии в диапазоне от 3 до 210 кэВ (или более при более высоком V_Acc). Что касается других зарядовых состояний газовых кластерных ионов и ускоряющих потенциалов, энергия ускорения на кластер составляет qV_Acc эВ. При данном ионизаторе с данной эффективностью ионизации газовые кластерные ионы будут иметь распределение зарядовых состояний от нуля (неионизированные) до более высокого числа, например, такого как 6 (или даже выше при более высокой эффективности ионизации), и наиболее вероятные и средние значения распределения зарядовых состояний также возрастают с повышением эффективности ионизатора (более интенсивный поток электронов и/или более высокая энергия). Более высокая эффективность ионизатора приводит к увеличению формируемого в ионизаторе количеству газовых кластерных ионов. Во многих случаях производительность GCIB-обработки возрастает, когда работают с ионизатором с большей эффективностью, что приводит к повышению GCIB-потока. Недостатком такой работы является то, что множественные зарядовые состояния, которые могут возникать на газовых кластерных ионах промежуточного размера, могут увеличивать вероятность образования кратеров и/или шероховатой границе раздела этими ионами, и такие эффекты часто могут сводить на нет результаты предполагаемой обработки. Таким образом, для многих программ GCIB-обработки поверхностей выбор условий работы ионизатора проявляет тенденцию к включению более широкого круга учитываемых факторов, нежели только увеличение до максимума потока пучка. В некоторых процессах применение «ячейки под давлением» (см. патент США № 7,060,989 на имя Swenson и др.) может быть привлечено для обеспечения работы ионизатора с более высокой эффективностью ионизации, в то же время по-прежнему с получением приемлемой производительности обработки пучком, путем некоторого снижения энергии пучка за счет столкновений с газом при повышенном давлении в «ячейке под давлением».

Когда нейтральные пучки формируют в вариантах осуществления настоящего изобретения, отрицательных моментов в работе ионизатора на высокой производительности нет, - фактически такая работа иногда предпочтительна. Когда ионизатор работает на высокой производительности, диапазон зарядовых состояний газовых кластерных ионов, образованных ионизатором может быть широким. Это приводит к широкому диапазону скоростей газовых кластерных ионов в зоне извлечения между ионизатором и ускоряющим электродом, и также пучке ниже по потоку. Что может привести к повышенной частоте столкновений между газовыми кластерными ионами и среди них в пучке, что, как правило, ведет к более высокой степени фрагментации самых крупных газовых кластерных ионов. Такая фрагментация может обусловливать перераспределение кластеров по размерам в пучке, сдвигая его малым кластерным ионам. Эти фрагменты кластеров сохраняют энергию пропорционально их новому размеру (N) и, тем самым, становятся менее энергетическими, в то же время по существу сохраняя скорость, достигнутую ускорением первоначального нефрагментированного газового кластерного иона. Изменение энергии с сохранением скорости при последующих столкновениях было подтверждено экспериментально (например, как сообщалось авторами Toyoda, N. и др., «Cluster size dependence on energy and velocity distributions of gas cluster ions after collisions with residual gas», Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research B, том 257 (2007), стр. 662-665). Фрагментация также может приводить к перераспределению зарядов во фрагментах кластеров. Могут возникать некоторые незаряженные фрагменты, и многозарядные газовые кластерные ионы могут фрагментировать на несколько заряженных газовых кластерных ионов и, возможно, на несколько незаряженных фрагментов. Авторам настоящего изобретения понятно, что конфигурация фокусирующих полей в ионизаторе и зоне извлечения может усиливать фокусирование малых газовых кластерных ионов и мономерных ионов для повышения вероятности столкновения с большими газовыми кластерными ионами в зоне извлечения пучка и в пучке ниже по потоку, тем самым содействуя диссоциации и/или фрагментации газовых кластерных ионов.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения давление фонового газа в ионизаторе, зоне ускорения и канале пучка необязательно может быть установлено на более высоком уровне, чем это обычно используют для хорошего пропускания GCIB. Это может привести к дополнительному образованию мономеров из газовых кластерных ионов (помимо того, что обусловливается нагреванием и/или возбуждением, вызываемых первоначальным событием ионизации газового кластера). Давление может быть установлено таким, что газовые кластерные ионы имеют достаточно короткую длину свободного пробега и достаточно длинный пролет между ионизатором и заготовкой, для чтобы они подверглись множественным столкновениям с молекулами фонового газа.

В случае гомогенного газового кластерного иона, содержащего N мономеров и имеющего зарядовое состояние «q», и который был ускорен при разности потенциалов электрического поля V_Acc Вольт, кластер будет иметь энергию приблизительно qV_Acc/N_I эВ на мономер, где N_I - число мономеров в кластерном ионе во время ускорения. За исключением наименьших газовых кластерных ионов, столкновение такого иона с мономером фонового газа из того же газа, как источник газа для кластера, будет приводить к дополнительному вкладу qV_Acc/N_I эВ в газовый кластерный ион. Эта энергия является относительно небольшой по сравнению с общей энергией (qV_Acc) газового кластерного иона, и, как правило, приводит к возбуждению или нагреванию кластера и последующему образованию мономеров из кластера. Полагают, что такие столкновения более крупных кластеров с фоновым газом редко приводят к фрагментации кластера, но, скорее, нагревают и/или возбуждают его, что приводит к образованию мономеров путем испарения или похожими механизмами. Независимо от источника возбуждения, которое приводит к образованию мономера или мономеров из газового кластерного иона, выделившийся(-шиеся) мономер(-ры) имеет(-ют) приблизительно такую же энергию на частицу, qV_Acc/N_I эВ и сохраняет(-ют) приблизительно такую же скорость и траекторию, как газовый кластерный ион, из которого они образовались. Когда происходят такие образования мономеров из газового кластерного иона, то приводят ли они к возбуждению или нагреванию вследствие исходного события ионизации, столкновения или радиационного нагревания, остается высокая вероятность сохранения заряда на более крупном остаточном газовом кластерном ионе. Таким образом, после последовательности образования мономеров крупный газовый кластерный ион может сократиться до облака совместно движущихся мономеров, возможно, с меньшим остаточным газовым кластерным ионом (или, может быть, несколькими, если также произошла фрагментация). Движущиеся совместно мономеры, следуя исходной траектории пучка, все имеют приблизительно ту же скорость, как исходный газовый кластерный ион, и каждый имеет энергию приблизительно qV_Acc/N_I эВ. Что касается малых газовых кластерных ионов, то энергия столкновения с мономером фонового газа может полностью и бурно диссоциировать малый газовый кластер, и неясно, будут ли в таких случаях полученные мономеры продолжать двигаться с пучком или будут выброшены из пучка.

Во избежание загрязнения пучка в результате столкновений с фоновым газом предпочтительно, чтобы фоновый газ был таким же газом, как газ, составляющий газовые кластерные ионы. Сопла для формирования струй газовых кластеров в основном работают при высоком расходе потока газа порядка 100-600 см³/минуту. Часть этого потока, которая не конденсируется в газовые кластеры, повышает давление в камере источника. В дополнение к газу, проходящему через апертуру скиммера в форме газовых кластеров, не образовавший кластеров исходный газ из камеры источника может протекать через апертуру скиммера в канал пучка ниже по потоку или камеру(-ры) траектории пучка. Выбор диаметра апертуры скиммера для создания увеличенного потока, не образовавшего кластеров исходного газа из камеры источника к каналу пучка, является удобным способом для обеспечения дополнительного давления в канале пучка, чтобы индуцировать столкновения фонового газа с GCIB. Ввиду большого потока исходного газа (не образовавшего кластеров газа через апертуру скиммера и газа, переносимого к мишени пучком), атмосферные газы быстро выдуваются из канала пучка. В другом варианте, газ может просачиваться в камеру канала пучка, или, как отмечено выше, вводиться как струя, пересекающая траекторию GCIB. В таком случае газ предпочтительно является таким же, как исходный газ (или инертный или иным образом не загрязняющий). В ответственных случаях может быть использован анализатор остаточного газа в канале пучка для подтверждения качества фонового газа, когда столкновения с фоновым газом играют роль в образовании мономеров.

Перед тем, как GCIB достигнет заготовки, оставшиеся заряженные частицы (газовые кластерные ионы, в частности, газовые кластерные ионы с малыми и промежуточными размерами и некоторые заряженные мономеры, а также включая любые оставшиеся крупные газовые кластерные ионы) в пучке отделяются от нейтральной части пучка, оставляя только Нейтральный Пучок для обработки заготовки.

В обычной операции доля мощности нейтрального пучка относительно мощности всего (заряженного плюс нейтрального) пучка, подаваемая на обрабатываемую мишень, находится в диапазоне от около 5% до 95%, так что представляемыми здесь методами и устройствами разделения можно подавать эту часть кинетической энергии полностью ускоренного заряженного пучка к мишени в виде нейтрального пучка.

Диссоциация газовых кластерных ионов и тем самым образование высокоэнергетического нейтрального мономерного пучка облегчается тем, что:

1) проводят работу при более высоких ускоряющих напряжениях. Это повышает значение qV_Acc/N для любого данного размера кластера; 2) проводят работу при более высокой производительности ионизатора. Этим повышают значение qV_Acc/N для любого данного размера кластера увеличением значения «q» и увеличивают частоту столкновений кластерного иона с кластерным ионом в зоне извлечения благодаря различиям в зарядовых состояниях между кластерами; 3) проводят работу при высоком давлении в ионизаторе, зоне ускорения или канале пучка, или проводят работу с газовой струей, пересекающей пучок, или при более длинной траектории пучка, во всех случаях для повышения вероятности столкновений с фоновым газом газовых кластерных ионов любого данного размера; 4) проводят работу при лазерном облучении или термическом радиационном нагревании пучка, что непосредственно стимулирует образование мономеров из газовых кластерных ионов; и

5) проводят работу при более высоком расходе потока на сопле, что повышает перенос газа, кластеризованного и, возможно, некластеризованного, в траекторию GCIB, который увеличивает частоту столкновений, приводящих к большему образованию мономеров.

Для создания столкновений с фоновым газом, степени диссоциации газовых кластерных ионов, которая происходит, содействует произведение длины траектории пучка газовых кластерных ионов от зоны извлечения до заготовки на давление в этой зоне. Для ускорения при напряжении 30 кВ ионизатор с параметрами, который обеспечивает среднее зарядовое состояние газовых кластерных ионов 1 или более, и давление, умноженное на длину пути пучка, 6×10^-3 Торр-см (0,8 Паскаль-см) (при температуре 25°С), создает Нейтральный Пучок (после отделения от остаточных заряженных ионов), который по существу полностью диссоциирован на нейтральные энергетичные мономеры. Удобно и общепринято охарактеризовывать давление, умноженное на длину пути пучка, как толщину газовой мишени. 6×10^-3 Торр-см (0,8 Паскаль-см) соответствует толщине газовой мишени приблизительно 1,94×10¹⁴ молекул газа/см². В одном варианте осуществления, взятого в качестве примера (но не ограничения), давление фонового газа составляет 6×10^-5 Торр-см (8×10^-3 Паскаля), и длина пути пучка составляет 100 см, ускоряющий потенциал составляет 30 кВ, и в этом случае в конце пути наблюдается диссоциирование нейтрального пучка на мономеры в существенной степени. Это выполняется без лазерного или радиационного нагревания пучка и без применения газовой струи, пересекающей пучок. Условие полностью диссоциированного ускоренного нейтрального пучка получается из выделения мономеров вследствие нагревания, вызванного событием ионизации кластеров, столкновениями с остаточными газовыми мономерами и столкновениями между кластерами в пучке.

Применение диссоциированного нейтрального пучка создает улучшенные результаты сглаживания при сглаживании золотой пленки, по сравнению с полным пучком. В еще одном варианте применения использование диссоциированного нейтрального пучка на поверхности покрытия из лекарственного препарата на медицинском устройстве, или на слое смеси «лекарственный препарат/полимер» на медицинском устройстве или на массиве смеси «лекарственный препарат/полимер» на медицинском устройстве, обеспечивает улучшенное прикрепление и модификацию скорости элюции лекарственного средства без уменьшения веса лекарственного препарата, которая происходит, когда используют полный GCIB.

Измерение нейтрального пучка не может быть выполнено измерением тока, как это обычно принято для пучков газовых кластерных ионов. Для упрощения дозиметрии применяют датчик мощности нейтрального пучка, когда проводят облучение заготовки нейтральным пучком. Датчик нейтрального пучка представляет собой термический датчик, который пересекает пучок (или в некоторых случаях, известный как образец пучка). Скорость повышения температуры датчика соотносят с потоком энергии, обусловленным облучением датчика энергетическим пучком. Термические измерения должны быть выполнены в ограниченном диапазоне температур датчика во избежание ошибок вследствие теплового обратного излучения энергии, падающей на датчик. Для GCIB-процесса мощность пучка (в Ваттах) равна току пучка (в Амперах), умноженному на V_Acc, ускоряющее напряжение пучка. Когда GCIB облучает заготовку в течение периода времени (в секундах), энергия (в Джоулях), получаемая заготовкой, представляет собой произведение мощности пучка на продолжительность облучения. Эффект обработки таким пучком, когда им обрабатывают протяженную площадь, распределяется по площади (например, см²). Для ионных пучков было общепринятым задавать дозу обрабатывающего излучения в терминах «облучающие ионы/см²», где ионы имеют либо известное, либо приближенное во время ускорения среднее зарядовое состояние, q, и были ускорены при разности потенциалов, V_Acc Вольт, так что каждый ион несет энергию qV_Acc эВ (эВ приблизительно составляет 1,6×10^-19 Джоулей). Таким образом, доза облучения ионным пучком для среднего зарядового состояния q ускоренного при V_Acc и заданная в ионах/см², соответствует без труда рассчитываемой дозе энергии, выраженной в Джоулях/см². Для ускоренного нейтрального пучка, выведенного из ускоренного GCIB, как это делается в вариантах осуществления настоящего изобретения, значение «q» во время ускорения и значение V_Acc является одинаковым как для (сформированных позже и отделенных) заряженных, так и незаряженных фракций пучка. Мощность в двух (нейтральных и заряженных) фракциях GCIB разделяется пропорционально массе каждой фракции пучка. Таким образом, для ускоренного нейтрального пучка используемого в вариантах осуществления изобретения, когда равные площади облучают в течение одинаковых периодов времени, доза энергии (Джоулей/см²), доставленной нейтральным пучком, заведомо ниже, чем доза энергии, доставленной полным GCIB. Применением термического датчика для измерения мощности в полном GCIB, P_G, и мощности нейтрального пучка, P_N, (которую обычно составляет от около 5% до около 95% от мощности полного GCIB) можно рассчитать поправочный коэффициент для применения в дозиметрии при обработке нейтральным пучком. Когда P_N равна аP_G, то поправочный коэффициент k=1/а. Таким образом, если заготовка, обрабатываемая нейтральным пучком, выведенным из GCID, выполнена в «k» раз больше, чем продолжительность обработки для полного GCIB (в том числе заряженные и нейтральные части пучка), необходимая для достижения дозы D ионов/см², то дозы энергии, полученные заготовкой как нейтральным пучком, так и полным GCIB, являются одинаковыми (хотя результаты могут быть различными вследствие качественных различий в эффектах обработки ввиду различных размеров частиц в двух пучках). Используемую здесь технологическую дозу нейтрального пучка, скорректированную таким образом, иногда описывают как имеющую значение «энергия/см²», эквивалентное дозе «D ионов/см²».

Применение нейтрального пучка, выведенного из пучка газовых кластерных ионов, в комбинации с термическим датчиком мощности для дозиметрии во многих случаях имеет преимущества по сравнению с использованием полного пучка газовых кластерных ионов или пересеченной или отведенной части, которая неизбежно включает в себя смесь газовых кластерных ионов и нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров и которую традиционно измеряют для дозиметрии с использованием измерения тока пучка. Некоторые преимущества заключаются в следующем:

1) дозиметрия может быть более точной с нейтральным пучком при использовании термического датчика для дозиметрии, поскольку измеряется общая мощность пучка. В случае GCIB с использованием традиционного измерения тока пучка для дозиметрии, измеряется и применяется для дозиметрии только вклад ионизированной части пучка. Изменения эксплуатационных условий GCIB-установки с течением времени и от настройки к настройке могут приводить к колебаниям доли нейтральных мономеров и нейтральных кластеров в GCIB. Эти колебания могут приводить к колебаниям процесса, которые могут быть менее контролируемыми, когда дозиметрию проводят измерением тока пучка.

2) С использованием нейтрального пучка может быть обработан широкий круг разнообразных материалов, в том числе материалов с высокими изоляционными характеристиками и других материалов, которые могут быть повреждены эффектами электрических зарядов, без необходимости привлечения источника нейтрализующих мишень электронов, чтобы предотвратить зарядку заготовки зарядами, переносимыми на заготовку ионизированным пучком. Когда используют традиционный GCIB, нейтрализация мишени для сокращения заряда редко бывает совершенной, и сам источник нейтрализующих электронов часто создает дополнительные проблемы, такие как нагревание заготовки, загрязнение из-за испарения или распыление источника электронов и т.д. Поскольку Нейтральный Пучок не переносит заряд на заготовку, то такие проблемы уменьшаются.

3) Нет необходимости в дополнительном устройстве, таком как высокомощный магнит с большой апертурой для отделения энергетичных мономерных ионов от нейтрального пучка. В случае традиционного GCIB велика опасность того, что высокоэнергетические мономерные ионы (и прочие мелкие кластерные ионы) будут переноситься на заготовку, в которую они проникают, причиняя глубокие повреждение, и обычно требуется дорогостоящий магнитный фильтр для отделения таких частиц от пучка. В случае представляемого здесь устройства с нейтральным пучком отделение всех ионов из пучка для формирования нейтрального пучка по существу удаляет все мономерные ионы.

Используемый здесь термин «лекарственный препарат» предназначен означать терапевтический агент или материал, который является активным общим благоприятным путем, который может высвобождаться или выделяться локально вблизи имплантируемого медицинского устройства для облегчения имплантации (например, без ограничения, обеспечивая смазочный эффект) устройства, или для облегчения (например, без ограничения, в результате биологической или биохимической активности) подходящего лечебного или физиологического действия от имплантации устройства. Значение «лекарственного препарата» предполагает включение смеси лекарственного средства с полимером, который используют с целью связывания или создания сцепления с лекарственным препаратом, присоединяя лекарственный препарат к медицинскому устройству или для формирования барьерного слоя для регулирования высвобождения или элюции лекарственного препарата. Лекарственный препарат, который был модифицирован облучением ионным пучком для уплотнения, карбонизирования или частичного карбонизирования, частичной денатурации, образования межмолекулярных связей или частичного образования межмолекулярных связей, или по меньшей мере для частичной полимеризации молекул лекарственного препарата, предполагается входящим в определение «лекарственный препарат».

В данном случае, термин «промежуточный размер», когда имеют в виду размер газового кластера или величину газового кластерного иона, предполагается означающим размеры от N=10 до N=1500.

Используемые здесь термины «GCIB», «пучок газовых кластерных ионов» и «газовый кластерный ион» предполагаются охватывающими не только ионизированные пучки и ионы, но также ускоренные пучки и ионы, зарядовые состояния всех или части из них были модифицированы (в том числе нейтрализованы) после их ускорения. Термины «GCIB» и «пучок газовых кластерных ионов» предполагаются включающими в себя все пучки, которые содержат ускоренные газовые кластеры, даже если они также могут включать некластеризованные частицы. В данном случае термин «нейтральный пучок» предполагается означающим пучок нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров, выведенных из пучка ускоренных газовых кластерных ионов и в котором ускорение обусловливается ускорением пучка газовых кластерных ионов.

Используемый здесь при упоминании частицы в газе или частицы в пучке, термин «мономер» имеет отношение равным образом как к одиночному атому, так и к одиночной молекуле. Термины «атом», «молекула» и «мономер» могут быть применены взаимозаменяемо, и все имеют отношение к соответствующему мономеру, который представляет собой характеристику обсуждаемого газа (либо компонента кластера, компонента кластерного иона, либо атома или молекулы). Например, одноатомный газ типа аргона может быть назван в терминах атомов, молекул или мономеров, и каждый из этих терминов означает одиночный атом. Подобным образом, в случае двухатомного газа, такого как азот, он может относиться к понятиям атомов, молекул или мономеров, причем каждый термин означает двухатомную молекулу. Кроме того, молекулярный газ типа СО₂ или В₂Н₄ может быть назван в терминах атомов, молекул или мономеров, причем каждый термин означает многоатомную молекулу. Эти условные обозначения используются для упрощения обсуждений по существу газов и газовых кластеров или газовых кластерных ионов независимо от того, являются ли они одноатомными, двухатомными или молекулярными в их газообразной форме. При ссылке на составную часть молекулы или твердого материала «атом» имеет общепринятое значение.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения, вместе с другими и дополнительными задачами его приводится ссылка на сопровождающие чертежи, в которых:

Фиг. 1 - схематический вид, иллюстрирующий элементы установки из уровня техники для обработки заготовки с использованием GCIB;

Фиг. 2 - схематический вид, иллюстрирующий элементы еще одной установки из уровня техники для обработки заготовки с использованием GCIB, в которой используют сканирование ионного пучка и управление заготовкой;

Фиг. 3 - схематический вид установки согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой используют электростатические отклоняющие пластины для разделения заряженных и незаряженных компонентов пучка;

Фиг. 4 - схематический вид установки согласно одному варианту осуществления изобретения с использованием термического датчика для измерения нейтрального пучка;

Фиг. 5 - схематический вид установки согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой применяют ток отклоненного ионного пучка, собранного на супрессорной отклоняющей пластине, в качестве компонента дозиметрической схемы;

Фиг. 6 - схематический вид установки согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой используют образец отклоненного ионного пучка, собранного в цилиндре Фарадея как компоненте дозиметрической схемы;

Фиг. 7 - схематический вид установки согласно одному варианту осуществления изобретения с использованием механического сканирования для равномерного облучения протяженной заготовки нейтральным пучком;

Фиг. 8 - схематический вид установки согласно одному варианту осуществления изобретения с устройством для регулирования толщины газовой мишени путем нагнетания газа в камеру канала пучка;

Фиг. 9 - схематический вид установки согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой применяют электростатическое зеркало для разделения заряженных и нейтральных компонентов пучка;

Фиг. 10 - схематический вид установки согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой конфигурацию ускорения-замедления используют для отделения заряженного пучка от компонентов нейтрального пучка;

Фиг. 11 - схематический вид установки согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой для отделения заряженного пучка от компонентов нейтрального пучка применяют альтернативную конфигурацию ускорения-замедления;

Фиг. 12А, 12В, 12С и 12D - результаты обработки, показывающие, что в случае металлической пленки обработка нейтральным компонентом пучка создает превосходное сглаживание пленки, по сравнению с обработкой либо полным GCIB, либо заряженным компонентом пучка;

Фиг. 13А и 13В - сравнение лекарственного покрытия на кобальт-хромовом испытательном образце, представляющем медицинское устройство с элюцией лекарственного препарата, в котором обработка нейтральным пучком дает результат, превосходящий обработку полным GCIB;

Фиг. 14 - схематический вид установки для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой используют магнитное разделение;

Фиг. 15А, 15В и 15С - полученные в просвечивающем электронном микроскопе (TEM) изображения, иллюстрирующие превосходные границы разделов, созданные при использовании нейтрального пучка согласно вариантам осуществления изобретения, по сравнению с пучками газовых кластерных ионов;

Фиг. 16 - график, показывающий SIMS-профиль (масс-спектрометрии вторичных ионов) неглубокой имплантации бора, пригодной для формирования поверхностных переходов, с использованием варианта осуществления изобретения;

Фиг. 17 - TEM-изображение, показывающее высококачественную границу раздела, сформированную, когда один вариант осуществления изобретения использовали для формирования легированного бором полупроводника;

Фиг. 18 - график, иллюстрирующий травление SiО₂ и Si с использованием одного варианта осуществления изобретения;

Фиг. 19А и 19В - TEM-изображения, иллюстрирующие применение вариантов осуществления изобретения для формирования аморфных слоев в полупроводниковом материале;

Фиг. 20А и 20В - TEM-изображения, иллюстрирующие применение ускоренных нейтральных пучков, выведенных из пучков GCIB, для формирования пленок в полупроводниках;

Фиг. 21 - график, иллюстрирующий осаждение пленки из алмазоподобного углерода с использованием ускоренного нейтрального пучка, выведенного из ускоренного GCIB;

Фиг. 22 - изображение шероховатости чистой, традиционным образом отполированной поверхности оптического стекла, полученное в атомно-силовом микроскопе, отражающее степень шероховатости, отсутствие планарности и присутствие неровностей;

Фиг. 23 - изображение поверхности оптического стекла, полученное с помощью атомно-силового микроскопа после сглаживания согласно одному варианту осуществления изобретения с использованием ускоренного нейтрального пучка, выведенного из ускоренного GCIB;

Фиг. 24А, 24В, 24С и 24D - схематические виды, которые показывают этапы процесса с использованием ускоренного нейтрального пучка, выведенного из GCIB, или с применением GCIB, для создания оптического покрытия на оптической подложке с превосходной адгезией покрытия к подложке, согласно одному варианту осуществления изобретения в сравнении с традиционными способами;

Фиг. 25А и 25В - микроснимки карт поверхностей, полученных с помощью атомно-силового микроскопа, необработанного LBO-оптического компонента, показывающие деградацию в результате атмосферного воздействия; и

Фиг. 26А и 26В - микроснимки карт поверхностей, полученные с помощью атомно-силового микроскопа, LBO-оптического компонента, обработанного с использованием ускоренного нейтрального пучка, выведенного из GCIB, с результирующей уменьшенной деградацией вследствие атмосферного воздействия после обработки согласно одному варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Теперь обратимся к Фиг. 1, которая показывает схематическую конфигурацию установки 100 для GCIB-обработки из уровня техники. Резервуар 102 низкого давления имеет три сообщающихся по текучей среде камеры: сопловую камеру 104, ионизационную/ускорительную камеру 106 и обрабатывающую камеру 108. Из трех камер откачен воздух с помощью вакуумных насосов 146а, 146b и 146с соответственно. Сжатый конденсируемый исходный газ 112 (например, аргон), хранящийся в баллоне 111 для хранения газа, протекает через газо-дозировочный клапан 113 и подводящий трубопровод 114 в камеру 116 замедления потока. Давление (обычно в несколько атмосфер) в камере 116 замедления потока вызывает подачу газу в значительно более низкий по давлению вакуум через сопло 110, приводя к образованию сверхзвуковой газовой струи 118. Охлаждение, обусловленное расширением в струе, вызывает конденсацию части газовой струи 118 в кластеры, каждый из которых состоит от нескольких до нескольких тысяч слабосвязанных атомов или молекул. Апертуру 120 газового скиммера используют для регулирования течения газа в находящиеся ниже по потоку камеры частичным отделением от кластерной струи газовых молекул, которые не сконденсировались в кластерную струю. Избыточное давление в камерах ниже по потоку может быть вредным, препятствуя транспорту газовых кластерных ионов и мешая управлению высоким напряжением, которое может быть использовано для формирования и транспорта пучка. Пригодные конденсируемые исходные газы 112 включают в себя, но не ограничиваются таковыми, аргон и прочие конденсируемые благородные газы, азот, диоксид углерода, кислород, и многие другие газы и/или газовые смеси. После формирования газовых кластеров в сверхзвуковой газовой струе 118, по меньшей мере часть газовых кластеров ионизируется в ионизаторе 122, который обычно представляет собой ионизатор, действующий по принципу электронного удара, который генерирует электроны термической эмиссией из одной или более нитей 124 накаливания (или из других подходящих источников электронов) и ускоряет и направляет электроны, позволяя им сталкиваться с газовыми кластерами в газовой струе 118. Электроны сталкиваются с газовыми кластерами, выбивая электроны из некоторой части газовых кластеров, вследствие чего эти кластеры становятся положительно ионизированными. Некоторые кластеры могут иметь более чем один выбитый электрон, и могут становиться многократно ионизированными. Регулирование числа электронов и их энергий после ускорения обычно влияет на число ионизаций, которые могут происходить, и соотношение между многократными и одиночными ионизациями газовых кластеров. Супрессорный электрод 142 и заземленный электрод 144 выводят кластерные ионы из выходной апертуры 126 ионизатора, ускоряют их до необходимой энергии (обычно при ускорительных потенциалах от нескольких сотен вольт до нескольких десятков кВ), и фокусируют их с образованием GCIB 128. Зона, где GCIB 128 перемещается между выходной апертурой 126 ионизатора и супрессорным электродом 142, называется зоной извлечения. Ось (определяемая соплом 110) сверхзвуковой газовой струи 118, содержащей газовые кластеры, является по существу той же, что и ось 154 GCIB 128. источник 136 питания накала подводит напряжение V_f накала для нагревания нитей 124 ионизатора. Источник 134 питания анода подает анодное напряжение V_A для ускорения термоэлектронов, эмитированных нитью 124, заставляя термоэлектроны облучать содержащую кластеры газовую струю 118 для образования кластерных ионов. Источник 138 супрессорного напряжения подает супрессорное напряжение V_S (порядка от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт) на супрессорный электрод 142 смещения. Источник 140 питания ускорителя подает ускоряющее напряжение V_Acc для электрического смещения ионизатора 122 относительно супрессорного электрода 142 и заземленного электрода 144 так, чтобы ускоряющий потенциал всего GCIB был равен V_Acc. Супрессорный электрод 142 служит для выведения ионов из выходной апертуры 126 ионизатора 122 и для предотвращения попадания нежелательных электронов в ионизатор 122 из места ниже по потоку, и для формирования сфокусированного GCIB 128.

Заготовку 160, которая может представлять собой (например) медицинское устройство, полупроводниковый материал, оптический элемент или другое изделие, обрабатываемое в условиях GCIB-обработки, фиксируют в держателе 162 заготовки, который размещает заготовку на траектории GCIB 128. Держатель заготовки присоединен к обрабатывающей камере 108, но электрически изолирован от нее, посредством электрического изолятора 164. Таким образом, GCIB 128, ударяясь в заготовку 160 и держатель 162 заготовки, протекает через электрический проводник 168 на процессор 170 дозиметрического устройства. Вентиль 172 пучка регулирует пропускание GCIB 128 вдоль оси 154 на заготовку 160. Вентиль 172 пучка обычно имеет открытое состояние и закрытое состояние, которое контролируется связью 174, которая может быть (например) электрической, механической или электромеханической. Процессор 170 дозиметрического устройства управляет состоянием «открыто/закрыто» вентиля 172 пучка для контроля дозы GCIB, получаемой заготовкой 160 и держателем 162 заготовки. При работе процессор 170 дозиметрического устройства открывает вентиль 172 пучка для инициирования облучения GCIB заготовки 160. Как правило, процессор 170 дозиметрического устройства интегрирует электрический ток GCIB, поступающего на заготовку 160 и держатель 162 заготовки, для расчета накопленной дозы облучения GCIB. В случае заданной дозы процессор 170 дозиметрического устройства закрывает вентиль 172 пучка, прекращая обработку, когда заданная доза была достигнута.

В следующем описании для упрощения чертежей номера ссылочных позиций из показанных ранее чертежей могут появляться в последующих чертежах без обсуждения. Подобным образом, элементы, рассмотренные в отношении предшествующих чертежей, могут появляться на последующих чертежах без приведения номеров ссылочных позиций или дополнительного описания. В таких случаях элементы со сходными номерами представляют собой сходные элементы и имеют ранее описанные признаки и функции, и иллюстрация элементов без номеров ссылочных позиций, показанных на данном чертеже, имеет отношение к подобным элементам, имеющим такое же назначение, как подобные элементы, иллюстрированные на чертежах с предшествующими номерами.

Фиг. 2 показывает схематическую иллюстрацию элементов еще одной GCIB-технологической установки 200 согласно уровню техники для обработки заготовок с использованием GCIB, в которой используют сканирование ионного пучка и управление положением заготовки. Заготовка 160, обрабатываемая в GCIB-технологической установке 200, удерживается на держателе 202 заготовки, установленном на траектории GCIB 128. Для выполнения равномерной обработки заготовки 160 держатель 202 заготовки предназначен для управления положением заготовки 160, как это может потребоваться для равномерной обработки.

Любые поверхности заготовки, которые являются непланарными, например, сферическими или чашеобразными, скругленными, неправильной формы или с иной неплоской конфигурацией, могут быть ориентированы в пределах диапазона углов относительно падающего пучка для получения оптимальной GCIB-обработки поверхностей заготовки. Держатель 202 заготовки может быть полностью шарнирно-сочлененным для ориентирования всех непланарных обрабатываемых поверхностей в надлежащем положении относительно GCIB 128, чтобы обеспечить оптимизацию и равномерность обработки. Более конкретно, когда обрабатываемая заготовка 160 является непланарной, держатель 202 заготовки может поворачиваться в режиме вращательного движения 210 и наклоняться в режиме поворотного движения 212 с помощью поворотно-вращательного механизма 204. Поворотно-вращательный механизм 204 может обеспечивать вращение устройства на 360 градусов вокруг продольной оси 206 (которая коаксиальна оси 154 пучка GCIB 128), и достаточный поворот вокруг оси 208 перпендикулярно оси 206 для поддерживания поверхности заготовки в пределах нужного диапазона падающего пучка.

При определенных условиях, в зависимости от размера заготовки 160, может быть желательной сканирующая система для выполнения равномерного облучения крупной заготовки. Хотя часто при GCIB-обработке это не является необходимым, две пары ортогонально ориентированных пластин 130 и 132 для электростатического сканирования могут быть применены для создания растровой или иной картины сканирования по всей протяженной обрабатываемой площади. Когда выполняют такое сканирование пучком, генератор 156 развертки подает напряжения сигнала развертки по Х-оси на пару сканирующих пластин 132 через пару проводников 159 и напряжения сигнала развертки по Y-оси на пару сканирующих пластин 130 через пару проводников 158. Напряжения сигналов развертки обычно представляют собой треугольные волны с различными частотами, которые вызывают преобразование GCIB 128 в сканирующий GCIB 148, который сканирует всю поверхность заготовки 160. Зону сканирования определяет формирующая сканирующий пучок апертура 214. Формирующая сканирующий пучок апертура 214 является электропроводной и электрически соединена со стенкой резервуара 102 низкого давления, и поддерживается опорным элементом 220. Держатель 202 заготовки гибким электрическим проводником 222 электрически соединен с цилиндром 216 Фарадея, который окружает заготовку 160 и держатель 202 заготовки и собирает весь ток, проходящий через определяющую апертуру 214. Держатель 202 заготовки электрически изолирован от поворотно-вращательного механизма 204, и цилиндр 216 Фарадея электрически изолирован от резервуара 102 низкого давления и смонтирован на нем на изоляторах 218. Соответственно этому, весь ток от сканирующего GCIB 148, который проходит через формирующую сканирующий пучок апертуру 214, собирается в цилиндре 216 Фарадея и протекает через электрический проводник 224 к процессору 170 дозиметрического устройства. В эксплуатационном режиме процессор 170 дозиметрического устройства открывает вентиль 172 пучка для инициирования облучения GCIB заготовки 160. Процессор 170 дозиметрического устройства обычно интегрирует электрический ток GCIB, поступающего на заготовку 160 и держатель 202 заготовки, и на цилиндр 216 Фарадея, для расчета накопленной дозы облучения GCIB на единицу площади. В случае заданной дозы процессор 170 дозиметрического устройства закрывает вентиль 172 пучка, прекращая обработку, когда заданная доза была достигнута. Во время накопления заданной дозы заготовка 160 может перемещаться под управлением поворотно-вращательного механизма 204 для обеспечения обработки всех требуемых поверхностей.

Фиг. 3 представляет схематический вид установки 300 для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой используют электростатические отклоняющие пластины для разделения заряженных и незаряженных частей пучка GCIB. Камера 107 канала пучка заключает в себе зоны ионизатора и ускорителя, и зоны обработки заготовки. Камера 107 канала пучка имеет высокую электропроводность, и тем самым давление является по существу равномерным на всем протяжении. Вакуумный насос 146b откачивает воздух из камеры 107 канала пучка. Газ протекает в камеру 107 канала пучка в форме кластеризованного и некластеризованного газа, переносимого газовой струей 118, и в форме дополнительного некластеризованного газа, который просачивается через апертуру 120 газового скиммера. Датчик 330 давления передает данные о величине давления из камеры 107 канала пучка по электрическому кабелю 332 на контроллер 334 датчика давления, который измеряет и отображает давление в камере 107 канала пучка. Давление в камере 107 канала пучка зависит от баланса потока газа в камеру 107 канала пучка и скорости откачивания вакуумным насосом 146b. Выбором диаметра апертуры 120 газового скиммера, величины потока исходного газа 112 через сопло 110 и скорости откачивания вакуумным насосом 146b давление в камере 107 канала пучка выравнивается при давлении, P_B, определяемом конструкцией и потока на сопле. Длина пролета GCIB от заземленного электрода 144 до держателя 162 заготовки, например, составляет 100 см. Сообразно конструкции и настройке, величина P_B может составлять приблизительно 6×10^-5 Торр (8×10^-3 Паскаля). Таким образом, произведение давления и длины пролета пучка приблизительно составляет 6×10^-3 Торр-см (0,8 Паскаль-см), и толщина газовой мишени для пучка составляет приблизительно 1,94×10¹⁴ молекул газа на см², что, будучи в сочетании с выделением мономера вследствие первоначальной ионизации газовых кластеров в ионизаторе 122 и столкновениями, которые происходят между газовыми кластерными ионами в GCIB 128, по наблюдениям, является эффективным для диссоциации газовых кластерных ионов в GCIB 128 и приводит к полностью диссоциированному ускоренному нейтральному пучку 314. V_Acc может составлять, например, 30 кВ, и GCIB 128 ускоряется при этом потенциале. Вокруг оси 154 пучка GCIB 128 размещают пару отклоняющих пластин (302 и 304). Источник 306 питания дефлектора подает отклоняющее напряжение V_D на отклоняющую пластину 302 по электрическому проводнику 308. Отклоняющая пластина 304 соединена с электрическим заземлением электрическим проводником 312 и через датчик тока/дисплей 310. Источник 306 питания дефлектора может управляться вручную. V_D можно регулировать от нуля до напряжения, достаточного для полного отклонения ионизированной части 316 пучка GCIB 128 на отклоняющую пластину 304 (например, в несколько тысяч Вольт). Когда ионизированная часть 316 пучка GCIB 128 отклоняется на отклоняющую пластину 304, результирующий ток I_D протекает через электрический проводник 312 и датчик тока/дисплей 310 для индикации. Когда V_D равно нулю, GCIB 128 не отклоняется и движется к заготовке 160 и держателю 162 заготовки. Ток I_B пучка GCIB собирается на заготовке 160 и держателе 162 заготовки и протекает через электрический проводник 168 и датчик тока/дисплей 320 на электрическое заземление. I_B отображается на датчике тока/дисплее 320. Вентиль 172 пучка управляется через связь 338 контроллером 336 вентиля пучка. Контроллер 336 вентиля пучка может быть вручную, или может быть электрически или механически рассчитан по времени согласно заданному значению на открывание вентиля 172 пучка в течение заданного интервала. При применении V_D выставляют на нуль, и измеряют ток пучка I_B наталкивающегося на держатель заготовки. На основе предшествующего опыта для данного режима GCIB-обработки определяют начальное время облучения для данного процесса, основываясь на измеренном токе I_B. Значение V_D повышают до тех пор, пока весь измеренный ток пучка не пройдет от I_B до I_D, и I_D больше не будет возрастать с увеличением V_D. В этот момент Нейтральный Пучок 314, содержащий высокоэнергетические диссоциированные компоненты первоначального GCIB 128, облучает держатель 162 заготовки. Затем вентиль 172 пучка закрывается, и на держателе 162 заготовки размещают заготовку 160 с помощью стандартного устройства для загрузки заготовки (не показано). Вентиль 172 пучка открывается в течение заданного времени начального облучения. После интервала облучения заготовка может быть проверена, и продолжительность обработки скорректирована, как необходимо, для калибровки желательной продолжительности обработки нейтральным пучком на основе измеренного тока I_B пучка GCIB. После такого процесса калибровки дополнительные заготовки могут быть обработаны с использованием откалиброванной продолжительности воздействия.

Нейтральный Пучок 314 содержит воспроизводимую долю первоначальной энергии ускоренного GCIB 128. Оставшаяся ионизированная часть 316 исходного GCIB 128 была удалена из нейтрального пучка 314 и собрана заземленной отклоняющей пластиной 304. Ионизированная часть 316, которая удалена из нейтрального пучка 314, может включать в себя мономерные ионы и газовые кластерные ионы, включая газовые кластерные ионы с промежуточными размерами. Благодаря механизмам испарения мономеров в результате нагревания кластеров во время процесса ионизации, столкновений внутри пучка, столкновений с фоновым газом и других причин (все из которых приводят к эрозии кластеров), Нейтральный Пучок по существу состоит из нейтральных мономеров, тогда как отделенные заряженные частицы представляют собой преимущественно кластерные ионы. Авторы настоящего изобретения подтвердили это надлежащими измерениями, которые включают в себя повторную ионизацию нейтрального пучка и измерение отношения заряда к массе полученных ионов. Отделенные заряженные компоненты пучка по большей части состоят из кластерных ионов промежуточного размера, а также мономерных ионов и, возможно, некоторых крупных кластерных ионов. Как будет показано ниже, определенные превосходные результаты обработки получаются при обработке заготовок с использованием этого нейтрального пучка.

Фиг. 4 представляет схематический вид установки 400 для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой применяют термический датчик для измерения нейтрального пучка. Термический датчик 402 посредством крепления 404 с низкой теплопроводностью зафиксирован на вращающемся несущем кронштейне 410, присоединенном к шарнирному рычагу 412. Силовой привод 408 перемещает термический датчик 402 в режиме реверсивного вращательного движения 416 между положениями, которые пересекают Нейтральный Пучок 314 или GCIB 128 и нейтральным положением, обозначенным позицией 414, где термический датчик 402 не пересекается ни с каким пучком. Когда термический датчик 402 находится в нейтральном положении (обозначенном позицией 414), GCIB 128 или Нейтральный Пучок 314 сохраняет движение вдоль траектории 406 для облучения заготовки 160 и/или держателя 162 заготовки. Контроллер 420 термического датчика управляет позиционированием термического датчика 402 и выполняет обработку сигнала, генерированного термическим датчиком 402. Термический датчик 402 сообщается с контроллером 420 термического датчика через электрический кабель 418. Контроллер 420 термического датчика сообщается с контроллером 432 дозиметрического устройства через электрический кабель 428. Устройство 424 для измерения тока пучка измеряет ток I_B пучка, протекающий в электрическом проводнике 168, когда GCIB 128 сталкивается с заготовкой 160 и/или держателем 162 заготовки. Устройство 424 для измерения тока пучка передает сигнал измерения тока пучка контроллеру 432 дозиметрического устройства по электрическому кабелю 426. Контроллер 432 дозиметрического устройства регулирует настройку открытого и закрытого состояний вентиля 172 пучка сообразно контрольным сигналам, передаваемым по связи 434. Контроллер 432 дозиметрического устройства управляет источником 440 питания дефлектора по электрическому кабелю 442 и может контролировать отклоняющее напряжение V_D между значениями напряжения от нуля до положительного напряжения, соответствующего полному отклонению ионизированной части 316 пучка GCIB 128 на отклоняющую пластину 304. Когда ионизированная часть 316 пучка GCIB 128 наталкивается на отклоняющую пластину 304, результирующий ток I_D измеряется датчиком 422 тока и передается на контроллер 432 дозиметрического устройства по электрическому кабелю 430. При работе контроллер 432 дозиметрического устройства устанавливает термический датчик 402 в нейтральное положение 414, открывает вентиль 172 пучка, выставляет значение V_D на нуль так, что полный GCIB 128 падает на держатель 162 заготовки и/или заготовку 160. Контроллер 432 дозиметрического устройства регистрирует ток I_B пучка, передаваемый от устройства 424 для измерения тока пучка. Затем контроллер 432 дозиметрического устройства перемещает термический датчик 402 из нейтрального положения 414 в положение пересечения пучка GCIB 128 командами, переданными через контроллер 420 термического датчика. Контроллер 420 термического датчика измеряет поток энергии пучка GCIB 128 расчетом, основанным на теплоемкости датчика и измеренной скорости повышения температуры термического датчика 402, когда его температура повышается до заданной температуры измерения (например, 70 градусов Цельсия) и сообщает рассчитанное значение потока энергии пучка на контроллер 432 дозиметрического устройства, который затем рассчитывает калибровку плотности потока энергии пучка по измерению термическим датчиком 402 и соответствующему току пучка, измеренному устройством 424 для измерения тока пучка. Затем контроллер 432 дозиметрического устройства переводит термический датчик 402 в нейтральное положение 414, позволяющее охладить его, и подает команду на приложение положительного V_D на отклоняющую пластину 302, пока весь ток I_D от ионизированной части пучка GCIB 128 не будет перенесен на отклоняющую пластину 304. Датчик 422 тока измеряет соответствующий I_D и передает данные контроллеру 432 дозиметрического устройства. Контроллер 432 дозиметрического устройства также перемещает термический датчик 402 из нейтрального положения 414 до пересечения с нейтральным пучком 314 командами, переданными через контроллер 420 термического датчика. Контроллер 420 термического датчика измеряет потока энергии пучка в нейтральном пучке 314 с использованием ранее определенного коэффициента калибровки и скорости повышения температуры термического датчика 402, когда его температура повышается до заданной температуры измерения и сообщает значение потока энергии нейтрального пучка на контроллер 432 дозиметрического устройства. Контроллер 432 дозиметрического устройства рассчитывает долю нейтрального пучка, которая представляет собой отношение термического измерения потока энергии нейтрального пучка 314 к термическому измерению потока энергии полного GCIB 128 на датчике 402. В обычном эксплуатационном режиме доля нейтрального пучка достигает от около 5% до около 95%. Перед началом обработки контроллер 432 дозиметрического устройства также измеряет ток I_D и определяет соотношение величин тока между I_B и I_D. Во время обработки результат мгновенного измерения I_D, умноженный на начальное отношение I_B/I_D, может быть использован как заменитель непрерывного измерения I_B, и применен для дозиметрии во время контроля обработки контроллером 432 дозиметрического устройства. Таким образом, контроллер 432 дозиметрического устройства может компенсировать любую флуктуацию пучка во время обработки заготовки с таким же успехом, как если бы было в распоряжении фактическое измерение тока пучка для полного GCIB 128. Контроллер дозиметрического устройства использует долю нейтрального пучка для расчета желательной продолжительности обработки для конкретного процесса лучевого воздействия. Во время процесса продолжительность обработки может быть скорректирована на основе калиброванного измерения I_D для коррекции любой флуктуации пучка во время процесса.

Фиг. 5 представляет схематический вид установки 500 для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой применяют ток отклоненного ионного пучка, собранного на супрессорной отклоняющей пластине в качестве компонента дозиметрической схемы. С краткой отсылкой к Фиг. 4, недостатком схемы дозиметрии, показанной в Фиг. 4, может быть то обстоятельство, что ток I_D включает в себя ток от ионизированной части 316 пучка GCIB 128, а также токи вторичных электронов, обусловленные выбросом электронов вторичной эмиссии, испускаемых, когда ионизированная часть 316 пучка сталкивается с отклоняющей пластиной 304. Выход электронов вторичной эмиссии может варьировать в зависимости от распределения кластерных ионов по размерам в ионизированной части 316. Он также может варьировать в зависимости от состояния поверхности (чистоты и т.д.) испытывающей соударение поверхности отклоняющей пластины 304. Таким образом, в схеме, описанной в Фиг. 4, величина I_D не является точным представлением тока из-за ионизированной части 316 пучка GCIB 128. Возвращаясь к Фиг. 5, улучшенное измерение ионизированной части 316 пучка GCIB 128 может быть реализовано на отклоняющей пластине 304 добавлением электрода 502 в качестве защитной сетки, приближенного к поверхности отклоняющей пластины 304, которая принимает ионизированную часть 316. Защитный сеточный электрод 502 является исключительно прозрачным для ионизированной части 316, но имеет отрицательный потенциал смещения относительно отклоняющей пластины 304 второго супрессорного напряжения V_S2, подаваемого источником 506 питания супрессора вторичной эмиссии. Эффективное подавление электронов вторичной эмиссии обычно достигается при величине V_S2 порядка нескольких десятков Вольт. Подавлением эмиссии вторичных электронов токовая нагрузка на источник 440 питания дефлектора снижается, и повышается точность представления I_D как тока ионизированной части 316 пучка GCIB 128. Защитная сетка 502 от электронов изолирована от отклоняющей пластины 304 и поддерживается вблизи нее изолирующими опорами 504.

Фиг. 6 представляет схематический вид установки 550 для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой используют образец отклоненного ионного пучка, собранного в цилиндре Фарадея как компоненте дозиметрической схемы. В этом варианте осуществления изобретения образец 556 ионизированной части 316 (как показано на Фиг. 5) захватывается в цилиндр 558 Фарадея. Ток образца I_S, собираемый в цилиндре 558 Фарадея, направляется через электрический проводник 560 в датчик 562 тока для измерения, и результат измерения передается в контроллер 566 дозиметрического устройства через электрический кабель 564. Цилиндр 558 Фарадея обеспечивает измерение тока, превосходящее результаты, полученные измерением тока I_D, собранного отклоняющей пластиной 304 (как показано в Фиг. 5). Датчик 562 тока действует по существу так же, как ранее описано для датчика 422 тока (как показано на Фиг. 5), за исключением того, что датчик 562 тока имеет повышенную чувствительность к восприятию тока I_S меньшей величины по сравнению с I_D. Контроллер 566 дозиметрического устройства работает по существу так же, как ранее описано для контроллера 432 дозиметрического устройства (как показано на Фиг. 5), за исключением того, что он рассчитан на восприятие измеренного тока I_S меньшей величины (сравнительно с I_D на Фиг. 5).

Фиг. 7 представляет схематический вид установки 600 для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой используют механический сканер 602 для сканирования пространственно протяженной заготовки 160 нейтральным пучком 314 для облегчения равномерного сканирования нейтральным пучком крупной заготовки. Поскольку нейтральный пучок 314 не может быть отклонен способами магнитного или электростатического сканирования, то когда обрабатываемая заготовка 160 является более протяженной в пространстве, чем протяженность нейтрального пучка 314, и требуется равномерная обработка заготовки 160, используют механический сканер 602 для сканирования заготовки 160 нейтральным пучком 314. Механический сканер 602 размещают так, чтобы либо Нейтральный Пучок 314, либо GCIB 128 мог падать на заготовку 160 и/или держатель 616 заготовки. Когда отклоняющие пластины (302, 304) отклоняют ионизированную часть 316 от GCIB 128, заготовка 160 и/или держатель 616 заготовки принимают только Нейтральный Пучок 314. Когда отклоняющие пластины (302, 304) не отклоняют ионизированную часть 316 от GCIB 128, заготовка 160 и/или держатель 616 заготовки принимают полный GCIB 128. Держатель 616 заготовки является электропроводным и изолирован от заземления изолятором 614. Ток пучка (I_B) вследствие падения GCIB 128 на заготовку 160 и/или держатель 616 заготовки проводится на устройство 424 для измерения тока пучка по электрическому проводнику 168. Устройство 424 для измерения тока пучка измеряет величину I_B и передает результат измерения на контроллер 628 дозиметрического устройства. Механический сканер 602 имеет станину 604 силового привода, содержащую исполнительные механизмы, управляемые контроллером 618 механического сканера через электрический кабель 620. Механический сканер 602 имеет плиту 606 для смещения по Y-направлению, способную к реверсивному перемещению в Y-направлении 610, и имеет плиту 608 для смещения по Х-направлению, способную к реверсивному перемещению в Х-направлении 612, обозначенные как «в» и «из» в плоскости бумаги Фиг. 7. Перемещения плиты 606 для Y-направления и плиты 608 для Х-направления производятся силовыми приводами в станине 604 силового привода под управлением контроллера 618 механического сканера. Контроллер 618 механического сканера через электрический кабель 622 сообщается с контроллером 628 дозиметрического устройства. Функция контроллера 628 дозиметрического устройства включает в себя все функции, описанные ранее для контроллера 432 дозиметрического устройства, с дополнительной функцией управления механическим сканером 602 с сообщением через контроллер 618 механического сканера. На основе измеренной потока энергии нейтрального пучка, контроллер 628 дозиметрического устройства рассчитывает и передает на контроллер 618 механического сканера скорости сканирования по Y- и Х-направлениям, чтобы обеспечить завершение целого числа полных сканирований заготовки 160 для обработки заготовки 160, обеспечения полной и равномерной обработки заготовки и обеспечения заданной дозы облучающего потока для заготовки 160. За исключением применения нейтрального пучка и использования измерения плотности потока энергии нейтрального пучка, такие алгоритмы контроля сканирования традиционно применяются, например, в стандартных установках для GCIB-обработки и приборах для ионной имплантации. Следует отметить, что установка 600 для обработки нейтральным пучком может быть использована как традиционный инструмент для GCIB-обработки при регулировании отклоняющих пластин (302, 304) таким образом, что GCIB 128 пропускают без отклонения, позволяя полному GCIB 128 облучать заготовку 160 и/или держатель 616 заготовки.

Фиг. 8 представляет схематический вид установки 700 для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения с устройством, которая обеспечивает активное регулирование и контроль давления газа в камере 107 канала пучка. Датчик 330 давления передает данные измерений давления из камеры 107 канала пучка по электрическому кабелю 332 на контроллер 716 давления, который измеряет и отображает давление в камере канала пучка. Давление в камере 107 канала пучка зависит от баланса между притоком газа в камеру 107 канала пучка и скоростью откачивания вакуумным насосом 146b. Газовый баллон 702 содержит газ 704 для канала пучка, который предпочтительно представляет собой такие же частицы газа, как исходный газ 112. Газовый баллон 702 имеет дистанционно управляемый напускной клапан 706 и подающий газопровод 708 для напуска газа 704 для канала пучка в камеру 107 канала пучка через газовый диффузор 710 в камере 107 канала пучка. Контроллер 716 давления способен принимать контрольную точку входного сигнала (с вводом вручную или с автоматическим вводом из системы контроллера (не показана)) в форме заданного значения давления, заданной величины произведения давления на длину пробега пучка (на основе заданной длины пробега пучка) или заданного значения толщины газовой мишени. Когда заданное значение было установлено для контроллера 716 давления, он регулирует поток газа 704 для канала пучка в камеру 107 канала пучка для поддержания контрольной величины во время работы установки для обработки нейтральным пучком. Когда используют такую систему регулирования давления в канале пучка, производительность вакуумного насоса 146b обычно рассчитывают таким образом, чтобы в отсутствие газа 704 для канала пучка, вводимого в камеру 107 канала пучка, фоновое давление в камере 107 канала пучка было ниже, чем желательное эксплуатационное давление. Если фоновое давление выбирают таким, что стандартный GCIB 128 может распространяться на длину траектории пучка без чрезмерной диссоциации, то установка 700 для обработки нейтральным пучком также может быть использована как традиционный инструмент для GCIB-обработки.

Фиг. 9 представляет схематический вид установки 800 для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой применяют электростатическое зеркало для разделения заряженных и нейтральных частей пучка. Отражательный электрод 802 и по существу прозрачный электрический сеточный электрод 804 размещают смещенными относительно друг друга, параллельно друг другу, и под углом 45 градусов к оси 154 пучка. Как отражательный электрод 802, так и по существу прозрачный электрический сеточный электрод 804 имеют отверстия (836 и 838, соответственно), центрированные по оси 154 пучка для возможности прохождения нейтрального пучка 314 через два электрода. Источник 810 питания зеркала подает электрический потенциал V_M зеркала на зазор между отражательным электродом 802 и по существу прозрачным электрическим сеточным электродом 804 по электрическим проводникам 806 и 808, с полярностью, как обозначено в Фиг. 9. Величину V_M выбирают слегка большей, чем V_Acc+V_R (причем V_R представляет собой замедляющий потенциал, необходимый для преодоления тепловой энергии, которую струя газовых кластеров имеет перед ионизацией и ускорением - V_R обычно имеет значение порядка нескольких кВ). Электрическое поле, создаваемое между отражательным электродом 802 и по существу прозрачным электрическим сеточным электродом 804, отражает ионизированную часть 814 пучка GCIB 128 приблизительно под углом 90 градусов относительно оси 154. Цилиндр 812 Фарадея размещают для улавливания ионизированной части 814 пучка GCIB 128. Защитный сеточный электрод 816 предотвращает утечку электронов вторичной эмиссии из цилиндра 812 Фарадея. На защитный сеточный электрод 816 подают потенциал смещения с отрицательным третьим супрессорным напряжением V_S3, подводимым от источника 822 питания для третьего супрессорного напряжения. V_S3 обычно составляет величину порядка нескольких десятков Вольт. Ток цилиндра Фарадея I_D2, представляющий ток в отклоненной ионизированной части 814 пучка GCIB 128 (и тем самым ток в GCIB 128), протекает через электрический проводник 820 на датчик 824 тока. Датчик 824 тока измеряет ток I_D2 и передает результат измерения на контроллер 830 дозиметрического устройства по электрическому проводнику 826. Функция контроллера 830 дозиметрического устройства является такой же, как ранее описанная для контроллера 432 дозиметрического устройства, за исключением того, что контроллер 830 дозиметрического устройства принимает информацию об измерении тока I_D2 от датчика 824 тока, и контроллер 830 дозиметрического устройства не контролирует источник 440 питания дефлектора, но вместо этого контролирует источник 810 питания зеркала по электрическому кабелю 840. Настройкой источника 810 питания зеркала на выходное значение либо нуль Вольт, либо V_M контроллер 830 дозиметрического устройства контролирует, направляется ли полный GCIB 128 или только Нейтральный Пучок 314 из GCIB 128 на заготовку 160 и/или держатель 616 заготовки для измерения и/или обработки.

Фиг. 10 представляет схематический вид установки 940 для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения, которая имеет преимущество в том, что как ионизатор 122, так и заготовка 160 действуют при нулевом потенциале. Заготовку 160 удерживают в траектории нейтрального пучка 314 с помощью электропроводного держателя 162 заготовки, который, в свою очередь, поддерживается электропроводным опорным элементом 954, присоединенным к стенке резервуара 102 низкого давления. Соответственно этому, держатель 162 заготовки и заготовка 160 электрически заземлены. Ускоряющий электрод 948 выводит газовые кластерные ионы из выходной апертуры 126 ионизатора и ускоряет газовые кластерные ионы посредством потенциала напряжения V_Acc, подводимого от источника 944 питания ускорителя, с образованием GCIB 128. Корпус ионизатора 122 заземлен, и V_Acc имеет отрицательную полярность. Нейтральные атомы газа в газовой струе 118 имеют небольшую энергию порядка нескольких десятков миллиэлектровольт. Когда они конденсируются в кластеры, энергия накапливается пропорционально размеру кластера N. Достаточно крупные кластеры приобретают существенные энергии от процесса конденсации, и, когда ускоряются посредством потенциала напряжения V_Acc, конечная энергия каждого иона превышает V_Acc на его энергию нейтральной кластерной струи. Ниже по потоку относительно ускоряющего электрода 948 используют замедляющий электрод 952 для обеспечения замедления ионизированной части 958 пучка GCIB 128. На замедляющий электрод 952 подают положительное замедляющее напряжение смещения V_R от источника 942 питания для замедляющего напряжения. Замедляющее напряжение V_R порядка нескольких кВ, как правило, является достаточным для обеспечения того, чтобы все ионы в GCIB 128 замедлились и вернулись на ускоряющий электрод 948. Матрицы 950 из постоянных магнитов присоединены к ускоряющему электроду 948 для создания магнитного подавления электронов вторичной эмиссии, которые в противном случае испускались бы в результате столкновения возвращаемых ионов с ускоряющим электродом 948. Вентиль 172 пучка представляет собой механический вентиль пучка, и размещен выше по потоку относительно заготовки 160. Контроллер 946 дозиметрического устройства контролирует рабочую дозу, принимаемую заготовкой. Термический датчик 402 размещают в положении, которое пересекается с нейтральным пучком 314, для измерения плотности потока энергии нейтрального пучка или же в нейтральном положении для обработки нейтральным пучком заготовки под управлением контроллера 420 термического датчика. Когда термический датчик 402 находится в положении регистрации пучка, поток энергии нейтрального пучка измеряется и передается на контроллер 946 дозиметрического устройства по электрическому кабелю 956. В нормальном рабочем режиме контроллер 946 дозиметрического устройства закрывает вентиль 172 пучка и подает команду на контроллер 420 термического датчика для измерения и сообщает поток энергии нейтрального пучка 314. Затем стандартный механизм для загрузки заготовки (не показан) помещает новую заготовку на держатель заготовки. На основе измеренного потока энергии нейтрального пучка 314 контроллер 946 дозиметрического устройства рассчитывает продолжительность облучения для подведения заданной желательной дозы энергии нейтрального пучка. Контроллер 946 дозиметрического устройства подает на термический датчик 402 команду выйти из нейтрального пучка 314 и открывает вентиль 172 пучка для расчета продолжительности облучения и затем закрывает вентиль 172 пучка в конце рассчитанного времени облучения для прекращения обработки заготовки 160.

Фиг. 11 представляет схематический вид установки 960 для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения, в которой ионизатор 122 работает при отрицательном потенциале V_R и в которой заготовка действует при нулевом потенциале. Ускоряющий электрод 948 выводит газовые кластерные ионы из выходной апертуры 126 ионизатора и ускоряет газовые кластерные ионы посредством потенциала V_Acc, подводимого от источника 944 питания ускорителя, с образованием GCIB 128. Полученный GCIB 128 ускоряется потенциалом V_Acc-V_R. Заземленный электрод 962 замедляет ионизированную часть 958 пучка GCIB 128 и возвращает ее на ускоряющий электрод 948.

Фиг. 14 представляет схематический вид установки 980 для обработки нейтральным пучком согласно одному варианту осуществления изобретения. Этот вариант исполнения подобен показанному на Фиг. 8, за исключением того, что отделение заряженных компонентов пучка от нейтральных компонентов пучка выполняют со средств, создающих магнитное поле, нежели электростатическое поле. Возвращаясь к Фиг. 14, магнитный анализатор 982 имеет поверхности магнитных полюсов, разделенные зазором, в котором присутствует магнитное В-поле. Держатель 984 размещает магнитный анализатор 982 относительно GCIB 128 таким образом, что GCIB 128 входит в зазор магнитного анализатора 982 так, что вектор В-поля ориентирован поперек оси 154 пучка GCIB 128. Ионизированная часть 990 пучка GCIB 128 отклоняется магнитным анализатором 982. Перегородка 986 с апертурой 988 для нейтрального пучка размещена относительно оси 154 так, что Нейтральный Пучок 314 может проходить через апертуру 988 для нейтрального пучка к заготовке 160. Ионизированная часть 990 пучка GCIB 128 ударяется в перегородку 986 и/или стенки резервуара 102 низкого давления, где она диссоциирует до газа, который выкачивается вакуумным насосом 146b.

Фиг. 12А-12D показывают сравнение результатов действия полных пучков и пучков с отделенными зарядами на тонкую золотую пленку. В экспериментальной установке золотую пленку, осажденную на кремниевую подложку, подвергли обработке полным GCIB (с заряженными и нейтральными компонентами), нейтральным пучком (заряженные компоненты были отклонены от пучка), и отклоненным пучком, включающим в себя только заряженные компоненты. Все три условия выведены из одного и того же исходного GCIB, ускоренного при потенциале 30 кВ аргонового (Ar) GCIB. Толщина газовой мишени для траектории пучка после ускорения составляла приблизительно 2×10¹⁴ атомов газообразного аргона на см². Для каждого из трех пучков экспозиции соответствовали общей энергии, переносимой полным пучком (заряженным плюс нейтральным) при ионной дозе 2×10¹⁵ газовых кластерных ионов на см². Величины потока энергии каждого пучка были измерены с использованием термического датчика, а продолжительности обработки были скорректированы для обеспечения того, чтобы каждый образец получил одну и ту же общую дозу тепловой энергии, эквивалентную дозе полного (заряженного плюс нейтрального) GCIB.

Фиг. 12А показывает полученную в атомно-силовом микроскопе (AFM) развертку участка 5 микрон на 5 микрон (5×5 мкм), и статистический анализ образца только что осажденной золотой пленки, которая имела среднюю шероховатость Ra приблизительно 2,22 нм. Фиг. 12В показывает AFM-развертку поверхности, обработанной полным GCIB - средняя шероховатость Ra сократилась до приблизительно 1,76 нм. Фиг. 12С показывает AFM-развертку поверхности, обработанной с использованием только заряженных компонентов пучка (после отклонения от нейтральных компонентов пучка) - средняя шероховатость Ra повысилась приблизительно до 3,51 нм. Фиг. 12D показывает AFM-развертку поверхности, обработанной с использованием только нейтрального компонента пучка (после того, как заряженные компоненты были отклонены от нейтрального пучка) - средняя шероховатость Ra сгладилась до приблизительно 1,56 нм. Образец (В), обработанный полным GCIB, является более гладким, чем пленка (А) сразу после осаждения. Образец (D), обработанный нейтральным пучком, является более гладким, чем обработанный полным GCIB образец (В). Образец (С), обработанный заряженным компонентом пучка, является значительно более шероховатым, чем пленка сразу после осаждения. Результаты подтверждают вывод, что нейтральные части пучка содействуют сглаживанию, и заряженные компоненты пучка содействуют усилению шероховатости.

Фиг. 13А и 13В показывают сравнение результатов обработки полным GCIB и нейтральным пучком пленки лекарственного препарата, осажденного на кобальт-хромовый образец, использованный для оценки скорости элюции из высвобождающего лекарственное средство коронарного стента. Фиг. 13А представляет образец, облученный с использованием аргонового GCIB (включающего в себя заряженные и нейтральные компоненты), ускоренного с использованием V_Acc 30 кВ при дозе облучения 2×10¹⁵ газовых кластерных ионов на см². Фиг. 13В представляет образец, облученный с использованием нейтрального пучка, выведенного из аргонового GCIB, ускоренного с использованием V_Acc 30 кВ. Облучение нейтральным пучком проводили с дозой тепловой энергии, эквивалентной дозе 2×10¹⁵ газовых кластерных ионов на см² ускоренного при 30 кВ пучка (эквивалентность определяли датчиком потока тепловой энергии пучка). Облучение обоих образцов выполняли через размещенную вблизи кобальт-хромового образца маску, имеющую периодическую структуру круглых отверстий с диаметром приблизительно 50 микрон (50 мкм), чтобы обеспечить пропускание пучка. Фиг. 13А представляет полученную в сканирующем электронном микроскопе фотографию участка размером 300 микрон на 300 микрон (300×300 мкм) образца, который был облучен через маску полным пучком. Фиг. 13В представляет полученную в сканирующем электронном микроскопе фотографию участка размером 300 микрон на 300 микрон (300×300 мкм) образца, который был облучен через маску нейтральным пучком. Образец, показанный на Фиг. 13А, проявляет признаки повреждения и вытравливания, обусловленные полным пучком, где он проходил через маску. Показанный на Фиг. 13В образец не обнаруживает видимого эффекта. В испытаниях на скорость элюции в физиологическом растворе образцы, обработанные подобно образцу Фиг. В (но без маски), проявляли превосходную (замедленную) скорость элюции, по сравнению с образцами, обработанными подобно образцу Фиг. 13А (но без маски). Результаты подтверждают вывод о том, что обработка нейтральным пучком содействует нужному эффекту замедленной элюции, тогда как обработка полным GCIB (заряженными плюс нейтральными компонентами) содействует уменьшению веса лекарственного препарата вследствие травления, с худшим (с меньшей задержкой) эффектом скорости элюции.

Чтобы дополнительно проиллюстрировать способность ускоренного нейтрального пучка, выведенного из ускоренного GCIB, содействовать прочности сцепления лекарственного препарата с поверхностью, и производить модификацию лекарственного препарата таким образом, что это приводит к замедленной элюции лекарственного препарата, провели дополнительное испытание. Кремниевые испытательные образцы с размером приблизительно 1 см на 1 см (1 см²) изготовили из тщательно отполированных чистых кремниевых пластин полупроводникового качества для применения в качестве подложек для осаждения лекарственного препарата. Раствор лекарственного препарата «Рапамицин» (номер в каталоге R-5000, фирма LC Laboratories, Уоберн, Массачусетс 01801, США) приготовлен растворением 500 мг рапамицина в 20 мл ацетона. Затем использовали пипетку для распределения капель раствора лекарственного препарата величиной приблизительно 5 микролитров на каждом испытательном образце. После испарения в атмосфере и вакуумной сушки раствора на каждом из кремниевых испытательных образцов остались круглые отложения рапамицина с диаметром приблизительно 5 мм. Испытательные образцы разделили на группы и либо оставили необлученными (контрольными), либо облучили в разнообразных условиях излучением нейтрального пучка. Затем группы поместили в индивидуальные ванны (ванна на испытательный образец) с человеческой плазмой на 4,5 часа для возможности элюции лекарственного препарата в плазму. Через 4,5 часа испытательные образцы извлекли из ванн с плазмой, промыли деминерализованной водой и высушили в вакууме. На последующих этапах процесса провели измерения веса: 1) вес чистого кремниевого испытательного образца перед осаждением; 2) после осаждения и высушивания, вес испытательного образца плюс осажденного лекарственного препарата; 3) вес после облучения; и 4) вес после элюции плазмой и вакуумной сушки. Таким образом, для каждого испытательного образца имеется следующая информация: 1) первоначальный вес лекарственного препарата, осажденного на каждый испытательный образец; 2) потеря веса лекарственного препарата во время облучения каждого испытательного образца; и 3) потеря веса лекарственного препарата во время элюции плазмой для каждого испытательного образца. Для каждого облученного испытательного образца было подтверждено, что потеря лекарственного препарата во время облучения была пренебрежимо малой. Потеря лекарственного препарата во время элюции в человеческой плазме показана в Таблице 1. Группы были следующими: Контрольная Группа - облучение не выполняли; Группа 1 - облученная нейтральным пучком, выведенным из GCIB, ускоренного при V_Acc 30 кВ. Доза энергии пучка для облучения в Группе 1 была эквивалентна дозе 5×10¹⁴ газовых кластерных ионов на см², ускоренных при 30 кВ (эквивалентность энергии определяли датчиком потока тепловой энергии пучка); Группа 2 - облученная нейтральным пучком, выведенным из GCIB, ускоренного при V_Acc 30 кВ. Доза энергии пучка для облучения в Группе 2 была эквивалентна дозе 1×10¹⁴ газовых кластерных ионов на см², ускоренных при 30 кВ (эквивалентность энергии определяли датчиком потока тепловой энергии пучка); и Группа 3 - облученная нейтральным пучком, выведенным из GCIB, ускоренного при V_Acc 25 кВ. Доза энергии пучка для облучения в Группе 3 была эквивалентна дозе 5×10¹⁴ газовых кластерных ионов на см², ускоренных при 25 кВ (эквивалентность энергии определяли датчиком потока тепловой энергии пучка).

Таблица 1 показывает, что в каждом случае облучения нейтральным пучком (Группы 1-3) потеря лекарственного препарата во время 4,5-часовой элюции в человеческую плазму была гораздо меньшей, чем для необлученной контрольной группы. Это показывает, что облучение нейтральным пучком приводит к лучшей адгезии лекарственного препарата и/или сниженной скорости элюции, по сравнению с необлученным лекарственным препаратом. Значения «р» (двухвыборочный t-критерий Стьюдента в неоднородных группах) показывают, что для каждой из облученных нейтральным пучком групп 1-3 относительно контрольной группы разница в удерживании лекарственного препарата с последующей элюцией в человеческую плазму была статистически значимой.

Фиг. 15А-15С показывают сравнение действия полного пучка (с заряженными плюс нейтральными компонентами) и пучка с отделенными зарядами на пластину из монокристаллического кремния, которая обычно может использоваться в полупроводниковых устройствах. Кремниевая подложка имела исходный нативный (образованный естественным путем) оксидный слой толщиной приблизительно 1,3 нм. В отдельных примерах кремниевую подложку обработали с использованием полного GCIB (с заряженными плюс нейтральными компонентами), нейтральным пучком, выведенным из GCIB (с заряженными компонентами, удаленными из пучка отклонением), и пучком заряженных кластеров, включающим в себя только заряженные компоненты GCIB после отделения их от нейтральных компонентов. Все три условия были выведены из одних и тех же начальных условий GCIB, ускоренного при 30 кВ GCIB, сформированного из смеси 98% Ar с 2% О₂. Для каждого из трех пучков дозы облучения соответствовали общей энергии, переносимой полным пучком (заряженным плюс нейтральным) при ионной дозе 2×10¹⁵ газовых кластерных ионов на см². Величины потока энергии каждого пучка были измерены с использованием термического датчика, и продолжительности обработки были скорректированы для обеспечения того, что каждый образец получил одинаковую дозу общей тепловой энергии, эквивалентную дозе полного (заряженного плюс нейтрального) GCIB. Три образца оценивали изготовлением срезов и затем получением изображения с использованием просвечивающей электронной микроскопии (TEM).

Фиг. 15А представляет TEM-изображение 1000 среза кремниевой подложки, облученной полным GCIB (с заряженными и нейтральными компонентами пучка). Излучение падало на кремниевую подложку по направлению с верха изображения в сторону нижней части изображения. Перед получением среза для генерирования TEM-изображения верхнюю поверхность (облучаемую поверхность) кремниевой подложки покрыли эпоксидным наружным слоем, чтобы упростить выполнение среза и избежать повреждения подложки во время процесса секционирования. В TEM-изображении 1000 среза эпоксидный наружный слой 1006 виден в верхней части изображения. Облучение сформировало аморфную область 1004, включающую в себя кремний и кислород, имеющую минимальную толщину приблизительно 4,6 нм. Между аморфной областью 1004 и нижележащим монокристаллическим кремнием 1002 в результате процесса облучения образовалась шероховатая граница 1008 раздела, имеющая колебания амплитуды от максимума до минимума приблизительно 4,8 нм.

Фиг. 15В представляет TEM-изображение 1020 среза кремниевой подложки, облученной отделенным заряженным компонентом GCIB (только заряженная часть). Излучение падало на кремниевую подложку по направлению с верха изображения в сторону нижней части изображения. Перед получением среза для генерирования TEM-изображения верхнюю поверхность (облучаемую поверхность) кремниевой подложки покрыли эпоксидным наружным слоем, чтобы упростить выполнение среза и избежать повреждения подложки во время процесса секционирования. В TEM-изображении 1020 среза эпоксидный наружный слой 1026 виден в верхней части изображения. Облучение сформировало аморфную область 1024, включающую в себя кремний и кислород, имеющую минимальную толщину приблизительно 10,6 нм. Между аморфной областью 1024 и нижележащим монокристаллическим кремнием 1022 в результате процесса облучения образовалась шероховатая граница 1028 раздела, имеющая колебания амплитуды от максимума до минимума приблизительно 5,9 нм.

Фиг. 15С представляет TEM-изображение 1040 среза кремниевой подложки, облученной нейтральной частью (заряженные компоненты были отделены отклонением и выведением). Излучение падало на кремниевую подложку по направлению с верха изображения в сторону нижней части изображения. Перед получением среза для генерирования TEM-изображения верхнюю поверхность (облучаемую поверхность) кремниевой подложки покрыли эпоксидным наружным слоем, чтобы упростить выполнение среза и избежать повреждения подложки во время процесса секционирования. В TEM-изображении 1040 среза эпоксидный наружный слой 1046 виден в верхней части изображения. Облучение сформировало аморфную область 1044, включающую в себя кремний и кислород, имеющую по существу равномерную толщину приблизительно 3,0 нм. Между аморфной областью 1044 и нижележащим монокристаллическим кремнием 1042 в результате процесса облучения образовалась гладкая граница 1048 раздела, имеющая вариации амплитуды от максимума до минимума в атомном масштабе.

Результаты обработки, представленные на Фиг. 15А-15С, показывают, что в технических решениях с использованием полупроводников применение ускоренного нейтрального пучка, выведенного из ускоренного GCIB отделением зарядов, приводит к лучшим границам разделов между обработанными облучением и необработанными участками, по сравнению либо с полным GCIB, либо с заряженной частью GCIB. Факты также показывают, что на кремнии с использованием выведенного из GCIB нейтрального пучка может быть сформирована гладкая однородная оксидная пленка, и что такая пленка не имеет шероховатой границы раздела, часто связанной с применением традиционного GCIB. Без намерения вдаваться в какую-то конкретную теорию, представляется, что улучшение, скорее всего, обусловливается устранением кластеров промежуточного размера или удалением всех или большинства кластеров из пучка.

Фиг. 16 представляет график 1060, показывающий результаты измерений профиля глубины с использованием масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS), при неглубокой имплантации бора в кремниевую подложку, выполненной с использованием нейтрального пучка согласно одному варианту осуществления изобретения. На график нанесена концентрация 1062 бора, измеренная в единицах «атомов бора/см³ (атомов/см³)» как функция глубины, измеренной в нм. С использованием установки, подобной той, которая показана на Фиг. 4, сформировали ускоренный при 30 кВ GCIB из смеси 99% Ar с 1% диборана (В₂Н₆). Давление в камере замедления потока составляло 80 psi (5,5×10⁵ Паскалей), расход потока на сопле составлял 200 стандартных см³/минуту (3,3 стандартных см³/секунду). Полный ток пучка (заряженные плюс нейтральные компоненты перед разделением путем отклонения) составлял приблизительно 0,55 микроампер (мкА). Давление в канале пучка поддерживали на уровне приблизительно 6,9×10^-5 Торр (9,2×10^-3 Паскалей), и фоновым газом, обеспечивающим это давление, был по существу аргон/диборан. Толщина газовой аргон/диборановой мишени для области между ускорителем и заготовкой составляла приблизительно 2,23×10¹⁴ газовых аргон/диборановых мономеров/см², и ускоренный Нейтральный Пучок, по наблюдениям, у мишени состоял по существу из полностью диссоциированных нейтральных мономеров. С использованием электростатического отклонения все заряженные частицы были отклонены от оси пучка и выведены из пучка, с образованием по существу полностью диссоциированного нейтрального пучка. Таким образом, Нейтральный Пучок представлял собой ускоренный мономерный нейтральный аргон/диборановый пучок. Дозиметрию выполняли с использованием термического датчика для калибровки общей дозы нейтрального пучка, доставляемой на кремниевую подложку, таким образом, что подведенная энергия нейтрального пучка была бы эквивалентна той энергии, которая подводилась бы при дозе облучения 6,3×10¹⁴ газовых кластерных ионов/см² ускоренным (30 кВ) GCIB, включающим в себя как заряженные, так и незаряженные частицы (без нейтрализации путем отделения зарядов). Профиль глубины, показанный на Фиг. 16, показывает, что имплантация ионов бора нейтральным пучком, достигнутая с использованием выведенного из GCIB нейтрального пучка, приводит к очень неглубокой имплантации бора. Глубина перехода, оцененная по глубине с концентрацией 10¹⁸ атомов бора/см³, имеет место на глубине около 12 нм, что является очень неглубоким переходом. Интегрирование дозы бора по глубине показывает поверхностную плотность приблизительно 7,94×10¹⁴ атомов бора/см².

Фиг. 17 представляет TEM-изображение 1100 среза кремниевой подложки, облученной нейтральной частью (заряженные компоненты были отделены отклонением и выведением), выведенной из GCIB. С использованием установки, подобной той, которая показана в Фиг. 4, сформировали ускоренный при 30 кВ GCIB из смеси 99% Ar с 1% диборана (В₂Н₆). Давление в камере замедления потока составляло 88 psi (6,05×10⁵ Паскалей), расход потока на сопле составлял 200 стандартных см³/минуту (3,3 стандартных см³/секунду). Полный ток пучка (заряженные плюс нейтральные компоненты перед разделением путем отклонения) составлял приблизительно 0,55 микроампер (мкА). Давление в канале пучка поддерживали на уровне приблизительно 6,8×10^-5 Торр (9,07×10^-3 Паскалей), и фоновым газом, обеспечивающим это давление, был по существу аргон/диборан. Толщина газовой аргон/диборановой мишени для области между выходной апертурой ускорителя и заготовкой поэтому составляла приблизительно 2,2×10¹⁴ газовых аргон/диборановых мономеров/см², и ускоренный Нейтральный Пучок, по наблюдениям, у мишени состоял по существу из полностью диссоциированных нейтральных мономеров. С использованием электростатического отклонения все заряженные частицы были отклонены от оси пучка и выведены из пучка, с образованием нейтрального пучка, который был по существу полностью диссоциированным. Таким образом, нейтральный пучок представлял собой ускоренный мономерный нейтральный аргон/диборановый пучок. Дозиметрию выполняли с использованием термического датчика для калибровки общей дозы нейтрального пучка, доставляемой на кремниевую подложку, таким образом, что подведенная энергия нейтрального пучка была бы эквивалентна той энергии, которая подводилась бы при дозе облучения 1,8×10¹⁴ газовых кластерных ионов/см² ускоренным (30 кВ) GCIB, включающим в себя как заряженные, так и незаряженные частицы (без нейтрализации путем отделения зарядов). Излучение падало на кремниевую подложку по направлению с верха изображения в сторону нижней части изображения. Перед получением среза для генерирования TEM-изображения верхнюю поверхность (облучаемую поверхность) кремниевой подложки покрыли эпоксидным наружным слоем, чтобы упростить выполнение среза и избежать повреждения подложки во время процесса секционирования. С обращением опять к Фиг. 17, в TEM-изображении 1100 эпоксидный наружный слой 1106 виден в верхней части изображения. Облучение сформировало аморфную область 1104, включающую в себя кремний и бор, имеющую по существу равномерную толщину приблизительно 1,9 нм. Между аморфной областью 1104 и нижележащим монокристаллическим кремнием 1102 в результате процесса облучения образовалась гладкая граница 1108 раздела, имеющая вариации амплитуды от максимума до минимума в атомном масштабе. Из уровня техники известно, что GCIB-облучение полупроводниковых материалов для внедрения легирующих добавок, создающих деформацию частиц и т.д., приводит к образованию более неровных поверхностей раздела между образованной при обработке пленкой и нижележащей подложкой, подобной границе раздела 1008, показанной на Фиг. 15А. Показано, что диборан может быть использован для эффективного легирования полупроводника бором, с высококачественной поверхностью раздела между легированной пленкой и нижележащей подложкой. При использовании других газов, содержащих другую легирующую добавку и/или деформирующие решетку частицы, частицы для повышения предела растворимости легирующей добавки в твердой фазе или частицы для стимулирования аморфизации поверхности, могут быть получены высококачественные пленки с превосходными границами раздела между пленкой и подложкой, сравнительно с традиционной GCIB-технологией, где присутствие кластерных ионов с промежуточными размерами в пучке может вызывать образование неровной поверхности. Некоторые содержащие легирующие добавки газы, которые могут быть применены по отдельности или в смесях для внедрения легирующих добавок, представляют собой диборан (В₂Н₆), трифторид бора (BF₃), фосфин (РН₃), пентафторид фосфора (PF₅), арсин (AsH₃) и пентафторид мышьяка (AsF₅), как примеры без ограничения, которые могут быть использованы для внедрения легирующих атомов в газовые кластеры. Некоторые газы, которые могут быть применены по отдельности или в смесях, для введения деформирующих решетку частиц, представляют собой герман (GeH₄), тетрафторид германия (GeF₄), силан (SiH₄), тетрафторид кремния (SiF₄), метан, (CH₄). Некоторые газы, которые могут быть использованы по отдельности или в смесях для стимулирования аморфизации, представляют собой, без ограничения, аргон (Ar), герман (GeH₄), тетрафторид германия (GeF₄) и фтор (F₂). Некоторые газы, которые могут быть использованы по отдельности или в смесях для стимулирования растворимости легирующих добавок, представляют собой герман (GeH₄) и тетрафторид германия (GeF₄). Содержащие легирующие добавки газы, газы, содержащие деформирующие решетку частицы, газы, содержащие аморфизирующие частицы, и/или газы, содержащие частицы для улучшения растворимости легирующих добавок (и, необязательно, инертные и прочие газы), могут быть применены в смесях для одновременного образования комбинаций благоприятных характеристик в процессе облучения ускоренным нейтральным пучком. На Фиг. 17 отвесная линия, соединяющая номер 1108 ссылочной позиции с ее объектом, изменяет цвет для подчеркивания контраста на участках на чертеже, имеющих различный фон.

Фиг. 18 иллюстрирует график 1200 измерения профиля глубины, полученный после применения ускоренного нейтрального пучка, выведенного из GCIB, для травления пленки из диоксида кремния (SiО₂) на кремниевой подложке и для травления кремниевой подложки. С использованием установки, подобной той, которая показана на Фиг. 4, сформировали ускоренный при 30 кВ GCIB с использованием аргона. Давление в камере замедления потока составляло 28 psi (1,93×10⁵ Паскалей), расход потока на сопле составлял 200 стандартных см³/минуту (3,3 стандартных см³/секунду). Полный ток пучка (заряженные плюс нейтральные компоненты перед разделением путем отклонения) составлял приблизительно 0,50 микроампер (мкА). Толщина газовой аргоновой мишени для области между ускорителем и заготовкой составляла приблизительно 1,49×10¹⁴ газовых аргоновых мономеров/см², и ускоренный Нейтральный Пучок, по наблюдениям, у мишени состоял по существу из полностью диссоциированных нейтральных мономеров. С использованием электростатического отклонения все заряженные частицы были отклонены от оси пучка и выведены из пучка, с образованием нейтрального пучка. Таким образом, нейтральный пучок по существу представлял собой ускоренный мономерный нейтральный аргоновый пучок. Дозиметрию выполняли с использованием термического датчика для калибровки общей дозы нейтрального пучка, доставляемой на кремниевую подложку, таким образом, что подведенная энергия нейтрального пучка была бы эквивалентна той энергии, которая подводилась бы при дозе облучения 2,16×10¹⁶ газовых кластерных ионов/см² ускоренным (30 кВ) GCIB, включающим в себя как заряженные, так и незаряженные частицы (без нейтрализации путем отделения зарядов). Пленку диоксида кремния (SiО₂) (толщиной приблизительно 0,5 микрон [мкм]) на кремниевой подложке частично закрыли маской с узкой (приблизительно 0,7 мм шириной) полоской из ленты полиимидной пленки и затем облучали ускоренным нейтральным пучком. После облучения полиимидную ленту удалили. С обращением опять к Фиг. 18, график 1200 измерения профиля глубины построили с использованием профилометра TENCOR Alpha-Step 250 для постадийного измерения профиля по направлению вдоль поверхности пленки SiО₂ (на кремниевой подложке) и поперек области, закрытой маской из ленты полиимидной пленки, благодаря чему травление происходило только под действием ускоренного нейтрального пучка. Горизонтальный участок 1202 представляет непротравленную поверхность пленки SiО₂ под полиимидной пленкой (после удаления пленки и очистки), тогда как участки 1204 представляют протравленную часть. Ускоренный Нейтральный Пучок обеспечивает глубину травления приблизительно 2,4 микрона (мкм), при этом протравливая насквозь пленку SiО₂ толщиной 0,5 микрона (0,5 мкм) и дополнительно 1,9 микрона (1,9 мкм) в нижележащей кристаллической кремниевой подложке, создавая ступеньку, показанную на графике 1200 измерения профиля глубины. Аргон и другие инертные газы могут быть использованы как исходные газы для травления физическим путем. При применении реактивного исходного газа или при использовании исходного газа, включающего в себя реактивный газ в смеси, также может быть выполнено реактивное травление с использованием нейтрального пучка. Типичные реактивные газы, которые могут быть применены по отдельности или в смеси с инертными газами, представляют собой (без ограничения) кислород (О₂), диоксид углерода (СО₂), азот (N₂), аммиак (NН₃), фтор (F₂), хлор (Cl₂), гексафторид серы (SF₆), тетрафторметан (СF₄) и прочие конденсируемые галогенсодержащие газы.

Фиг. 19А и 19В представляют TEM-изображения, иллюстрирующие создание аморфных слоев в кристаллическом полупроводниковом материале облучением ускоренными нейтральными пучками, выведенными из пучков GCIB. Перед получением среза для генерирования TEM-изображения верхнюю поверхность каждого образца покрыли эпоксидным наружным слоем, чтобы упростить выполнение среза и избежания повреждения подложки во время процесса секционирования. Нативные оксиды самопроизвольно образуются на воздухе или в воде при воздействии на немодифицированный кремний.

Фиг. 19А представляет TEM-изображение 1220 среза кремниевой подложки с пленкой из нативного SiО₂. В TEM-изображении 1220 эпоксидный наружный слой 1226 виден в верхней части изображения. Тонкая (приблизительно 1,3 нм) нативная оксидная пленка 1224 видна на нижележащей кремниевой подложке 1222.

Фиг. 19В представляет TEM-изображение 1240, показывающее результаты облучения кремниевой подложки ускоренным аргоновым нейтральным пучком, выведенными из GCIB. Кремниевую пластину, имеющую нативную оксидную пленку, подобную той, которая показана на Фиг. 19А, очистили 1%-ным водным раствором фтористоводородной кислоты для удаления нативного оксида. Очищенную кремниевую подложку облучили с использованием нейтрального пучка, выведенного из ускоренного при 30 кВ GCIB (заряженные компоненты были удалены из пучка отклонением), сформированного из аргона. Доза облучения соответствовала по энергии общей энергии, переносимой полным пучком (заряженным плюс нейтральным) при ионной дозе 5×10¹⁴ газо-кластерных ионов на см², с использованием термического датчика для соответствия общей энергии, доставляемой нейтральным пучком, энергии полного пучка на уровне 5×10¹⁴ газо-кластерных ионов на см². С обращением опять к Фиг. 19В, TEM-изображение 1240 показывает эпоксидное наружное покрытие 1246, аморфную пленку 1244 толщиной 2,1 нм в поверхности кремния, сформированную облучением ускоренным нейтральным пучком, перекрывающую кристаллический кремниевый материал 1242 подложки. Между аморфной пленкой 1244 и нижележащим кристаллическим кремниевым материалом 1242 в результате процесса облучения образовалась гладкая граница 1248 раздела, имеющая колебания амплитуды от максимума до минимума в атомном масштабе. Это показывает, что благородный газ, аргон (Ar), может быть использован для формирования аморфного слоя в кристаллическом полупроводниковом материале. Некоторые другие газы (без ограничения), которые могут быть применены для формирования аморфных слоев при использовании их в образовании ускоренных нейтральных пучков для вариантов осуществления изобретения, включают в себя ксенон (Хе), герман (GeH₄) и тетрафторид германия (GeF₄). Такие исходные газы может быть применены по отдельности или в смесях с аргоном или другими благородными газами. На Фиг. 19В отвесная линия, соединяющая номер 1248 ссылочной позиции с ее объектом, изменяет цвет для подчеркивания контраста на участках на чертеже, имеющих различный фон.

Фиг. 20А и 20В представляют TEM-изображения, иллюстрирующие выращивание оксидной пленки на кремнии с использованием ускоренных нейтральных пучков, выведенных из пучков GCIB. Перед получением среза для создания TEM-изображения верхнюю поверхность каждого образца покрыли эпоксидным наружным слоем, чтобы упростить выполнение среза и избежать повреждения подложки во время процесса секционирования.

Фиг. 20А представляет TEM-изображение 1260, показывающее результаты облучения кремниевой подложки ускоренным нейтральным пучком, выведенным из GCIB. Кремниевую пластину, имеющую нативную оксидную пленку, подобную той, которая показана в Фиг. 19А, очистили 1%-ным водным раствором фтористоводородной кислоты для удаления нативного оксида. Затем очищенную немодифицированную кремниевую подложку облучили с использованием нейтрального пучка, выведенного из ускоренного при 30 кВ GCIB (заряженные компоненты были удалены из пучка отклонением), сформированного из исходной газовой смеси 98% Ar с 2% О₂. Доза облучения нейтрального пучка была энергетически эквивалентна (эквивалентность энергии определяли датчиком потока тепловой энергии пучка) ускоренному при 30 кВ GCIB, при ионной дозе 2,4×10¹³ газовых кластерных ионов на см². Возвращаясь к Фиг. 20А, TEM-изображение 1260 показывает эпоксидное наружное покрытие 1266, оксидную пленку 1264 толщиной 2 нм в поверхности кремния, сформированную облучением ускоренным нейтральным пучком, перекрывающую кристаллический кремниевый материал 1262 подложки. Между оксидной пленкой 1264 и нижележащим кристаллическим кремниевым материалом 1262 в результате процесса облучения образовалась гладкая граница 1268 раздела, имеющая колебания амплитуды от максимума до минимума в атомном масштабе. На Фиг. 20А отвесная линия, соединяющая номер 1268 ссылочной позиции с ее объектом, изменяет цвет для подчеркивания контраста на участках на чертеже, имеющих различный фон.

Фиг. 20В представляет TEM-изображение 1280, показывающее результаты облучения кремниевой подложки ускоренным нейтральным пучком, выведенным из GCIB. Кремниевую пластину, имеющую нативную оксидную пленку, подобную той, которая показана на Фиг. 19А, очистили 1%-ным водным раствором фтористоводородной кислоты для удаления нативного оксида. Затем очищенную немодифицированную кремниевую подложку облучили с использованием нейтрального пучка, выведенного из ускоренного при 30 кВ GCIB (заряженные компоненты были удалены из пучка отклонением), сформированного из исходной газовой смеси 98% Ar с 2% О₂. Доза облучения нейтрального пучка была энергетически эквивалентна (эквивалентность энергии определяли датчиком плотности потока тепловой энергии пучка) ускоренному при 30 кВ GCIB, при ионной дозе 4,7×10¹⁴ газовых кластерных ионов на см². С обращением опять к Фиг. 20В, TEM-изображение 1280 показывает нанесенное эпоксидное покрытие 1286, оксидную пленку 1284 толщиной 3,3 нм в поверхности кремния, сформированную облучением ускоренным нейтральным пучком, перекрывающую кристаллический кремниевый материал 1282 подложки. Между оксидной пленкой 1284 и нижележащим кристаллическим кремниевым материалом 1282 в результате процесса облучения образовалась гладкая поверхность 1288 раздела, имеющая колебания амплитуды от максимума до минимума в атомном масштабе. Это показывает, что Нейтральный Пучок, содержащий кислород, может быть использован для формирования оксидного слоя на поверхности полупроводникового материала. Толщина выращенной пленки может изменяться по мере изменения дозы облучения. При использовании исходных газов, включающих в себя другие реактивные компоненты, в формировании ускоренного нейтрального пучка, пленки других типов могут быть выращены на полупроводнике или других поверхностях, в качестве примеров, (без ограничения) могут быть применены кислород (О₂), азот (N₂) или аммиак (NН₃), по отдельности или в смеси с аргоном (Ar) или другим благородным газом. На Фиг. 20В отвесная линия, соединяющая номер 1288 ссылочной позиции с ее объектом, изменяет цвет для подчеркивания контраста на участках на чертеже, имеющих различный фон.

Фиг. 21 иллюстрирует график 1300 измерения профиль по глубине, полученный после применения ускоренного нейтрального пучка, выведенного из GCIB, для осаждения пленки из алмазоподобного углерода на кремниевой подложке. С использованием установки, подобной той, которая показана на Фиг. 4, сформировали ускоренный при 30 кВ GCIB с использованием исходной газовой смеси из 10% метана (СН₄) с 90% аргона. По наблюдениям, ускоренный Нейтральный Пучок у мишени состоял по существу из полностью диссоциированных нейтральных мономеров. С использованием электростатического отклонения все заряженные частицы были отклонены от оси пучка и выведены из пучка, образовав нейтральный метано/аргоновый пучок. Таким образом, Нейтральный пучок представлял собой в существенной степени ускоренный нейтральный метан/аргоновый пучок мономеров. Дозиметрию выполняли с использованием термического датчика для калибровки общего нейтрального пучка, доставляемого на кремниевую подложку, таким образом, что подведенная энергия нейтрального пучка была бы эквивалентна той энергии, которая подводилась бы при дозе облучения 2,8 микроампер газовых кластерных ионов/см² ускоренным (30 кВ) GCIB, включающим в себя как заряженные, так и незаряженные частицы (без нейтрализации путем отделения зарядов). Кремниевую подложку частично закрыли маской с узкой (приблизительно 1 мм шириной) полоской из ленты полиимидной пленки, и затем подложка и маска были облучены ускоренным нейтральным пучком в течение 30 минут, осаждая пленку алмазоподобного углерода. После облучения маску удалили. Обращаясь опять к Фиг. 21, график 1300 измерения профиля по глубине построили с использованием профилометра TENCOR Alpha-Step 250 для шага профиля по направлению вдоль поверхности кремниевой подложки и поперек области, закрытой маской из ленты полиимидной пленки, благодаря чему осаждение происходило только под действием ускоренного нейтрального пучка. Плоский участок 1302 представляет собой исходную поверхность пленки кремниевой подложки под полиимидной пленкой (после удаления пленки и очистки), тогда как участки 1304 представляют собой участок осажденной пленки алмазоподобного углерода. Ускоренный Нейтральный Пучок обеспечивает толщину осажденного слоя приблизительно 2,2 микрона (мкм), создавая ступеньку, показанную на графике 1300 измерения профиля глубины. Скорость осаждения составляла приблизительно 0,45 нм/сек на каждые микроА/см² тока GCIB (энергетический эквивалент, как определено термическим датчиком, упомянутым выше в этом абзаце). В других испытаниях 5%-ная смесь и 7,5%-ные смеси СН₄ с аргоном, дали подобные результаты, но с более низкими скоростями осаждения, обусловленными более низким процентным содержанием СН₄ в исходном газе. Выбор газовой смеси и дозы позволяет воспроизводимо осаждать пленки с предварительно заданными толщинами. СН₄, сам по себе или в смеси с аргоном или другим благородным газом, является эффективным исходным газом для осаждения углерода с использованием ускоренного нейтрального мономерного пучка. Другие обычно используемые газы, которые могут быть использованы по отдельности или в смеси с инертными газами для осаждения пленки с использованием ускоренных нейтральных мономерных пучков, представляют собой (без ограничения) герман (GeH₄), тетрафторид германия (GeF₄), силан (SiH₄) и тетрафторид кремния (SiF₄).

Фиг. 22 представляет типичную карту 1320, выведенную из оценки с использованием атомно-силового микроскопа (AFM) на участке размером 500 нм на 500 нм поверхности стандартным образом очищенного и отполированного образца боросиликатного оптического стекла (типа Corning 0211) сорта, обычно используемого в таких вариантах применения, как оптические окна, подложки для дисплеев и/или тачскринов, предметные и покровные стекла для микроскопов, фильтры и тому подобные. Поверхность имеет среднюю шероховатость Ra равную 0,27 нм, и проявляет множество неровностей 1322, имеющих высоту порядка нескольких нм. Общие амплитуды «пик-углубление» составляют величину порядка около 4 нм или более.

Обработка такой поверхности с использованием по существу полностью диссоциированного нейтрального пучка, выведенного из ускоренного GCIB, приводит к значительному выравниванию и планаризации, и сокращает величину общей амплитуды «пик-углубление». Стандартным образом очищенный и отполированный образец оптического стекла типа Corning 0211 облучили с использованием нейтрального пучка, выведенного из ускоренного при 30 кВ GCIB (заряженные компоненты были удалены из пучка отклонением), сформированного из Аргона как исходного газа. Доза облучения нейтрального пучка была энергетически эквивалентна (эквивалентность энергии определяли датчиком потока тепловой энергии пучка) ускоренному при 30 кВ GCIB при ионной дозе 1×10¹⁴ газовых кластерных ионов на см².

Фиг. 23 показывает карту 1340, выведенную из AFM-оценки участка размером 500 нм на 500 нм поверхности обработанного нейтральным пучком стекла. Поверхность имеет среднюю шероховатость Ra равную 0,13 нм, приблизительно половину величины шероховатости необлученного материала. Поверхность по существу не содержит неровностей. Общие амплитуды «пик-углубление» составляют величину порядка около 2 нм, приблизительно половину значения для необлученной оптической поверхности.

Применение ускоренного нейтрального пучка, выведенного из ускоренного GCIB отделением заряженных компонентов от незаряженных компонентов, показано как пригодное к разнообразным вариантам использования в области обработки полупроводников, при дополнительном преимуществе в том, что граница раздела между сформированным при облучении слоем и нижележащим полупроводником является исключительно гладкой и превосходящей результаты, полученные традиционным GCIB-облучением.

Еще один вариант применения в оптической области, для которого является благоприятной обработка GCIB или нейтральным пучком, относится к проблеме прочности сцепления оптической пленки с оптической подложкой. Оптические устройства обычно усовершенствуют нанесением на них покрытий из разнообразных тонких пленок для усиления или улучшения эксплуатационных характеристик. Такие оптические пленки могут быть использованы как защитные покрытия, просветляющие покрытия, покрытия с высокой отражательной способностью или в сочетании для создания тонкопленочных оптических дихроичных фильтров. Покрытия могут представлять собой тонкие металлические пленки (например, из алюминия или золота), диэлектрические пленки (например, из фторида магния, фторида кальция или оксидов металлов), или могут быть проводящими пленками для усиления антистатических свойств, или, чтобы служить в качестве электродов для дисплеев или чувствительных к прикосновениям структур. Такие тонкие пленочные покрытия часто осаждают с использованием способов физического осаждения из газовой фазы (PVD) или прочих общепризнанных способов, пригодных для этой цели. Общей проблемой является то, что такие пленки часто не образуют прочной границы раздела с подложкой или последующими слоями, и тем самым не могут обеспечивать желательную прочность сцепления. Проблема возникает потому, что покрытия, нанесенные технологией PVD и прочими стандартными способами, часто не образуют прочных связей с материалами подложек вследствие их несходства с материалами подложек. Обработка GCIB или нейтральным пучком может быть использована для создания тонкопленочных покрытий на оптических подложках (на оптических устройствах или поверх других оптических покрытий), которые сцепляются гораздо более прочно, чем покрытия, нанесенные стандартными способами. Для достижения более высоких характеристик адгезии GCIB или Нейтральный Пучок могут быть применены для преобразования первоначального задающего покрытия в глубоко интегрированный слой границы раздела с подложкой, и затем формирования конечного покрытия до желательной толщины на слое границы раздела. Хотя как GCIB, так и Нейтральный Пучок могут быть применены во многих случаях, в ситуациях, где либо подложка, либо покрытие является диэлектрическим материалом или материалом с низкой электропроводностью, Нейтральный Пучок является предпочтительным, поскольку в силу вышеупомянутых преимуществ с ним можно избегать повреждений, обусловленных транспортом зарядов, изначально присущим обработке ионным пучком. Обработкой как GCIB, так и нейтральным пучком достигают усиленной адгезии покрытия без существенного подповерхностного повреждения, как это часто происходит с традиционными мономерными ионными пучками.

Фиг. 24А-24D представляют схематические виды, иллюстрирующие этапы процесса в вариантах осуществления изобретения для формирования оптических покрытий с высокой прочностью сцепления на оптических подложках с использованием технологий GCIB или нейтрального пучка. Фиг. 24А представляет схематический вид 1400, показывающий оптическую подложку 1402, имеющую очень тонкое пленочное покрытие из оптического покрывающего материала 1404, ранее нанесенного стандартным способом, таким как PVD. Существует граница 1406 раздела между оптическим покрывающим материалом 1404 и оптической подложкой 1402, которая имеет стандартные характеристики адгезии (которые могут быть ненадлежащими для предполагаемой цели применения). Толщина подложки 1402 и оптического покрывающего материала 1404 не обязательно показаны в масштабе. Пучки GCIB и нейтральные пучки имеют характеристики глубины проникновения, зависящие от материалов источника пучка, используемых потенциалов ускорения пучка и от диапазона размеров любых кластеров, присутствующих в пучке (хотя в полностью диссоциированном нейтральном пучке кластеры не присутствуют). Диссоциированные нейтральные пучки, например, могут иметь глубины проникновения в типичный оптический покрывающий материал от около 1 до 3 нм, тогда как GCIB и нейтральные пучки, содержащие кластеры, могут иметь глубины проникновения от около 2 до 20 нм (все зависит от материала покрытия и параметров пучка). В способе согласно этому варианту осуществления изобретения толщину оптического покрывающего материала 1404 выбирают таким образом, чтобы пучок при типичных практически реализуемых параметрах проникал на всю толщину оптического покрывающего материала 1404, и также проникал на короткое расстояние (порядка от 1 до нескольких нм) в оптическую подложку 1402.

Фиг. 24В представляет схематический вид 1410, показывающий облучение оптического покрывающего материала 1404 пучком 1412, который представляет собой GCIB или Нейтральный Пучок. Характеристики пучка 1412 выбирают сообразно толщине оптического покрывающего материала 1404 таким образом, чтобы гарантировать, что по меньшей мере некоторая доля частиц в пучке 1412, падающем на оптический покрывающий материал 1404, полностью проникала в него. Те частицы, которые проникают, проходят через обычную граница 1406 раздела и в оптическую подложку 1402 на расстояние от около 1 до нескольких нм. Доза облучения GCIB или нейтрального пучка составляет, например, по меньшей мере 5×10¹³ ионов на см², например, для ускоренного при 30 кВ GCIB, или в случае нейтрального пучка является энергетически эквивалентной (энергетическую эквивалентность определяют датчиком потока тепловой энергии пучка), например, ускоренному при 30 кВ GCIB, имеющему ионную дозу по меньшей мере 5×10¹³ газовых кластерных ионов на см².

Фиг. 24С представляет схематический вид 1420, показывающий структуру, которая получается при описанном выше облучении. Взаимодействие пучка с тонкой пленкой оптического покрывающего материала 1404 вытесняет атомы из оптического покрывающего материала 1404 в оптическую подложку 1402, формируя смесевой участок 1422, в котором атомы оптического покрывающего материала 1404 и оптической подложки 1402 тесно смешаны между собой, с градиентом концентрации атомов оптического покрывающего материала от более высокой в верхних областях смесевого участка и достигающей нуля в более низких областях смесевого участка. Подобные атомы в верхних областях смесевого участка 1422 облегчают прочное связывание с атомами оптического покрывающего материала 1404, который гораздо прочнее сцепляется с оптической подложкой, чем в случае стандартной граница 1406 раздела (показанной на Фиг. 4А). Толщина оптического покрывающего материала 1404, которая в силу необходимости ограничена толщиной, допускающей проникновение пучка с образованием смесевого участка 1422, может быть слишком тонкой для желательных характеристик оптического покрытия, в таком случае для создания желательных свойств оптического покрытия потребуется последующее осаждение дополнительного оптического покрывающего материала.

Фиг. 24D представляет схематический вид 1430, иллюстрирующий дополнительный осажденный слой оптического покрывающего материала 1432 для повышения эффективной толщины оптического покрывающего материала 1404 до толщины, необходимой для нужного оптического эффекта. Материал 1404 и материал 1432, как правило, представляют собой одинаковый материал, хотя они могли бы быть различными материалами, при условии, что два материала создают прочное сцепление между собой. В одном случае материал 1404 может отличаться как от материала оптической подложки, так и от вышележащего материала 1432, но материал 1404 может быть выбран так, чтобы химически связываться как с подложкой, так и с вышележащим материалом, тогда как вышележащий материал и оптическая подложка могут не иметь изначального сродства друг к другу. В случае, если два материала (материал 1404 и материал 1432) являются одинаковыми, сходство атомов обычно приводит к гораздо более высокой адгезии между двумя слоями, чем это имеет место для стандартной граница 1406 раздела (которая была показана на Фиг. 24А).

Дополнительный вариант применения, для которого благоприятна обработка GCIB или нейтральным пучком, имеет отношение к проблеме деградации материала при атмосферном воздействии. Например, в оптических и прочих устройствах обычно используют материалы, которые имеют очень нужные оптические характеристики, но недостатком которых является также наличие таких характеристик, которые делают их чувствительными к деградации при воздействии обычных атмосферных условий. Это ограничивает их применимость или фактический срок службы, или допустимый срок хранения, когда практически нельзя избежать атмосферного воздействия. Такие материалы могут ухудшаться вследствие окисления поверхности, поглощения атмосферной влаги или из-за другой поверхностной реакции материала на границе раздела с атмосферой. Конкретным примером является материал, триборат лития (LBO) LiB₃O₅, который является предпочтительным материалом для многих вариантов применения в нелинейной оптике (NLO). В вариантах NLO-применения LBO часто превосходит другие доступные материалы, но страдает от того недостатка, что он является гигроскопичным и деградирует при поглощении влаги из атмосферы или прочих источников. Это ограничивает эффективный срок службы материала во многих вариантах применения или даже в других ситуациях, где ограниченный срок хранения в атмосфере вызывает деградацию до того, как материал вводят в эксплуатацию. Добавочные поверхностные покрытия, которые традиционно использовались, снижают скорость поглощения влаги созданием гидроизолирующего барьера. Однако они не всегда являются настолько эффективными, как может быть необходимо, и особенно в случае вариантов применения, где высока плотность мощности оптического излучения (например, при использовании лазеров), покрытия могут отслаиваться или иным образом деградировать и со временем утрачивать работоспособность. Как было описано выше, адгезия таких покрытий может быть повышена применением раскрытых ранее технологий GCIB и ускоренного нейтрального пучка для улучшения адгезии пленки. Однако облучение GCIB или ускоренным нейтральным пучком также может быть применено для формирования тонкого барьера, который снижает реакционную способность поверхности и/или чувствительность к влаге. При желании образованный облучением барьер может быть использован в сочетании с наносимыми затем традиционными барьерными покрытиями. Хотя как GCIB, так и ускоренный Нейтральный Пучок могут быть применены во многих случаях, если обрабатываемый материал является либо диэлектрическим, либо представляет собой материал с низкой проводимостью, Нейтральный Пучок предпочтителен, поскольку благодаря вышеупомянутым преимуществам при его использовании можно избегать повреждений, обусловленных переносом зарядов, изначально присущим обработке ионным пучком. Поверхности LBO быстро портятся, когда подвергаются непосредственному воздействию обычных атмосферных условий. Облучение поверхностей LBO ускоренным нейтральным пучком значительно замедляет такую деградацию.

Фиг. 25А и 25В - микроснимки карт поверхностей необработанного LBO-оптического компонента, полученные в атомно-силовом микроскопе и показывающие деградацию в результате атмосферного воздействия.

Фиг. 25А показывает поверхность непокрытого LBO-оптического компонента, который подвергался (в течение менее одного часа) воздействию обычной окружающей атмосферы в лаборатории в здании с традиционным кондиционированием воздуха. Карта показывает типичный квадратный участок кристалла размером один микрон на один микрон (1×1 мкм). Линейные желобчатые детали представляют собой остаточные царапины в отполированной обычным путем поверхности. Появилось множество возвышенностей, показывая начало поверхностной деградации вследствие атмосферного воздействия на гигроскопичный материал LBO. Поверхность проявляет среднюю шероховатость Ra приблизительно 0,30 нм.

Фиг. 25В показывает типичный квадратный участок размером один микрон на один микрон (1×1 мкм) такого же материала LBO после 100 часов воздействия той же окружающей атмосферы в лаборатории. Видно значительное развитие поверхностной деградации - средняя шероховатость Ra увеличивается приблизительно до 3,58 нм вследствие увеличения площадей и высот возвышенностей, выросших на поверхности.

Фиг. 26А и 26В представляют микроснимки карт поверхностей, полученные с помощью атомно-силового микроскопа, LBO-оптического компонента, обработанного с использованием ускоренного нейтрального пучка, выведенного из GCIB, с результирующей уменьшенной деградацией вследствие атмосферного воздействия.

Фиг. 26А показывает поверхность того же образца непокрытого LBO-оптического компонента, который был показан выше на Фиг. 25А. После кратковременного (в течение менее одного часа) воздействия окружающей атмосферы в лаборатории в здании с традиционным кондиционированием воздуха участок поверхности обработали облучением ускоренным нейтральным пучком. После этапа облучения провели измерение изображения, полученного с помощью атомно-силового микроскопа, части облученного участка, показанного на Фиг. 26А. Карта показывает типичный квадратный участок размером один микрон на один микрон (1×1 мкм) облученного участка кристалла сразу после облучения. Линейные желобчатые детали больше не видны, и поверхность проявляет среднюю шероховатость Ra приблизительно до 0,26 нм. Облученный участок поверхности подвергали облучению с использованием нейтрального пучка, выведенного из аргонового GCIB, ускоренного с использованием V_Acc 30 кВ. Облучение нейтральным пучком проводили при дозе облучения нейтральными атомами 5×10¹⁸ атомов аргона на см². Другие эксперименты показали, что эффективной является такая низкая доза облучения нейтральными атомами, как 2,5×10¹⁷ атомов аргона на см² (в другом варианте, эффективные дозы GCIB имеют сходное ускорение и комбинацию размеров кластерных ионов и дозы, которая создает подобную дозу атомов аргона).

Фиг. 26В показывает типичный квадратный участок размером один микрон на один микрон (1×1 мкм) такого же образца материала LBO после 100 часов продолжающегося воздействия той же окружающей атмосферы в лаборатории. Поверхностная деградация развивалась очень мало - средняя шероховатость Ra составляет приблизительно 0,29 нм. Облучение нейтральным пучком привело к неглубокой поверхностной модификации, которая действует как барьер для поглощения влаги и, возможно, других форм деградации, увеличивая продолжительность работоспособного срока службы гигроскопичного LBO-оптического материала. По истечении 100 часов атмосферного воздействия облученная поверхность выглядит как имеющая равное или лучшее качество, чем поверхность исходного материала уже после одного часа атмосферного воздействия.

Хотя варианты осуществления изобретения были описаны в отношении гигроскопичного LBO-оптического материала, авторам настоящего изобретения понятно, что это равным образом применимо к другим гигроскопичным кристаллическим материалам, которые могут использоваться в оптических и прочих вариантах применения. Например, гигроскопичные легированные таллием кристаллы иодида натрия, и слегка гигроскопичные легированные таллием или натрием кристаллы иодида цезия используются в сцинтилляционной спектроскопии и подвергаются деградации вследствие поглощения влаги. Такая деградация может быть замедлена или уменьшена путем облучения. Хотя в описанном выше примере применяют облучение LBO нейтральным пучком, авторам настоящего изобретения понятно, что также может быть эффективно применено облучение GCIB, хотя облучение нейтральным пучком рассматривается как предпочтительное в случае материалов, имеющих низкую электрическую проводимость. Авторам настоящего изобретения также понятно, что перед облучением для сокращения поверхностной деградации гигроскопичных материалов может быть полезным применение предварительной обработки GCIB или нейтральным пучком, чтобы выровнять поверхность и удалить следы существующей деградации поверхности.

Хотя варианты осуществления изобретения были описаны в отношении кремниевых полупроводниковых материалов, авторам настоящего изобретения понятно, что это равным образом применимо к другим полупроводниковым материалам, в том числе германию, и комбинированным полупроводникам, включающим в себя, без ограничения, материалы групп III-V и групп II-VI и родственные, и предполагается, что область изобретения распространяется и на эти материалы.

Авторам настоящего изобретения понятно, что, хотя варианты осуществления изобретения были показаны с целью иллюстрации примеров, полезных для таких процессов, как выравнивание, травление, выращивание пленок, осаждение пленок, аморфизация и легирование, с использованием кремниевых полупроводниковых пластин, авторам настоящего изобретений понятно, что достоинства изобретения не ограничиваются только процессами, выполняемыми на немодифицированных поверхностях полупроводников, но равным образом применимы для обработки участков электрических схем, электрических устройств, оптических элементов, интегральных схем, устройств микроэлектрических механических систем (MEMS) (и их частей), и прочих устройств, которые обычно изготавливают с использованием стандартных современных технологий на кремниевых подложках, других полупроводниковых подложках и подложках из иных материалов, и предполагается, что объем охраны изобретения включает в себя такие варианты применения.

Хотя преимущества применения нейтрального пучка согласно изобретению для обработки с исключением электрических зарядов были описаны в отношении обработки разнообразных электроизоляционных и/или неэлектропроводных материалов, таких как изолирующие лекарственные покрытия, диэлектрические пленки, такие как оксиды и нитриды, изолирующие антикоррозионные покрытия, полимеры, органические пленки, стекла, керамические материалы, авторам настоящего изобретения понятно, что для всех материалов с плохой или низкой электропроводностью может быть благоприятным применение раскрытого здесь нейтрального пучка как заменяющего обработку способами обработки с переносом зарядов, таких как ионные пучки, плазмы, и т.д., и предполагается, что объем охраны включает в себя такие материалы. Кроме того, авторам настоящего изобретения понятно, что обработка нейтральным пучком является преимущественной не только вследствие ее пониженных зарядовых характеристик, но также для обработки многих материалов, которые являются электропроводными, где проявляются прочие преимущества обработки нейтральным пучком, в особенности обработки нейтральным мономерным пучком, которая обеспечивает меньшее повреждение поверхности, лучшее сглаживание и образование более гладких границ разделов между обработанными и нижележащими необработанными областями, даже в металлах и материалах с высокой проводимостью. Предполагается, что объем охраны изобретения включает в себя обработку таких материалов.

Хотя преимущества применения раскрытого здесь нейтрального пучка для обработки без электрического заряжания были описаны в отношении обработки разнообразных изоляционных и/или неэлектропроводных материалов, авторам настоящего изобретения понятно, что обработка не содержащим зарядов нейтральным пучком равным образом благоприятно применима к обработке электропроводных, полупроводниковых материалов или материалов с невысокой проводимостью, которые существуют в форме покрытий, или слоев, или иных форм покрывающих изоляционных слоев, или размещенных поверх изоляционных подложек, в которых по меньшей мере материалы с невысокой проводимостью не имеют надежного соединения с заземлением или иного пути удаления поверхностных зарядов, которые могут быть введены обработкой с использованием технологий обработки с переносом зарядов. В таких случаях зарядка по меньшей мере материалов с невысокой проводимостью во время обработки может обусловливать повреждение этих материалов или нижележащих изоляционных материалов. Зарядка и повреждения можно избежать применением обработки нейтральным пучком согласно изобретению. Авторы настоящего изобретения предполагают, что объем охраны включает в себя обработку таких сочетаний разнородных материалов, где по меньшей мере один материал с невысокой проводимостью перекрывает изоляционный материал.

Хотя преимущества применения нейтрального пучка согласно изобретению для сглаживания оптических материалов были описаны в отношении обработки оптического стекла сорта Corning типа 0211 как аморфного материала, авторам настоящего изобретения понятно, что обработка не содержащим зарядов нейтральным пучком равным образом благоприятно применима к обработке других оптических материалов, аморфных или кристаллических, в том числе, без ограничения, стекол, кварца, сапфира, алмаза, и прочих твердых, прозрачных оптических материалов (используемых либо как оптические элементы, либо как материалы драгоценных [природных или искусственных] камней). Кроме того, авторам настоящего изобретения понятно, что обработка нейтральным пучком может быть использована также для нанесения оптических покрытий на такие материалы и для влияния на оптические характеристики таких материалов, такие как показатель преломления. Авторы настоящего изобретения предполагают, что объем охраны включает в себя обработку таких материалов для вариантов применения в области оптических устройств и драгоценных камней.

Хотя изобретение было описано в отношении разнообразных вариантов осуществления, должно быть понятно, что изобретение также пригодно для широкого круга других и прочих вариантов осуществления в пределах сущности и объема изобретения.

Изобретение относится к способу обработки поверхности оптического элемента, а также к обработке поверхности оптического покрытия, сформированного на поверхности оптической подложки, формированию поверхностного барьерного покрытия на гигроскопичном кристаллическом материале, к оптическому элементу и гигроскопичной подложке. При осуществлении способа обработки поверхности оптического элемента осуществляют следующие этапы, на которых обеспечивают камеру с пониженным давлением, в которой формируют пучок газовых кластерных ионов, ускоряют газовые кластерные ионы с образованием пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории упомянутого пучка. Затем стимулируют фрагментацию и/или диссоциацию по меньшей мере части ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории упомянутого пучка. После чего удаляют заряженные частицы из упомянутого пучка ускоренных газовых кластерных ионов с образованием ускоренного нейтрального пучка нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров вдоль траектории упомянутого пучка и удерживают оптический элемент на траектории сформированного ускоренного нейтрального пучка. Затем обрабатывают по меньшей мере участок поверхности оптического элемента посредством облучения его сформированным ускоренным нейтральным пучком. Причем этапы стимулирования и удаления выполняют до упомянутого облучения поверхности оптического элемента. Обеспечивается создание устройств и способов формирования легированных и/или деформированных пленок и/или введения примесных атомных частиц в поверхности полупроводниковых или прочих материалов, причем обработанные поверхности имеют границы раздела с нижележащим материалом подложки, которые превосходят известные способы и устройства традиционной обработки пучком газовых кластерных ионов (GCIB). 5 н. и 30 з.п. ф-лы, 26 ил., 1 табл.

1. Способ обработки поверхности оптического элемента, включающий в себя этапы, на которых:

обеспечивают камеру с пониженным давлением, в которой формируют пучок газовых кластерных ионов;

ускоряют газовые кластерные ионы с образованием пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории упомянутого пучка;

стимулируют фрагментацию и/или диссоциацию по меньшей мере части ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории упомянутого пучка;

удаляют заряженные частицы из упомянутого пучка ускоренных газовых кластерных ионов с образованием ускоренного нейтрального пучка нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров вдоль траектории упомянутого пучка;

удерживают оптический элемент на траектории сформированного ускоренного нейтрального пучка;

обрабатывают по меньшей мере участок поверхности оптического элемента посредством облучения его сформированным ускоренным нейтральным пучком;

причем этапы стимулирования и удаления выполняют до упомянутого облучения поверхности оптического элемента.

2. Способ по п.1, в котором на этапе удаления удаляют все заряженные частицы из пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории упомянутого пучка.

3. Способ по п.1, в котором нейтральный пучок не содержит кластеров промежуточных размеров, содержащих от 10 до 1500 атомов или молекул газа.

4. Способ по п.1, в котором этап ускорения включает в себя повышение ускоряющего напряжения или этап формирования пучка газовых кластерных ионов включает в себя повышение ионизации.

5. Способ по п.1, в котором этап стимулирования включает в себя расширение диапазона скоростей ионов в ускоренном пучке газовых кластерных ионов.

6. Способ по п.1, в котором этап стимулирования включает в себя введение одного или более газообразных элементов, которые являются такими же частицами газа, как и те, что используются в формировании пучка газовых кластерных ионов, в камеру с пониженным давлением для повышения давления вдоль траектории пучка.

7. Способ по п.1, в котором этап формирования пучка газовых кластерных ионов включает в себя увеличение размера апертуры скиммера.

8. Способ по п.1, в котором этап стимулирования включает в себя облучение пучка ускоренных газовых кластерных ионов или ускоренного нейтрального пучка лучистой энергией.

9. Способ по п.1, в котором нейтральный пучок, обрабатывающий по меньшей мере участок поверхности оптического элемента, состоит из мономеров, имеющих энергию между 1 эВ и несколькими тысячами эВ.

10. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором перемещают оптический элемент с держателем оптического элемента для обработки участков поверхности посредством облучения упомянутым ускоренным нейтральным пучком.

11. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором сканируют оптический элемент с держателем для обработки посредством облучения упомянутым ускоренным нейтральным пучком протяженных участков поверхности оптического элемента.

12. Способ по п.1, в котором используют оптический элемент, выполненный из:

электроизоляционного материала;

материала с высоким удельным электрическим сопротивлением;

кристаллического материала;

аморфного материала;

гигроскопичного материала;

стеклянного материала;

материала драгоценного камня;

кварца или

прозрачного материала.

13. Способ по п.1, в котором на этапе обработки формируют оптическое покрытие на поверхности оптического элемента.

14. Способ по п.1, в котором на этапе обработки изменяют оптическую характеристику оптического элемента.

15. Способ по п.14, в котором оптическая характеристика представляет собой показатель преломления.

16. Способ по п.1, в котором используют оптический элемент из материала драгоценного камня.

17. Способ по п.16, в котором материал драгоценного камня выбирают из группы, состоящей из алмаза, сапфира, кварца или искусственного материала драгоценного камня.

18. Способ по п.1, в котором по меньшей мере участок поверхности оптического элемента выполнен из трибората лития (LBO), при этом на этапе обработки дополнительно формируют поверхностное барьерное покрытие, которое снижает восприимчивость или чувствительность к деградации поверхности LBO под действием влаги.

19. Способ по п. 18, в котором этап формирования барьерного покрытия дополнительно содержит формирование пучка газовых кластерных ионов, содержащего метан.

20. Способ по п. 18, в котором на этапе обработки выравнивают по меньшей мере часть поверхности LBO до среднеквадратичной (RMS) шероховатости, составляющей менее 0,3 нм.

21. Способ обработки поверхности оптического покрытия, сформированного на поверхности оптической подложки, содержащий этапы, на которых:

обеспечивают камеру с пониженным давлением, в которой формируют пучок газовых кластерных ионов;

ускоряют газовые кластерные ионы с образованием пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории упомянутого пучка;

получают ускоренный нейтральный пучок нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров посредством удаления заряженных частиц из упомянутого пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории упомянутого пучка;

удерживают оптическую подложку с оптическим покрытием на траектории полученного ускоренного нейтрального пучка;

обрабатывают по меньшей мере участок поверхности оптического покрытия путём его облучения полученным ускоренным нейтральным пучком;

причем на этапе ускорения газовые кластерные ионы ускоряют на заданную величину для обеспечения проникновения меньшей мере части упомянутого ускоренного нейтрального пучка на всю толщину оптического покрытия для повышения адгезии упомянутого оптического покрытия к оптической подложке.

22. Способ формирования поверхностного барьерного покрытия на гигроскопичном кристаллическом материале, включающий в себя этапы, на которых:

обеспечивают камеру с пониженным давлением, в которой формируют пучок газовых кластерных ионов;

ускоряют газовые кластерные ионы с образованием пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории упомянутого пучка;

получают ускоренный нейтральный пучок нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров посредством удаления заряженных частиц из упомянутого пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории упомянутого пучка;

удерживают гигроскопичный кристаллический материал на траектории упомянутого ускоренного нейтрального пучка;

обрабатывают по меньшей мере участок поверхности гигроскопичного кристаллического материала путем его облучения упомянутым ускоренным нейтральным пучком; и

формируют поверхностное барьерное покрытие на гигроскопичном кристаллическом материале, которое обеспечивает снижение реакционной способности или чувствительности к деградации поверхности кристаллического материала под действием влаги.

23. Способ по п. 22, в котором на этапе формирования дополнительно формируют пучок газовых кластерных ионов, содержащий метан.

24. Способ по п. 22, в котором на этапе обработки выравнивают по меньшей мере часть поверхности гигроскопичного кристаллического материала до среднеквадратичной (RMS) шероховатости, составляющей менее 0,3 нм.

25. Оптический элемент, содержащий оптическую подложку и поверхностное оптическое покрытие, причём поверхность упомянутого покрытия обработана способом по п. 21 для соединения с оптической подложкой.

26. Оптический элемент по п.25, в котором упомянутое покрытие состоит из предназначенных для поверхностного оптического покрытия материалов и атомов газов, используемых для формирования ускоренного нейтрального пучка.

27. Оптический элемент по п.25, в котором упомянутое покрытие состоит из предназначенных для поверхностного оптического покрытия материалов.

28. Оптический элемент по п.25, в котором поверхностное оптическое покрытие обработано ускоренным нейтральным пучком атомов, проникающих в упомянутое поверхностное оптическое покрытие, достигая подложки.

29. Оптический элемент по п.28, в котором поверхностное оптическое покрытие имеет участки, выполненные с встраиванием в оптическую подложку путем облучения ускоренным нейтральным пучком.

30. Оптический элемент по п.25, в котором оптическая подложка имеет оптическую характеристику, которая изменяется под действием облучения ускоренным нейтральным пучком.

31. Оптический элемент по п.30, в котором оптическая характеристика представляет собой показатель преломления.

32. Оптический элемент по п.25, который выполнен из материала драгоценного камня.

33. Оптический элемент по п.32, в котором материал драгоценного камня состоит из алмаза, сапфира, кварца или искусственного материала драгоценного камня.

34. Оптический элемент по п.25, в котором оптическая подложка является гигроскопичной, при этом поверхностное оптическое покрытие имеет гигроскопические свойства, улучшенные относительно оптической подложки.

35. Гигроскопичная подложка, содержащая барьерное покрытие, сформированное посредством облучения упомянутой подложки ускоренным нейтральным пучком нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров, причём упомянутая гигроскопичная подложка подвергнута упомянутому облучению способом по любому из пп. 22-24, причем барьерное покрытие имеет гигроскопические свойства, улучшенные относительно гигроскопичной подложки.