CH690389A5 - Sattelfeldquelle. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft eine Sattelfeldquelle mit einer Kammer, die eine Austrittsöffnung aufweist und Elektroden enthält, sodass ein elektrisches Feld mit einem Sattel in der Kammer entsteht und ein Teilchenstrahl mit einer Vorzugsrichtung aus der Austrittsöffnung austritt. 



  Eine gattungsgemässe Sattelfeldquelle, geeignet sowohl für die Erzeugung eines Ionenstrahls als auch eines Neutralteilchenstrahls durch internen Ladungsaustausch, ist in GB-Z J. Franks, Vacuum 34, no. 1-2, (1984), Seiten 259-261, beschrieben. Rein als Ionenquelle ist die gattungsgemässe Sattelfeldquelle auch in US 3 944 873, in US 4 354 113 und in US-Z W. Ensinger, Rev. Sci. Instrum. 63 (11), (November 1992), Seiten 5217-5233 (Fig. 16, 17), in verschiedenen Varianten beschrieben. 



  Regelmässig haben die Sattelfeldquellen eine hohe Symmetrie, insbesondere eine Spiegelebene, welche die Anodenanordnung enthält, und eine dazu senkrechte Spiegelebene, welche die Austrittsöffnung enthält, und die die Kathode bildende Kammer und die Anodenanordnung sind zu beiden Ebenen weitgehend spiegelsymmetrisch. Dadurch bildet das elektrische Feld im Raum innerhalb der Anodenanordnung einen Sattelpunkt aus. Durch die Symmetrie ergibt sich zwangsläufig, dass dem durch die Auslassöffnung austretenden Ionen- oder Neutralteilchenstrom ein gleich grosser Strom auf die gegenüberliegende Wandfläche entspricht. 



  Dieser rückwärtige Strom ist verloren und richtet eventuell Schaden an der Wandung der Kammer an, der Wirkungsgrad der Ionen- oder Teilchenquelleist reduziert. US 3 944 873  (Fig. 6) schlägt allerdings vor, ein Loch in der Rückwand für Monitorzwecke zu nutzen. 



  Gegenstand der zitierten Patentschriften ist es, die Symmetrie der Sattelfeldquellen, insbesondere hinsichtlich des elektrischen Feldes, durch zusätzliche Schirmelektroden zu erhöhen. 



  Es werden Sattelfeldquellen mit sphärischer oder zylindrischer Kammer mit achsialer Austrittsöffnung für kegelförmige Ionen- bzw. Teilchenstrahlen und solche mit kreiszylindrischer Kammer und Austritts-Schlitz auf dem Zylindermantel für einen breiten vorhangartigen Ionenstrahl beschrieben. 



  Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer gattungsgemässen Sattelfeldquelle mit erhöhtem Wirkungsgrad und guter Richtungscharakteristik. 



  Gelöst wird diese Aufgabe gemäss den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 durch gezielten Abbau der Symmetrie. Sowohl geometrisch als auch hinsichtlich des elektrischen Feldes wird die Spiegelsymmetrie zu der die Elektroden der bekannten Sattelfeldquellen enthaltenden Ebene aufgehoben, und zwar weitergehend als nur durch die durch die Auslassöffnung zwangsläufig herbeigeführte Störung. 



  Durch diese Abkehr vom bisher stets eingehaltenen Prinzip lässt sich der der Vorzugsrichtung entgegengesetzte Teilchenstrom in der Quelle erheblich reduzieren und der Anteil der durch die Austrittsöffnung durchtretenden Teilchen erhöhen. 



  Dies gilt sowohl für die Erzeugung von Ionen wie auch von energetischen Neutralteilchen mittels Ladungsaustausch in der Kammer. 



  Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung wird gemäss Anspruch 3 dadurch realisiert, dass zu der bei Sattelfeldquellen bekannten Anodenanordnung eine Zusatzanode, die von der Austrittsöffnung aus gesehen hinter der Anodenanordnung angeordnet ist, hinzugefügt wird. Die Anodenanordnung kann dabei wie bekannt aus zwei stabförmigen Teilen oder aus einem ringförmigen Teil bestehen, je nach der Kammerform. 



  Die Zusatzanode stört zwar im Prinzip die in der Sattelfeldquelle umlaufenden Elektronen, reduziert ihre freie Weglänge und damit die Ionisationswahrscheinlichkeit. Durch geeignete Wahl der Abmessungen lässt sich dieser Effekt jedoch stark unterdrücken und durch die verbesserte Richtcharakteristik der Ionenbewegung überkompensieren. Bevorzugt wird die Zusatzanode im Bereich der Symmetrieachse angeordnet, da so die Richtcharakteristik günstig beeinflusst wird. 



  Die Zusatzanode wird bevorzugt auf gleiches Potential wie die Anodenanordnung gelegt. Die erfindungsgemässen Vorteile werden so ohne jede Änderung der Spannungsversorgung, insbesondere ohne eine zusätzliche Hochspannung, erreicht. 



  Die Zusatzanode kann auch mehrteilig sein oder es können mehrere Zusatzanoden vorgesehen werden. 



  Vorzugsweise wird die erfindungsgemässe Asymmetrie noch dadurch verstärkt, dass die Anodenanordnung von der Austrittsöffnung weg aus der Symmetrieebene der Kammer gerückt wird, was eine weitere Verbesserung der Richtcharakteristik ergibt. 



  Die erfindungsgemässe Sattelfeldquelle eignet sich wie die bekannten zur langgestreckten Ausführung für die Erzeugung eines Teilchenstrahl-Vorhangs. Dazu ist nach Anspruch 10 die Symmetrieachse (Anspruch 3) zu einer Symmetrieebene ausgeweitet und die Austrittsöffnung ist entlang der Schnittlinie einer Kammerwand mit der Symmetrieebene schlitzförmig längs ausgedehnt oder mehrfach wiederholt lochförmig angebracht. Für die Ausführung als Lochreihe spricht hierbei die bessere Drosselung des Gasverlustes aus der Kammer und die in allen Richtungen gleichmässige Divergenz des Teilchenstrahls. 



  Besonders einfach kann, gerade auch für die langgestreckte Quelle, die Kammer mit einem quaderförmigen Hohlraum ausgeführt sein, wodurch sie aus einfachen Platten zusammengefügt werden kann. 



  Erhebungen der Kammerwände in den der Anodenanordnung und der Zusatzanode nächstliegenden Bereichen sind für die Formung des elektrischen Feldes nützliche Hilfsmittel. 



  Bevorzugter Werkstoff für die aktiven Flächen der Elektroden und der Kammer, der natürlich auch komplett als Konstruktionswerkstoff (ausser für die nötigen Isolatoren) dienen kann, ist Kohlenstoff, insbesondere als pyrolytischer Graphit, Elektrographit oder glasartige Kohle. Letztere ist besonders für stabförmige Elektroden wegen ihrer Stabilität vorteilhaft. 



  Das elektrische Feld in der Kammer mit den Elektroden wird bevorzugt so ausgestaltet, dass es den erzeugten Ionen eine Vorzugsrichtung hin zur Austrittsöffnung aufprägt. Dies gilt dann auch für durch Ladungsaustausch erzeugte energiereiche Neutralteilchen. 



  Nach Anspruch 15 ist es ferner vorgesehen, dass das elektrische Feld in der Kammer einen Sattel im Bereich zwischen den Elementen der Anodenanordnung und einen zweiten Sattel näher bei der Zusatzanode aufweist. Der im Unterschied zum bekannten Stand der Technik eingeführte zweite Sattel ist dabei so ausgebildet, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeit für Elektronen und damit die Ionisationswahrscheinlichkeit in diesem Bereich erhöht ist. Da im Gegensatz zu herkömmlichen Sattelfeldquellen auch die in diesem Bereich erzeugten Ionen zur Austrittsöffnung hin beschleunigt werden, wird die Wirksamkeit der Quelle durch den zweiten Sattel gesteigert. 



  Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnung. Darin zeigen: 
 
   Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Sattelfeldquelle mit Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes; 
   Fig. 2 das Beispiel der Fig. 1 mit eingezeichneten Trajektorien von erzeugten Ionen bzw. Neutralteilchen; 
   Fig. 3a einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel; 
   Fig. 3b einen Querschnitt durch dieses Ausführungsbeispiel. 
 



  Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine Sattelfeldquelle mit einer Kammer (0), Elektroden (1, 2, 3) und Austrittsöffnung (4). Das Ganze ist spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse (S), insbesondere liegt die Austrittsöffnung (4) auf der Symmetrieachse (S), die Anodenanordnung aus den Elektroden (1, 2) ist aussermittig und spiegelbildlich angeordnet und die Zusatzanode (3) ist  auf der Symmetrieachse (S) auf der der Austrittsöffnung (4) abgewandten Seite der Kammer (0) angeordnet. 



  Zur Erzeugung eines rotationssymmetrischen Strahls ist die Anordnung bevorzugt auch rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse (S), die Kammer (0) also ein hohler Kreiszylinder und die Anodenanordnung (1, 2) ist ringförmig, die Elektroden (1, 2) gehen also ineinander über. 



  Den gleichen Querschnitt kann aber auch eine Sattelfeldquelle für einen vorhangartig in der zum Querschnitt senkrechten Richtung ausgedehnten Teilchenstrahl haben. Die Symmetrieachse (S) ist dann zu einer zum Querschnitt senkrechten Spiegelebene ausgedehnt, die Kammer (0) hat Quaderform und die Austrittsöffnung (4) ist als Schlitz oder als Reihe kleiner Löcher ausgebildet. 



  Die drei Elektroden (1, 2, 3) sind gemeinsam auf positive Hochspannung (+ 2 kV) gelegt, die Kammer (0) ist geerdet. Damit ergeben sich die in Fig. 1 eingezeichneten Äquipotentiallinien im Abstand von jeweils 200 V. 



  Bei einer konventionellen Sattelfeldquelle fehlt die Zusatzanode (3) und die Anodenanordnung (1, 2) liegt in der Mitte zwischen der Wand mit der Austrittsöffnung (4) und der unteren Wand der Kammer (0). Das elektrische Feld und die Potentialverteilung sind daher (bis auf die geringe Störung im Bereich der Austrittsöffnung (4), die durch die dort fehlende leitende Wand verursacht wird) zu der Mittelebene mit der Anodenanordnung (1, 2) symmetrisch. 



  Alle Ionen, die unterhalb der Mittelebene entstehen, werden daher zwangsläufig nach unten, von der Austrittsöffnung (4) weg beschleunigt. Auf der Mittelebene erzeugte Ionen sehen nur Potentialgefälle innerhalb dieser Ebene und können  diese daher nicht verlassen. Die Hälfte aller durch Elektronenstoss erzeugten Ionen ist daher schon von vornherein für den aus der Austrittsöffnung (4) tretenden Teilchenstrahl verloren. 



  Bei der erfindungsgemässen Anordnung der Fig. 1 ist die beschriebene Symmetrie aufgelöst und ein grösserer Bereich der Quelle hinter der Mittelebene zeigt einen Potentialgradienten in Richtung auf die Austrittsöffnung (4). Insbesondere ist auf der Symmetrieachse (S) von der Zusatzelektrode (3) an ein durchgehendes Potentialgefälle bis zur Austrittsöffnung (4) gegeben, sodass alle in diesem Bereich entstehenden Teilchen zur Austrittsöffnung hin beschleunigt werden. Dies gilt auch für einen Grossteil des Raums zwischen der Zusatzelektrode (3) und der Anodenanordnung (1, 2), wobei der Anstieg des Potentials zu den Elektroden (1, 2) hin sogar eine fokussierende Wirkung hin zur Austrittsöffnung (4) ergibt. 



  Die Anordnung der Fig. 1 hat einen Sattelpunkt etwa mittig zwischen den drei Elektroden (1, 2, 3). Bei Verschiebungen der Elektroden (1, 2, 3) sind auch zwei Sattelpunkte auf der Symmetrieachse (S) möglich, einer zwischen den Elektroden (1, 2) der Anodenanordnung und einer näher an der Zusatzanode (3). 



  Fig. 2 zeigt das Ergebnis einer numerischen Simulationsrechnung, wonach in der Anordnung der Fig. 1 alle auf der Mittellinie (M) der Kammer (0) durch Elektronenstoss erzeugten Ionen in die obere Hälfte der Kammer wandern. Bei der konventionellen Anordnung verbleiben die Ionen in dieser Ebene. Darüber hinaus hat das elektrische Feld eine fokussierende Wirkung, sodass der überwiegende Teil der zwischen den Elektroden (1 und 2) erzeugten Ionen auch in die Austrittsöffnung (4) gelangt. 



  Die erfindungsgemässe Anordnung ist also offensichtlich geeignet, einen erheblich gesteigerten Anteil der durch Elektronenstoss in der Sattelfeldquelle erzeugten Ionen zu der Austrittsöffnung (4) zu bringen. 



  In Fig. 2 sind die Teilchenbahnen dargestellt, unterschieden nach Trajektorien (TI) der Ionen (dünn gezeichnet) und den daran anschliessenden Trajektorien (TN) (dick gezeichnet) der durch Ladungsaustausch entstandenen Neutralteilchen, die wegen der fehlenden Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld alle gerade verlaufen. 



  Für den Ladungsaustausch, also den Übergang vom Ion zum energetischen Neutralteilchen, wurde von der mittleren freien Weglänge für Argon bei einem Druck in der Kammer (0) von 1 Pa ausgegangen und die unterschiedliche Energie der Ionen auf verschiedenen Trajektorien (TI) berücksichtigt. 



  Für den Betrieb als Neutralteilchenquelle hat der Potentialverlauf in der Nähe der Austrittsöffnung (4) demnach keine erhebliche Bedeutung, da der Ladungsaustausch in grösserem Abstand schon stattfindet, zumindest für einen Grossteil der erzeugten Ionen. 



  Fig. 3 zeigt im Längsschnitt Fig. 3a und Querschnitt Fig. 3b ein Ausführungsbeispiel mit 9 Austrittsöffnungen (4) in einer Reihe mit jeweils 2,5 cm Abstand mit einer Kammer (0), deren Innenabmessungen 24 cm Länge und je 6 cm Breite und Höhe betragen. Damit wird ein breiter vorhangartiger Teilchenstrahl erzeugt, der auf ein Target als langgestrecktes Rechteck auftrifft. 



  Die Kammer (0) besteht aus 6 Graphitplatten (01, 02, 03, 04, 05, 06), die formschlüssig in einem Metallgehäuse (G) mit Einrichtung (W) für Wasserkühlung und Anschluss (Z) für die Gaszufuhr, die über einen Verteilkanal und Bohrungen in  der Platte (03) erfolgt, befestigt ist. Als Elektroden (1, 2, 3) sind Stäbe aus Glaskohle mit 2 mm Durchmesser vorgesehen, die mit Isolierhülsen (11, 31) in einer Endplatte (06) befestigt und durch die andere Endplatte (05) für die Wärmeausdehnung längsverschieblich durchgeführt sind und über angeklemmte Laschen mit den elektrischen Anschlussdrähten verbunden sind. 



  Die Platten (01, 02, 03) weisen nächst den Elektroden (1, 2, 3) jeweils Erhebungen (011, 021, 031) auf, mit denen der elektrische Feldverlauf im Bereich der Elektroden (1, 2, 3) beeinflusst wird. Elektronen werden damit von den Elektroden (1, 2, 3) ferngehalten und stehen vermehrt zur Ionisation zur Verfügung. Zudem werden durch diese Massnahme Glimmentladungen zwischen den Elektroden (1, 2, 3) und den Platten (01, 02, 03) unterdrückt. 



  Die Länge einer solchen Sattelfeldquelle kann variiert werden, je nach dem Bedarf in einer Vakuum-Behandlungsanlage. Die Länge kann gut das Zehnfache der Querschnittsmasse betragen. 



  Es wird also eine Teilchenquelle nach dem Prinzip der Sattelfeldquelle vorgeschlagen, bei der die Elektrodenanordnung (1, 2, 3) in Richtung des Teilchenstrahles unsymmetrisch ist. Die Unsymmetrie wird primär dadurch erreicht, dass mindestens eine weitere Elektrode an der dem Teilchenstrahl entgegengesetzten Seite angeordnet wird. 



  Die vorgeschlagene Sattelfeldquelle besitzt alle Vorteile der Sattelfeldquelle nach dem Stand der Technik d.h.: 
 
   - Man kann sie mit Gleichspannung betreiben, wobei die gleiche Hochspannung an alle Elektroden gelegt werden kann. 
   - Sie kann ganz aus Graphit gebaut werden und ist dann weitgehend resistent gegenüber Sauerstoff. 
   - Sie hat keine Verschleissteile. 
   - Sie kann durch Variation der Betriebsparameter als Ionenquelle oder als Neutralteilchenquelle betrieben werden. 
   - Sie kann durch Aufbau und Betriebsdaten einen dünnen konzentrierten oder einen breiten aufgefächerten Teilchenstrahl liefern. 
   - Sie kann durch Wahl der Betriebsbedingungen (Druck in der Kammer und Hochspannung) entweder energiereiche Teilchen (etwa 500 eV) oder energieärmere Teilchen (etwa 10 eV) hervorbringen. 
 



  Der Hauptvorteil der Sattelfeldquelle nach dieser Erfindung ist jedoch, dass sie wesentlich effizienter arbeitet als die bisher bekannten Sattelfeldquellen. Die Anzahl der emittierten schnellen Teilchen lässt sich etwa um den Faktor 1,7 erhöhen. 



  Anwendung findet die erfindungsgemässe Quelle beispielsweise mit Neutralteilchen im Hochenergiebereich bis ca. 500 eV für die Substratreinigung oder das Sputter-Ätzen als Ersatz für Glimmentladungsprozesse. Durch veringerten Druck in der Targetkammer ist die Reinigung effektiver und die Kontamination zwischen Reinigung und nachfolgender Beschichtung ist verringert. 



  Mit niederenergetischen Neutralteilchen von einigen zehn Elektronenvolt Energie lässt sich beispielsweise die Struktur wachsender dünner Filme beeinflussen. 



  Beispielsweise kann Sauerstoff aus der Quelle auf Metalloxidschichten gegeben werden, wodurch die Filme dichter werden, der Brechungsindex ansteigt und die Absorption verringert wird im Vergleich zur Zugabe von thermischem Sauerstoff. Weil durch dieses Verfahren nur die aufwachsende Schicht erwärmt wird, lassen sich damit auch anspruchsvolle Schichten auf temperaturempfindlichen Unterlagen herstellen. 

Claims (4)

1. Sattelfeldquelle mit einer Kammer (0), die eine Austrittsöffnung (4) aufweist und Elektroden (1, 2, 3) enthält, sodass ein elektrisches Feld mit einem Sattel in der Kammer (0) entsteht und ein Teilchenstrahl mit einer Vorzugsrichtung aus der Austrittsöffnung (4) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung sowohl geometrisch als auch hinsichtlich des elektrischen Feldes mehr als nur durch die von der Auslassöffnung bedingten Störungen zu jeder zur Vorzugsrichtung senkrechten Ebene von der Spiegelsymmetrie abweicht.

2. Sattelfeldquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl aus Ionen oder energetischen Neutralteilchen besteht.

3.

Sattelfeldquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (0) als Kathode ausgebildet ist, eine Symmetrieachse (S) aufweist und die Austrittsöffnung (4) auf der Symmetrieachse (S) angeordnet ist, dass die Elektroden (1, 2, 3) aus einer Anodenanordnung (1, 2), die symmetrisch zur Symmetrieachse (S) aufgebaut ist und eine Umgebung der Symmetrieachse (S) freilässt, sowie einer Zusatzanode (3) bestehen, wobei die Zusatzanode (3) von der Austrittsöffnung (4) aus gesehen hinter der Anodenanordnung (1, 2) angeordnet ist.

4. Sattelfeldquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenanordnung (1, 2) aus zwei stabförmigen Teilen (1, 2) besteht. 12. Sattelfeldquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenanordnung (1, 2) aus einem ringförmigen Teil besteht. 6.

Sattelfeldquelle nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzanode (3) die Symmetrieachse (S) berührt. 7. Sattelfeldquelle nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzanode (3) auf gleichem Potential wie die Anodenanordnung (1, 2) liegt. 8. Sattelfeldquelle nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzanode (3) mehrteilig ist oder dass mehrere Zusatzanoden vorgesehen sind. 9. Sattelfeldquelle nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von der Anodenanordnung (1, 2) zur die Austrittsöffnung (4) tragenden Wand (04) der Kammer (0) grösser ist als der Abstand zur dieser gegenüberliegenden Wand (03) der Kammer (0). 10.

Sattelfeldquelle nach einem der Ansprüche 3-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (S) zu einer Symmetrieebene ausgeweitet ist und die Austrittsöffnung (4) entlang der Schnittlinie einer Kammerwand (04) mit der Symmetrieebene schlitzförmig längs ausgedehnt ist oder mehrfach wiederholt lochförmig angebracht ist. 11. Sattelfeldquelle nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (0) einen im Wesentlichen quaderförmigen Hohlraum aufweist. 12. Sattelfeldquelle nach einem der Ansprüche 3-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (0) an ihren Wänden (01, 02, 03) in den der Anodenanordnung (1, 2) und in dem der Zusatzanode (3) nächstliegenden Bereich Erhebungen (011, 021, 031) aufweist. 13.

Sattelfeldquelle nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 2, 3) und die Kammer (0) an ihren aktiven Flächen aus Kohlenstoff, insbesondere pyrolytischem Graphit, Elektrographit oder glasartiger Kohle bestehen. 14. Sattelfeldquelle nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld in der Kammer (0) mit den Elektroden (1, 2, 3) den Ionen eine Vorzugsrichtung hin zur Austrittsöffnung (4) aufprägt. 15. Sattelfeldquelle nach einem der Ansprüche 3-14, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld in der Kammer (0) einen Sattel im Bereich zwischen den Elementen der Anodenanordnung (1, 2) und einen zweiten Sattel näher bei der Zusatzanode (3) aufweist.