DD247993A1

DD247993A1 - MICROWAVE ION SOURCE

Info

Publication number: DD247993A1
Application number: DD28888786A
Authority: DD
Inventors: Klaus Hammer; Silvia Schmidt; Thomas Weber
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1986-04-08
Filing date: 1986-04-08
Publication date: 1987-07-22

Abstract

Die Mikrowellenionenquelle ist eine Breitstrahlionenquelle, die fuer Aetzprozesse, Reinigung und Ionenstrahlsputtern in der Mikroelektronik geeignet ist. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist eine Mikrowellenionenquelle, die die Extraktion eines grossflaechigen Ionenstrahles homogener Stromdichte bei langer Lebensdauer der Einzelbaugruppen auch unter dem Einsatz chemisch reaktiver Gase ermoeglicht, wobei die Plasmaanregung ohne Gluehkatode durch eine Mikrowellenentladung erfolgt. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem der Ladungsraum der Mikrowellenionenquelle als radialer Wellenleiter in der Art ausgebildet ist, dass zwei planparallele, kreisfoermige, elektrisch leitende Platten mit einem Plattenabstand a, der kleiner ist als eine Wellenlaenge l der Mikrowellen, aussen von einer zylindrischen Ringelektrode begrenzt werden, die untere Platte des radialen Wellenleiters die Emissionselektrode bildet, die obere Platte die Deckplatte darstellt, die Einkopplung der Mikrowellen zentral ueber einen Koppelstift erfolgt und der radiale Wellenleiter von einer kreisfoermigen Magnetspule umschlossen ist. Fig. 1The microwave ion source is a broad-beam ion source suitable for etching processes, cleaning and ion beam sputtering in microelectronics. The aim and object of the invention is a microwave ion source, which allows the extraction of a großflaechigen ion beam homogeneous current density with long life of the individual modules even with the use of chemically reactive gases, wherein the plasma excitation takes place without Gluehkatode by a microwave discharge. According to the invention, the object is achieved in that the charge space of the microwave ion source is designed as a radial waveguide in such a way that two plane-parallel, circular, electrically conductive plates with a plate spacing a, which is smaller than a wavelength of the microwaves, externally bounded by a cylindrical ring electrode be formed, the lower plate of the radial waveguide, the emission electrode, the upper plate is the cover plate, the coupling of the microwaves is done centrally via a coupling pin and the radial waveguide is surrounded by a kreisfoermigen magnetic coil. Fig. 1

Description

.Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

Die Mikrowellenionenquelle ist eine Breitstrahlionenquelle, die insbesondere für das chemisch reaktive Ätzen von Substratoberflächen für die Mikroelektronik, das Reinigen von Substraten und das lonenstrahlsputtern geeignet ist.The microwave ion source is a broad-beam ion source, which is particularly suitable for the chemically reactive etching of substrate surfaces for microelectronics, the cleaning of substrates and ion beam sputtering.

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß Mikrowellen in Verbindung mit der Elektronen-Zyklotronresonanz (ECR) zur Plasmaanregung in lonenquellen genutzt werden. Zur Ermittlung hoher elektrischer Feldstärken werden die Entladungsräume vorwiegend in Hohlraumresonatoren eingebaut.It is known that microwaves are used in conjunction with electron cyclotron resonance (ECR) for plasma excitation in ion sources. To determine high electric field strengths, the discharge spaces are mainly installed in cavity resonators.

In der DE-OS 2237252 wird eine Ionenquelle beschrieben, bei der in einem Hohlraum ein volumenmäßig wesentlich kleinerer Entladungsraum eingesetzt ist, so daß die Plasmaanregung unter den Bedingungen der Hohlraumresonanz der Mikrowellen bei der Elektronen-Zyklotronresonanz erfolgt. Damit ist der Durchmesser des eigentlichen Entladungsgefäßes auf wenige Zentimeter begrenzt, so daß die Extraktion eines breitflächigen lonenstrahles nicht möglich wird.In DE-OS 2237252 an ion source is described in which in a cavity a volume substantially smaller discharge space is used, so that the plasma excitation takes place under the conditions of the cavity resonance of the microwaves in the electron cyclotron resonance. Thus, the diameter of the actual discharge vessel is limited to a few centimeters, so that the extraction of a broad-area ion beam is not possible.

Eine weitere Möglichkeit ist in „Japanese Journal of Applied Physics" 21 (1982)24 beschrieben, bei derein Hohlraumresonator mit einer Hi₁₃-Resonanz als Entladungsraum genutzt wird. Diese Anordnung ermöglicht die Extraktion eines großflächigen lonenstrahles. Die Ionenquelle selbst ist aber auf Grund der großen Abmessungen des Entladungsraumes und damit verbunden der zugehörigen Magnetspulen wesentlich größer und schwerer als vergleichbare lonenquellen mit Glühkatode.Another possibility is described in "Japanese Journal of Applied Physics" 21 (1982) 24, in which a cavity resonator with a Hi ₁₃ resonance is used as discharge space This arrangement makes it possible to extract a large-area ion beam large dimensions of the discharge space and associated with the associated magnetic coils much larger and heavier than comparable ion sources with Glühkatode.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist eine Mikrowellenionenquelle, die die Extraktion eines großflächigen lonenstrahles homogener Stromdichte bei langer Lebensdauer der Einzelbaugruppen auch unter dem Einsatz chemisch reaktiver Arbeitsgase ermöglicht.The object of the invention is a microwave ion source, which enables the extraction of a large-area ion beam of homogeneous current density with a long service life of the individual modules even with the use of chemically reactive working gases.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellenionenquelle bereitzustellen, aus der ein großflächiger Ionenstrahl mit homogener lonenstromdichteverteilung extrahiert wird, der einen geringen Anteil von Schwermetallen aufweist und bei der die Plasmaanregung ohne Glühkatode durch eine Mikrowellenentladung bei Elektronen-Zyklotronresonanz (ECR) erfolgt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem der Entladungsraum der Mikrowellenionenquelle als radialer Wellenleiter ausgebildet ist in der Art, daß zwei planparallele, kreisförmige, elektrisch leitende Platten mit einem Plattenabstand a, der kleiner ist als eine Wellenlänge λ der Mikrowellen, außen von einer zylindrischen Ringelektrode begrenzt werden, die untere Platte des radialen Wellenleiters die Emissionselektrode bildet, die obere Platte die Deckplatte darstellt, die Einkopplung der Mikrowellen zentral über einen Koppelstift erfolgt und der radiale Wellenleiter von einer kreisringförmigen Magnetspule umschlossen ist. Voraussetzung für die Plasmaanregung mit Mikrowellen bei Elektronen-Zyklotronresonanz ist, daß solche Anordnungen aufgebaut werden, bei denen die Richtung der magnetischen Flußdichte des statischen Magnetfeldes senkrecht zu einer elektrischen Feldstärkekomponente der elektromagnetischen Wellen steht. In der beschriebenen Anordnung umschließt die Magnetspule den radialen Wellenleiter, so daß die magnetische Flußdichte in axialer Richtung verläuft. Abhängig vom Verhältnis der Höhe der Magnetspule zu ihrem Durchmesser bildet sich die Homogenität der magnetischen Flußdichte in radialer Richtung aus.The invention has for its object to provide a microwave ion source, from which a large-area ion beam is extracted with homogeneous ion current density distribution, which has a small proportion of heavy metals and in which the plasma excitation without thermionic occurs by a microwave discharge at electron cyclotron resonance (ECR). According to the invention the object is achieved by the discharge space of the microwave ion source is designed as a radial waveguide in such a way that two plane-parallel, circular, electrically conductive plates having a plate spacing a, which is smaller than a wavelength λ of the microwaves, externally bounded by a cylindrical ring electrode are, the lower plate of the radial waveguide forms the emission electrode, the upper plate is the cover plate, the coupling of the microwaves is centrally via a coupling pin and the radial waveguide is surrounded by an annular magnetic coil. The prerequisite for the plasma excitation with microwaves in electron cyclotron resonance is that such arrangements are constructed in which the direction of the magnetic flux density of the static magnetic field is perpendicular to an electric field strength component of the electromagnetic waves. In the described arrangement, the magnetic coil encloses the radial waveguide, so that the magnetic flux density in the axial direction. Depending on the ratio of the height of the magnetic coil to its diameter, the homogeneity of the magnetic flux density in the radial direction is formed.

Der radiale Wellenleiter in Form von zwei planparallelen, kreisförmigen Platten wird in der beschriebenen Anordnung von der Deckplatte des Entladungsraumes und der Emissionselektrode gebildet, wobei beide Elektroden aus Graphit oder Silicium bestehen können oder die Deckplatte aus Aluminium und die Emissionselektrode aus Molybdänium.The radial waveguide in the form of two plane-parallel, circular plates is formed in the described arrangement of the cover plate of the discharge space and the emission electrode, both electrodes may consist of graphite or silicon or the cover plate made of aluminum and the emission electrode of molybdenum.

Zwischen planparallelen Platten kann sich eine elektromagnetische Welle mit zylindrischer Wellenfront von einer Mittelachse aus radial ausbreiten. Die Wellentypen hängen ab vom Plattenabstand und der Art der Anregung. Der Plattenabstand a bestimmt sich ausBetween plane-parallel plates, an electromagnetic wave with a cylindrical wavefront can propagate radially from a central axis. The wave types depend on the plate spacing and the type of excitation. The plate spacing a is determined

g-Grenzwellenlängeg cut-off wavelength

r-Radius des radialen Wellenleitersr radius of the radial waveguide

m,h-lndizes der Lösungsfunktionm, h-indices of the solution function

Grundwelle des radialen Wellenleiters ist eine Lecherwelle vom E₀₀-TyP (m = 0, h = 0). Sie ist für die vorgesehene Anwendung nicht geeignet, weil sie nur eine elektrische Feldstärkekomponente in axialer Richtung hat.The fundamental wave of the radial waveguide is a Lecher wave of E ₀₀ -TyP (m = 0, h = 0). It is not suitable for the intended application because it has only one electric field strength component in the axial direction.

Für Wellentypen vom 10-bzw. 11-Typ (m = Ooder 1, h = 1) ist der minimale Plattenabstand a = A_g/2 und der maximale A₉. Bei diesem Plattenabstand können sich neben der Grundwelle die E₁₀-, Hi₀-, E₁₁- und H₁₁-WeIIe ausbilden. Alle diese Wellentypen haben Feldstärkekomponenten in radialer Richtung. Die Ε-Wellen haben weiterhin eine Feldstärkekomponente in axialer Richtung, so daß sie leicht mit einem Koppelstift angeregt werden können, währenddessen die Η-Wellen zweckmäßig über eine induktive Schleife angeregt werden.For wave types of 10 resp. 11-type (m = O or 1, h = 1) is the minimum plate spacing a = A _g / 2 and the maximum A ₉ . With this plate spacing, the E ₁₀ , Hi ₀ , E ₁₁ and H ₁₁ channels can form next to the fundamental wave. All of these modes have field strength components in the radial direction. The Ε-waves also have a field strength component in the axial direction, so that they can be easily excited with a coupling pin, during which the Η-waves are expediently excited via an inductive loop.

Die angegebenen physikalischen Zusammenhänge liegen der Erfindung zugrunde. Der Einsatz des radialen Wellenleiters ermöglicht damit den Aufbau flacher, aber großflächiger Entladungsräume. Bei Nutzung der unteren Platte des Entladungsraumes als Emissionselektrode wird gleichzeitig ein einfacher konstruktiver Aufbau erreicht. Weiterhin ist es ausreichend, wenn die für die ECR erforderliche hohe magnetische Flußdichte nur am äußeren Umfang des Entladungsraumes anliegt, so daß der Aufwand für die Magnetspule herabgesetzt werden kann. Dabei ist es günstig, um eine wirksame Plasmaanregung am Rand des Entladungsraumes zu erreichen, die Magnetspule nicht in Höhe des Entladungsraumes anzuordnen, sondern um a/4 bis a/2 gegenüber der Emissionselektrode anzuheben. Bei der Anregung des Plasmas am äußeren Umfang des Entladungsraumes führt die einsetzende Diffusion der Ionen zu einer relativ gleichmäßigen lonendichteverteilung im gesamten Entladungsraum. Das ist eine wesentliche Grundlage zur Erreichung einer homogenen Stromdichteverteilung im Ionenstrahl. In einer weiteren-Ausführung der Mikrowellenionenquelle ist es möglich, an Stelle der Koaxialleitung des Magnetron direkt auf das Gehäuse aufzuseizten, und die Mikrowellen werden über einen Koppelstift in den Entladungsraum eingekoppelt.The specified physical relationships are the basis of the invention. The use of the radial waveguide thus allows the construction of flat, but large-scale discharge spaces. When using the lower plate of the discharge space as the emission electrode a simple structural design is achieved at the same time. Furthermore, it is sufficient if the required for the ECR high magnetic flux density is applied only to the outer periphery of the discharge space, so that the cost of the solenoid can be reduced. It is favorable, in order to achieve effective plasma excitation at the edge of the discharge space, not to arrange the magnetic coil in the height of the discharge space, but to raise a / 4 to a / 2 with respect to the emission electrode. Upon excitation of the plasma at the outer periphery of the discharge space, the onset of diffusion of the ions leads to a relatively uniform ion density distribution in the entire discharge space. This is an essential basis for achieving a homogeneous current density distribution in the ion beam. In a further embodiment of the microwave ion source, it is possible to pick up directly on the housing instead of the coaxial line of the magnetron, and the microwaves are coupled via a coupling pin in the discharge space.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. In the accompanying drawings show

Fig. 1: eine MikrowellenionenquelleFig. 1: a microwave ion source

Fig.2: eine Mikrowellenionenquelle mit EisenkreisFig.2: a microwave ion source with iron circle

Fig.3: eine Mikrowellenionenquelle mit induktiver Koppelschleife und zweiter Magnetspule.3 shows a microwave ion source with inductive coupling loop and second magnetic coil.

In den Anordnungen nach Fig. 1,2 und 3 wurde für die Bestimmung der Abmessungen des Entladeraumes eine Frequenz der Mikrowellen von 2,4GHz zugrunde gelegt, das entspricht einer notwendigen magnetischen Flußdichte des statischen Magnetfeldes von ca. 0,085T. Der radiale Wellenleiter wird von der Deckplatte 1 und der Emissionselektrode 2 gebildet. Sie begrenzen zusammen mit der Ringelektrode 3 den Entladungsraum 4. Alle drei Elektroden sind in dieser Ausführung aus Graphit hergestellt. Der Gaseinlaß 5 erfolgt über den Ringspalt 9, der zwischen Deckplatte 1 und Ringelektrode 3 gebildet wird. Eingekoppelt werden die Mikrowellen über die Koaxialleitung 6 und den Quarzglasbecher 7. DerQuarzglasbecher"7istfür die Mikrowellen durchlässig, übernimmt aber die Vakuumabtrennung des Entladungsraumes 4 von der Einkoppelstelle. Die Einkopplung der Mikrowellen in den Entladungsraum 4 wird mit einem Koppelstift 8 der Länge λ/4 vorgenommen. Eingebaut sind die Baugruppen des Entladungsraumes4 und der Quarzglasbecher 7 in ein Gehäuse 10, das aus Aluminium gefertigt ist und über entsprechende Flansche und Isolierungen an die Vakuumkammer 13 angeschraubt ist. Die Höhe des Entladungsraumes 4 beträgt 8cm bei einem Durchmesser des Entladungsraumes von 24cm. Der Abstand zwischen Emissionselektrode 2 und Unterseite der Magnetspule 12 beträgt 3cm.In the arrangements according to FIGS. 1, 2 and 3, a frequency of the microwaves of 2.4 GHz was used for the determination of the dimensions of the discharge space, which corresponds to a necessary magnetic flux density of the static magnetic field of approximately 0.085T. The radial waveguide is formed by the cover plate 1 and the emission electrode 2. They limit together with the ring electrode 3, the discharge space 4. All three electrodes are made in this embodiment of graphite. The gas inlet 5 via the annular gap 9, which is formed between the cover plate 1 and ring electrode 3. The quartz glass cup "7 is permeable to the microwaves, but takes over the vacuum separation of the discharge space 4 from the coupling point The subassemblies of the discharge space 4 and the quartz glass beaker 7 are installed in a housing 10 which is made of aluminum and screwed to the vacuum chamber 13 via corresponding flanges and insulations The height of the discharge space 4 is 8 cm with a diameter of the discharge space of 24 cm Distance between emission electrode 2 and bottom of the solenoid coil 12 is 3cm.

Wird in der dargestellten Anordnung über einen Durchmesser des Extraktionssystems von 18cm mittels der Extraktionselektrode 11 extrahiert, erreicht man homogene lonenstromdichteverteilungen bis 15cm (Homogenität ± 5%) bei Gesamtionenströmen von ca. 25OmA.If, in the illustrated arrangement, a diameter of the extraction system of 18 cm is extracted by means of the extraction electrode 11, homogeneous ion current density distributions of up to 15 cm (homogeneity ± 5%) are achieved with total ion currents of about 25 μm.

In einer zweiten Ausführung der Mikrowellenionenquelle wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Magnetspule 12 von einem Eisenkreis mit einer oberen ringförmigen Eisenplatte 14, einer unteren ringförmigen Eisenplatte 15 und dem Eisenring 16 umgeben. Die obere ringförmige Eisenplatte 14 hat einen Innendurchmesser von 9cm. In dieser Ausführung wird der Erregerstrom der Magnetspule um ca. Va herabgesetzt.In a second embodiment of the microwave ion source as shown in FIG. 2, the magnetic coil 12 is surrounded by an iron circle having an upper annular iron plate 14, a lower annular iron plate 15 and the iron ring 16. The upper annular iron plate 14 has an inner diameter of 9 cm. In this embodiment, the excitation current of the solenoid is reduced by approximately Va .

Fig. 3 zeigt ebenfalls eine Mikrowellenionenquelle, aber mit induktiver Koppelschleife 17 zur Einkopplung der Mikrowellen und mit einer zweiten Magnetspule 18 zur Einstellung der magnetischen Flußdichte. Zwischen Einkopplung der Mikrowellen mit induktiver Koppelschleife 17 und Einkopplung mit Koppelstift 8treten keine beachtenswerten Unterschiede in der Plasmaanregung auf. Die zweite, in Höhe des Extraktionsystems angeordnete Magnetspule 18, bewirkt eine Homogenisierung in der Verteilung der magnetischen Flußdichte, insbesondere im Bereich des Extraktionssystems.Fig. 3 also shows a microwave ion source, but with inductive coupling loop 17 for coupling the microwaves and with a second magnetic coil 18 for adjusting the magnetic flux density. Between coupling the microwaves with inductive coupling loop 17 and coupling with coupling pin 8 occur no noteworthy differences in the plasma excitation. The second, arranged at the level of the extraction system magnetic coil 18, causes a homogenization in the distribution of the magnetic flux density, in particular in the region of the extraction system.

Bei einer mit der zweiten Magnetspule 18 in der Mittelachse erzeugten magnetischen Flußdichte von 0,015T wird der extrahierte lonenstrom um ca. 25% erhöht.In a magnetic flux density of 0.015T generated with the second magnetic coil 18 in the central axis, the extracted ion current is increased by about 25%.

Die beschriebene Mikrowellenionenquelle hat einen einfachen technologischen Aufbau und ist auf Grund der Plasmaanregung, die vorwiegend am äußeren Rand des Entladungsraumes 4 stattfindet, für großflächige lonenstrahlen geeignet.The microwave ion source described has a simple technological structure and is suitable for large-area ion beams due to the plasma excitation, which takes place predominantly at the outer edge of the discharge space 4.

Claims

claims:

A microwave ion source for producing a large-area ionic steel, comprising an arrangement for coupling microwaves into a low-pressure plasma, a discharge space, an extraction system and a magnet coil, characterized in that the discharge space (4) is formed by a radial waveguide such that two plane-parallel, circular, electrically conductive plates having a plate spacing a smaller than a wavelength λ of the microwaves, bounded on the outside by a cylindrical ring electrode (3), the lower plate of the radial waveguide forming the emission electrode (2), the top plate represents the cover plate (1), the coupling of the microwaves centrally via a coupling pin (8) and the radial waveguide is surrounded by an annular magnetic coil (12).

2. microwave ion source according to claim 1, characterized in that the magnetic coil (12) by a / 4 to a / 2 relative to the emission electrode (2) is raised.

3. microwave ion source according to claim 1 and 2, characterized in that on the magnetic coil (12) top and bottom circular plates ausferromagnetischem material are placed, wherein the lower annular iron plate (15) in the inner diameter greater than or equal to the maximum inner diameter of the upper annular Eisenplatte_ ( 14).

4. microwave ion source according to claim 1 and 2, characterized in that a second magnetic coil (18) is arranged below the extraction system.

5. microwave ion source according to claim 1 to 4, characterized in that centrally in the discharge space, a cup-shaped insert of dielectric material, in particular a quartz glass cup (7) is inserted, whose diameter is greater than the outer diameter of the coaxial line (6) and in which Coaxial line (6) is introduced in such a way that the outer conductor with the upper edge of the discharge space (4) terminates and the inner conductor is guided as a coupling pin (8) in the discharge space (4).

6. microwave ion source according to claim 1 to 5, characterized in that a magnetron is placed directly on the discharge space (4) and the vacuum separation takes place via an insert of dielectric material.