DE102004002508A1

DE102004002508A1 - Steuerung und Regelung des Ionenstrahlprofils von Breitstrahlionenquellen durch getaktete Beamletsteuerung

Info

Publication number: DE102004002508A1
Application number: DE200410002508
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Phys. Neumann; Hermann Dr. Schlemm; Frank Dipl.-Phys. Scholze
Original assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Priority date: 2004-01-17
Filing date: 2004-01-17
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-18
Also published as: DE102004002508B4

Abstract

Eine Anordnung zur Erzeugung eines großflächigen Breitionenstrahls, bestehend aus zwei oder mehreren Teilionenstrahlen (Beamlets), die durch ein aus Lochgittern bestehendes Extraktionssystem aus einem Ionenquellenplasma extrahiert werden, wobei das Extraktionssystem zwischen dem am Plasma befindlichen Screengitter und dem den Ionenstrahl ausgegebenden Acceleratorgitter ein oder mehrere in einzelne Segmente eingeteilte weitere Lochgitter enthält. Durch Veränderung der elektrischen Potentiale an den Segmenten kann die Extraktion der darin befindlichen Beamlets gesteuert werden, was eine lokale Steuerung der Ionenstromdichte im Ionenbreitstrahl zur Folge hat. Wird die lokale Ionenstromdichtesteuerung gepulst zwischen den zwei Zuständen "Beamlet auf" und "Beamlet zu" durchgeführt, kann die lokale zeitlich gemittelte Ionenstromdichte streng linear in einem weiten Steuerbereich beeinflußt werden. Es werden Anordnungen zur ein- und zweidimensionalen Steuerung von Ionenstrahlprofilen gezeigt. Mit der erfindungsgemäßen Lösung können Ionenquellen aufgebaut werden, die ein definiertes vorzugebendes Ionenstrahlprofil in hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit für Dünnschichttechnologien bereitstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung und Regelung von Ionenstrahlprofilen gemäß der Gattung der Patentansprüche und ist insbesondere in ionenstrahlgestützten Dünnschichtverfahren sowie bei der Oberflächenmodifizierung von Materialien verwendbar.
Ionenquellen allgemein teilen sich ein in zwei Gruppen mit generell unterschiedlichen Ionenstrahlen. Dies sind zum einen die in Ionenbeschleunigern, Ionenimplantern und ionenanalytischen Geräten eingesetzten Ionenquellen zur Erzeugung achsennaher Ionenstrahlen mit einem Durchmesser kleiner als 1–2 cm. Dies Strahlen werden mit ionenoptischen Mitteln durch die Anlagen geführt, dabei transformiert, beschleunigt oder abgebremst. Ihr Ionenstromdichteprofil ist gewöhnlich gaussförmig. Substrate mit Abmessungen größer als dieser Ionenstrahl werden zum Zweck der Ionenstrahlbearbeitung in Relativbewegung zum Ionenstrahl geführt und so homogen bearbeitet.

Zum anderen gibt es die Breitionstrahlquellen, die einen aus einzelnen Beamlets zusammengesetzten Ionenstrahl mit max. Querabmessungen bis zu 1 Meter liefern, wobei dieser Ionenstrahl in typischen Ionenstrahlverfahren wie Ionenstrahlsputtern [H.R. Kaufman, J. Vac. Sci. Technolog. 21, (1982), 725], ionenestrahlgestützte Beschichtung oder reactivem Ionenstrahlätzen [J.J. Cuomo, S.M. Rossnagel, H.R. Kaufman, „Handbook of Ion Beam Technology", Noyes Publications, Park Ridge USA, 1989] ein großflächiges Substrat in einem Prozessgang homogen bearbeiten soll.

Weil alle bisher bekannten Breitionenstrahlquellen wie Kaufman-ionenquellen [H.R. Kaufman, J.M.E. Harper, J.J. Cuomo, J. Vac. Sci. Technolog. 21, (1982), 764], Hochfrequenzionenquellen [M. Zeuner, J. Meichsner, Proc. 13^th Europ. Sec. Conf. on Atom and and Molec. Phys. of Ion. Gases, Poprad-Slovakia, publ. by Europ. Phys. Soc., Vol Edit. Lukac Koslnar, Skalny Bratislava 20 E, Part B (1996) 111–112] oder ECR-Mikrowellenionenquellen [M. Zeuner, J. Meichsner, H. Neumann, F. Scholze, F. Bigl, J. Appl. Phys. 80, (1996), 611–622] prinzipiell ein Plasma zur Ionenextraktion bereitstellen, das eine inhomogene Ionendichteverteilung aufweist, sind die daraus extrahierten Breitionen strahlen prinzipiell inhomogen. Außerdem entstehen durch die Überlagerung der einzelnen Beamlets zusätzliche weitere von den Extraktionspotentialen abhängige Inhomogenitäten.

In der Vergangenheit wurden vielfältige Methoden zur Formung von homogenen Breitionenstrahlprofilen an den oben erwähnten Ionenquellen unternommen wie:

– Breitionenstrahlformung mittels Blenden [F. Bigl, T. Hänsel, A. Schindler, Vakuum in Forschung und Praxis (1998), Nr. 1, 50–56],
– Breitionenstrahlformung durch Variation der Bohrungsdichte der Extraktionslöcher [F. Bigl, T. Hänsel, A. Schindler, Vakuum in Forschung und Praxis (1998), Nr. 1, 50–56],
– Homogenisierung der Plasmadichte in der Ionenquelle durch Zusatzelektroden [D. Flamm, M. Zeuner, Surf. And Coatings Technolog. (1999) vol. 116–119, 1089, Tartz, M.; Hartmann, E.; Deltschew, R.; Neumann, H., Review of Scientific Instruments (Feb. 2000) vol. 71, no. 2, pt. 1–2],
– Breitionenstrahlformung durch definiert gekrümmte Extraktionsgitterflächen.

Alle diese Verfahren haben größere Nachteile, die ihren Einsatz in Forschung und Industrie in der Vergangenheit weitgehend verhinderten. Dies sind vor allem die Bildung von gesputterten Teilchen beim Einsatz von das Ionenstrahlprofil formenden Masken [ ], die den Ionenstrahl verunreinigen. Außerdem haben alle oben erwähnten Maßnahmen zur Strahlprofilformung gemeinsam, daß während des Ionenstrahlprozesses keine Änderung des Strahlprofils vorgenommen werden kann. Regelvorgänge am Ionenstrahlprofil sind damit nicht realisierbar.

Weit außerhalb der derzeitigen Realisierungsmöglichkeiten liegt auch, die programmierte Formung von ein- oder zweidimensionalen Ionenstrahlprofilen im Zeitverlauf der Ionenstrahlbearbeitung, womit völlig neue Möglichkeiten der Ionenstrahlbearbeitung eröffnet würden, die industriell eingeführten verfahren wie Siebruck oder Offsetdruck stark ähneln.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Anordnung zu schaffen, die eine Möglichkeit zum Erzeugen beliebiger programmierbarer Ionenstrahlprofile aus dem vorerst plasmaphysikalisch vorgegebenem Ladungsträgerdichteprofil bereitstellt. Diese Anordnung soll für prinzipiell alle Typen der Plasmaerzeugung in Breitionenstrahlquellen nutzbar sein, d.h. die Ionenstrahlprofilformung soll allein im Extraktionssystem der Ionenquellen realisiert werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Durch die erfindungsgemäße Anordnung und elektrische Beschaltung wird erreicht, daß Ionenquellen aufgebaut werden können, die bei Bewahrung wichtiger Vorteile von Breitionenstrahlquellen wie Ionenstrahldurchmesser bis 50 cm oder rechteckige Ionenstrahlquerschnitte bis zu mehreren Meter Länge bei Ionenstromdichten bis zu 5 mA/cm² beliebige vorgegebene Ionenstrahlprofile erzeugen können. Im einfachsten Anwendungsfall ist dies die Erzeugung eines bis auf wenige Prozent Abweichung (eine typische industrielle Anforderung beträgt +– 2%) homogenen Ionenstrahlprofils bei obigen industriellen Abmessungen.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Breitionenstrahl aus einer Breitionenstrahlquelle extrahiert. Dazu enthält die Ionenquelle eine Entladungskammer in der ein magnetfeldgestütztes Plasma im Druckbereich von 10^–2 bis 10^–5 mbar erzeugt wird. Je nach der Art der Plasmaerzeugung werden die Ionenquellen z.B. eingeteilt in: Heiß- oder Kaltkathodenionenquellen, Hochfrequenzionenquellen, Mikrowellenionenquellen oder ECR-ionenquellen. Die Extraktion der Ionen zur Bildung eines profilgesteuerten Breitionenstrahls erfolgt durch ein aus drei oder auch vier Lochgittern bestehendes Extraktionssystem. Diese Gitter sind aus einem leitfähigen Stoff hergestellt und enthalten die Lochbohrungen so, daß die Löcher der einzelnen Gitter die Extraktion des Teilionenstrahls (Beamlet) in gewünschter Weise erlauben.

Das das Plasma zum Wirkraum abschließende Schirmgitter (Screengitter) hat die Aufgabe, das Plasma vom diesem Wirkraum zu trennen. Dazu wird es entweder isoliert betrieben und wird dann durch Wechselwirkung mit dem Plasma auf ein nahe Plasmapotential liegendes Potential angehoben oder mit einem konstanten, positiven Potential beaufschlagt, welches das Potential des Plasmas in die Nähe dieses positiven Potentials anhebt. Alle weiteren in Ionenstrahlrichtung nun folgenden Gitter sind nun negativer bzgl. des Schirmgitters und bilden so ein elektrostatisches Feld heraus, welches die Extraktion von positiven Ionen ermöglicht. Normalerweise reicht hierzu ein zweites Gitter (Acceleratorgitter) allein aus. Die Potentialdifferenz zwischen dem Entstehungsort der Ionen im Plasma und dem Substratpotential bestimmt die Wirkenergie der extrahierten Ionen auf einem Substrat. Alle Potentiale an den übrigen Gittern sind so gewählt, dass sie zur Formung bzw. Modulierung des Ionenstrahls bzw. zum Zurückhalten von außerhalb der Plasmakammer gebildeten Elektronen aus dem Plasma beitragen.

Im einfachsten Fall der erfindungsgemäßen Lösung wird zwischen Screengitter und Acceleratorgitter ein drittes Gitter (Schaltgitter) eingefügt, dessen Potential sich nun zwischen zwei als Schaltzustände zu bezeichnenden Potentialen befinden kann. In einem Schaltzustand ist das Schaltgitterpotential positiver als das Potential am Screengitter, mit der Folge, daß Ionen nicht das Extraktionssystem passieren können. Ist das Schaltgitterpotential dagegen negativer als das Screengitterpotential, werden die Ionen durch das gesamte Extraktionssystem geführt und passieren so gerichtet das Extraktionssystem in Richtung Wirkraum.

Wird nun das Schaltgitter aus separaten Teilen, die wahlweise an die obigen Potentiale gelegt werden können, hergestellt, so können jeweils die Beamlets, die das Schaltgittersegment enthält auf- oder zu- geschaltet werden. Im einfachsten Fall kann ein Schaltgittersegment ein einzelnes Beamlet enthalten. Genauso sind Gruppen z.B. rechteckige Anordnungen von Beamlets wie z.B. 5 × 10 Löcher o.ä. möglich. In Abhängigkeit von dieser Segmentzerlegung können so einzelne Beamlets oder Beamletgruppen durch von außen anzulegende Potentiale ein- oder ausgeschaltet werden. Die örtlichen Potentialunterschiede der Schaltgittersegmente beeinflussen weder das Plasma (Abschirmung durch Screengitter) noch den ausgehenden Ionenstrahl (Abschirmung durch Acceleratorgitter).

Zur Erzeugung der Spannungen am Schaltgitter ist mindestens ein Gleichspannungsnetzteil erforderlich. Aufgrund der hohen zu schaltenden Spannungen bis zu 2000 V sind Relais zum Umschalten der Spannungen ungeeignet. Es werden Halbleiterschalter verwendet. Damit hat die erfindungsgemäße Lösung außerdem den Vorteil, daß Schaltvorgänge im Frequenzbereich von 1–100 kHz durchgeführt werden können. Bei typischen Schaltfrequenzen von 10–30 kHz ergibt sich eine typische Pulslänge der Ionenstrahlimpulse im Bereich von 100–30 μs. bei typischen Ionenstrahlbearbeitungszeiten von mindestens 1 s ergibt sich damit eine zeitliche Mittelung über ausreichend viele Beamletschaltvorgänge. Für jedes Schaltgittersegment ist daher eine zusätzliche elektrische Leitung erforderlich, die über eine elektrische Durchführung in das Vakuum der Ionenquelle gebracht werden muss. Typische lineare strahlprofilgesteuerte Ionenquellen weisen 25–50 Schaltgittersegmente auf und benötigen ebenso viel Durchführungen und Leitungen. Eine erfindungsgemäß vorteilhafte Lösung ergibt sich, z.B. wenn bei einer flanschmontierten Ionenquelle die elektrischen Durchführungen der Schaltgittersegmente gleichzeitig die Halter der Segmente darstellen und zusätzliche Leitungen eingespart werden.

Strahlprofilgesteuerte Extraktionssysteme mit einem Schaltgitter bestehen somit aus n (n = 1, 2, 3, ...) Schaltgittersegmenten, die in der Ebene des Schaltgitters unterschiedlich angeordnet sein können. Die wichtigsten Anordnungen sind:

a) lineare Anordnung
b) Radiale Anordnung

Mit linearen strahlprofilgesteuerten Extraktionsystemen können auch zweidimensionale Ionenstrahlprofile zur Bearbeitung flächenhafter Substrate erzeugt werden, indem senkrecht zur linearen Anordnung ein Substrat mit konstanter Geschwindigkeit vorbeibewegt wird und in Abhängigkeit von der erreichten Substratposition ein programmiertes Ionenstrahlprofil ausgegeben wird. Z.B. können auf diese Weise durch Ionenstrahlbeschichtung oder -abtrag programmierte Muster in großflächige Substrate eingebracht werden.

Wenn Extraktionssysteme aufgebaut werden, die neben Screen- und Accerlatorgitter zwei segmentierte in Ionenstrahlrichtung hintereinander liegende Schaltgitter enthalten, können Ionenstrahlprofilsteuerungen aufgebaut werden, die direkt einen kreisförmigen oder rechteckigen Ionenstrahl formen. Grundlage dieser zweidimensionalen Steuerung ist die Tatsache, daß Ionen das Beamlet nur passieren können, wenn beide hintereinander angeordnete Schaltgittersegmente sich im eingeschalteten „Auf" – Zustand befinden. Ist eines der beiden oder beide Schaltgittersegmente auf „Zu", d.h. auf positivem, die Ionen reflektierendem Potential, passieren keine Ionen das Beamlet. Für die Beamlets im Überlappungsbereich zweier solcher Schaltgittersegmente gilt daher die logische Und-Funktion bzgl. der Steuerung der Beamlets.

Eine erfindungsgemäß günstige Form einer zweidimensionalen Strahlprofilsteuerung ergibt sich, wenn der Aufbau der zwei hintereinanderliegenden Schaltgittersegmente in Matrixform erfolgt, d.h. es gibt n Zeilengitter und m Spaltengitter, die n × m Überdeckungsbereiche aufweisen, die die zu steuernden Beamlets enthalten. Bezeichnet man mit:
Vz_i – logisches Schaltpotential der i-ten Zeile (i = 1 .... n),
Vs_j – logisches Schaltpotential der j-ten Spalte (j = 1 ... m),
so gilt für den logischen Zustand der Beamlets im Kreuzungsbereich:
B_i,j = Vz_i and Vs_j (1)

Mit folgenden Vereinbarungen:
Vz_i, Vs_i = 0: bedeutet Schaltgittersegment auf positivem Potential, kein Ionenstrom kann Segment passieren,
Vz_i, Vs_i = 1: bedeutet Schaltgittersegment auf negativem Potential, Ionenstrom kann Segment passieren,
B_i,j = 0 bedeutet damit, daß kein Ionenstrom die Beamlets im Überdeckungsbereich passiert, B_i,j = 1 dagegen bedeutet eingeschalteten Überdeckungsbereich.

Analog zum Fall der eindimensionalen Strahlprofilsteuerung wird jedes Schaltgittersegment mit einer Leitung versorgt. Es sind also n + m elektrische Zuführungen ins Ionenquellenvakuum erforderlich. Genauso werden in diesem Fall n + m Halbleiterschalter zum Umschalten zwischen den Schaltpotentialen benötigt.

Die Steuerung der Halbleiterschalter erfolgt wie im eindimensionalen Fall taktweise, d.h. in einem Takt wird eine Bitfolge von Schaltpotentialen Vz_i an die Zeilenschaltgittersegmente und eine Bitfolge Vs_j an die Spaltenschaltgittersegmente angelegt, was zur Erzeugung eines aus n × m Matrixpunkten bestehenden Beamletmusters nach (1) führt.

Durch die Wirkung der logischen Verknüpfung (1) können allerdings nicht beliebige Ionenstrahlprofile ausgegeben werden, sondern nur solche, die der Bedingung (1) genügen. Um beliebig geformte Ionenstrahlprofile auszugeben, macht sich eine Zerlegung des Soll-profils unter Berücksichtigung des Ist-Profils nach einem orthogonalen System von zweidimensionalen Basisfunktionen, die (1) genügen notwendig. Eine erfindungsgemäß günstige Lösung ergibt sich, wenn das Beamletmuster aus n × n Matrixpunkten besteht und als Basisfunktionen n × n zweidimensionale Walsh-Funktionen benutzt werden. Alle Basisfunktionen werden im Zeitverlauf hintereinander mit einer ihrer Intensität entsprechenden und zu bestimmenden Taktlänge ausgegeben. Mittels einer Transformation kann dann aus dem Sollprofil abgeleitet werden, mit welcher Taktlänge eine jede einzelne Basisfunktion zum Ionenstrahlprofil beiträgt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung können großflächige Ionenquellen geschaffen werden, die

– beliebige Ionenstrahlprofile auf programmierte Weise ausgeben können (z.B. ohne Wechsel mechanischer Teile o.ä.),
– keine zusätzlichen Verunreinigungen erzeugt werden, wie dies z.B. beim Einsatz von strahlprofilsteuernden Masken (Sputterabtrag an Masken und Rückstreuung) der Fall ist,
– im Fall einer Ionenstrahlprofilregelung können zusätzliche Strahlprofilbeeinflussungen wie Verformung der Beamlets in Abhängigkeit von Extraktionsspannungen usw. durch die Regelung in situ ausgeglichen werden,
– aufgrund der ausgezeichneten linearen Abhängigkeit von Pulslänge und zugehöriger Ionenmenge kann die lokale mittlere Ionenstromdichte in einem weiten Steuerbereich von ca. 5 .... 95% linear gesteuert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwölf in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1: ein Beamlet eines strahlprofilsteuerbaren Extraktionssystems mit drei Gittern im eingeschalteten (links) und ausgeschalteten Zustand (rechts) für eindimensionale Strahlprofilsteuerung,
2: ein Beamlet eines strahlprofilsteuerbaren Extraktionssystems mit vier Gittern im eingeschalteten (links) und ausgeschalteten Zustand (rechts) für zweidimensionale Strahlprofilsteuerung,
3: schematisch eine lineare Anordnung von strahlprofilgesteuerten Beamlets oder Beamletgruppen zur Erzeugung eines eindimensionalen Ionenstrahlprofils,
4: schematisch eine Anordnung, bei der eine eindimensionale strahlprofilgesteuerte Ionenquelle relativ zu einem Substrat bewegt wird, um ein zweidimensionales Ionenstrahlprofil während der Bewegung zu erzeugen
5: schematisch eine zweidimensionale matrixartige Anordnung von strahlprofilgesteuerten Beamlets oder Beamletgruppen zur Erzeugung eines zweidimensionalen Ionenstrahlprofils,
6: schematisch eine rotationssysmmetrische Anordnung von strahlprofilgesteuerten Beamlets oder Beamletgruppen zur Erzeugung eines rotationssysmmetrischen Ionenstrahlprofils,
7: den Blockschaltplan mit Spannungsversorgungen und Schaltern zum Schalten der Beamlets oder Beamletgruppen einer eindimensionalen Strahlprofilsteuerung,
8: den Blockschaltplan mit Spannungsversorgungen und Schaltern zum Schalten der Beamlets oder Beamletgruppen einer zweidimensionalen Strahlprofilsteuerung,
9: schematisch die Draufsicht auf eine eindimensional strahlprofilgesteuerte lineare Ionenquelle bestehend aus 11 Beamletgruppen zu je 14 Beamlets,
10: ein Beamlet eines strahlprofilsteuerbaren Extraktionssystems mit einem aus isolierendem Material bestehenden Zwischengitter, auf das Leiterbahnen zur separaten zweidimensionalen Strahlprofilsteuerung auf Ober- und Unterseite in Dünnschichttechnik aufgebracht sind,
11: schematisch eine matrixartige Anordnung von Zeilen- und Spaltengittern zur zweidimensionalen Strahlprofilsteuerung,
12: Zeitverlauf der getakteten Schaltspannungen einer Beamletgruppe für den Zustand auf 90% oder 10% Ionenstrom.
1 zeigt die Extraktion eines Beamlets (1) aus einem Plasma (5) einer Ionenquelle. Das Plasma befindet sich bzgl. der Extraktionspotentiale der Gitter (2, 3, 4) auf einem definierten Potential was durch die am Plasma befindliche Elektrode (6) gewährleistet wird. Die Fläche dieser Elektrode soll groß gegenüber der Gesamtfläche aller zu extrahierenden Beamlets sein. Die linke Seite von 1 zeigt den fall, in dem ein Beamlet extrahiert wird. Während das Screengitter (4) sich in der Nähe des Plasmapotentials befindet weisen das Segmentierte Schaltgitter (3) und auch das Acceleratorgitter (2) Potentiale auf, die beide negativ bzgl. des Plasmapotentials und des Screengitter sind. Als Folge davon wird ein Teilionenstrahl (Beamlet) im Extraktionskanal gebildet durch die konzentrisch angeordneten Löcher der Extraktionsgitter extrahiert. In 1 rechte Seite ist der Fall dargestellt, daß das Schaltgitter sich auf positivem Potential bzgl. des Plasmas und des Screengitters befindet. Es erfolgt keine Extraktion von Ionen am Plasma. Bei ausreichend positivem Potential kann aber statt dessen die Extraktion von Elektronen auf das Schaltgitter erfolgen. Das Acceleratorgitter, welches sich immer auf negativem Potential bzgl. des Plasma befindet, kann allerdings nicht von den Elektronen überwunden werden.
Analog zu 1 erfolgt die Beamletschaltung mit zwei segmentierten Schaltgittern, wie dies in 2 dargestellt ist. An Stelle des Schaltgitter (3) aus 1 sind jetzt zwei nacheinander folgende segementierte Schaltgitter (7) und (8) angeordnet. Eine erfindungsgemäß günstige Lösung ergibt sich, wenn die Segmentierung dieser beiden Gitter so ausgeführt ist, daß die Segmente Zeilen und Spalten einer Gittermatrix bilden. In 2 links ist wieder der Fall dargestellt, daß sich die Potentiale der Gitter (8, 7, 2) auf negativerem Potential bzgl. des Plasmas oder des Screengitters befinden, was eine Extraktion der Ionen zur Folge hat. Der gezeigte Teilionenstrahl (1) kann extrahiert werden. Befindet sich eines oder beide der segmentierten Schaltgitter (7, 8) auf positivem Potential bzgl. des Plasmas oder des Screengitters werden keine Ionen extrahiert (siehe 2 rechts).
3. zeigt, wie ein lineares Schaltgitter, wie es z.B. in einer linearen Ionenquelle deren Ionenstrahl einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, eingesetzt wird, wobei die Breite des Ionenstrahls klein gegenüber der Länge des Querschnitts ist. Das zugehörige Schaltgitter (9) entspricht in seinen Außenmaßen dem Accelerator- und Screengitter und weist die dargestellte Einteilung in Segmente (10) auf. Typisch sind Segmentbreiten von 10–30 mm, so daß z.B. eine lineare Ionenquelle von 60 cm Länge 20–60 Segmente aufweisen kann. Mittels der hier dargestellten Ionenstrahlprofilsteuerung kann dann z.B. das Ionenstrahlprofil in Längsrichtung einer solchen Ionenquelle z.B. bei Schichtabscheidung durch Ionenstrahlsputtern von Schichtmaterial von einem linearen Target so eingestellt werden, daß die Schichtabscheidung auf dem Substrat definiert homogen ist.
4 zeigt einen ähnlichen Anwendungsfall, bei dem unter einer linearen strahlprofilgesteuerten Ionenquelle (9), wie in 3 gezeigt ein Substrat (11) in der Richtung (13) mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird. Während das Ionenstrahlprofil durch Taktung der einzelnen Segmente in x-Richtung gesteuert werden kann, ergibt sich nun zusätzlich in Zusammenhang mit der Verfahrbewegung in y-Richtung die Möglichkeit, eine zweidimensionale Ionenstrahlbearbeitung auf dem Substrat (11) auszuführen. Neben der Erzielung ausgezeichneter Ionenstrahlhomogenität können so z.B. auch programmgesteuert Muster für die Ionenstrahlbearbeitung bereitgestellt werden.
Die in 4 gezeigte zweidimensionale Ionenstrahlbearbeitung kann auch ohne Verfahrbewegung auf einem feststehenden Substrat ausgeführt werden, wenn eine zweidimensional segmentierte Anordnung (14) verwendet wird. Es werden nun zwei Schaltgitter eingesetzt (wie in 2) dargestellt), die matrixartig zusammengesetzt sind und aus Zeilen- und Spaltengittersegmenten bestehen. Als Folge davon ergibt sich die Möglichkeit, wie in 5 gezeigt, jeden einzelnen Matrixpunkt in der x-y-Ebene (12) anzusteuern und so ein zweidimensionales Ionenstrahlpxofil auf einem Substrat (11) gesteuert auszugeben.
Neben den beiden bisher gezeigten Möglichkeiten der Ionenstrahlprofilsteuerung in kartesischen Koordinaten, kann die erfindungsgemäße Lösung auch zur Steuerung rotationssymmetrischer Ionenstrahlprofile verwendet werden, wie dies in 6 dargestellt ist. Ein kreisförmiges Substrat (11) ist unter einer Ionenstrahlquelle mit kreisförmigem Extrakti onssystem angeordnet. Das Extraktionssystem weist ein Schaltgitter wie in 1 gezeigt auf, das in radialer Richtung (15) in einzelne kreisringförmige Segmente aufgeteilt ist. Damit kann z.B. ein rotationssymmetrischer Ionenstrahl, der naturgemäß in radialer Richtung ein gaussförmiges Ionenstrahlprofil aufweist, so geformt werden, daß über einem definierten Substratdurchmesser ein radial homogenes Ionenstrahlprofil zur Verfügung steht.
7 zeigt schematisch das Prinzip der Potentialerzeugung für den Fall der eindimensionalen Strahlprofilsteuerung an einem Ionenquellengehäuse (17) einer linearen Ionenstrahlquelle. Zwei Spannungsquellen (18) bezeichnet mit U-on und U-off stellen bzgl. Masse die zum Ein- oder Ausschalten der Beamlets benötigten Potentiale bereit. Über Halbleiterschalter (19) (in 7 prinzipiell als Schalter dargestellt), werden die einzelnen Gittersegmente (3) des Schaltgitters wahlweise mit U-on oder U-off verbunden. Nicht dargestellt ist die Takt- oder Zeitsteuerung zum Takten der einzelnen Schaltvorgänge der Schalter (19).
8 zeigt analog zum eindimensionalen Fall aus 7 das Prinzip der Potentialerzeugung an einer 2D strahlprofilgesteuerten Ionenquelle. In 8 ist außerdem das Prinzip der Takterzeugung schematisch mit dargestellt. Eine z.B. rechteckförmige Ionenquelle mit dem Plasma (5) im Ionenquellengehäuse (17), wobei das Plasma durch die Plasmaelektrode (20) kontaktiert wird, ist mit einem segmentierten Extraktionssystem bestehend aus Acceleratorgitter (2), Screengitter (4) und den segmentierten Zeilen- und Spaltengittern (7) und (8) aufgebaut. Sowohl für die Schaltung der Zeilengitter als auch für die Schaltung der Spaltengitter wird ein Satz aus je zwei Spannungsquellen (18) mit je zwei Spannungen bzgl. Masse (U-on und U-off bereitgestellt, die für die Zeilen- und Spaltenschaltung unterschiedliche Werte aufweisen. Hat die zu schaltende Beamletmatrix m × n Beamlets, so weisen die Zeilenschalter (24) und Spaltenschalter (23) m bzw. n Schalter auf. Srceen- und Accerlatorgitter werden von der Spannungsversorgung (22) mit Gleichspannungen versorgt. Die Taktung der Schaltergruppen (23) und (24) erfolgt von einer Taktsteuerung (25), die von einem Steuer-PC (26) wiederum angesteuert wird, um die entsprechenden Bitmuster mittels der Schalter auszugeben. Typische Taktlängen in der ein so erzeugtes zweidimensionales Bitmuster existiert, sollten im Bereich von einigen μs bis zu Sekunden liegen.
9 zeigt als Beispiel die Draufsicht von der Ionenstrahlseite auf ein segmentiertes Schaltgitter einer linearen Ionenquelle. Zur besseren Ansicht ist das Extraktionssystem ohne Accerlatorgitter dargestellt. Über dem Screengitter (35) befindet sich das segmentierte Schalt gitter (z.B. aus 50 Segmenten ca. 20 mm breit), die jeweils eine bestimmte Anzahl von Löchern für Beamlets enthalten, die dadurch eine Beamletgruppe bilden.
10 zeigt eine erfindungsgemäße Lösung für ein zweidimensional strahlprofilgesteuertes Extraktionssystem, bei dem sich zwischen Screengitter (4) und Acceleratorgitter (2) ein aus einem isolierenden Stoff hergestelltes Zwischengitter (37) befindet. Solche Gitter können z.B. aus Aluminiumoxid oder -nitrid mittels Laserschneiden der Löcher hergestellt werden. Mittels Dünnschichttechnik werden auf der Oberseite (36) und Unterseite (38) strukturierte Leiterbahnen aufgebracht, die der für den 2D-Fall benötigten matrixartigen Segmentierung von Zeilen- und Spaltengitter entsprechen, d.h. z.B. die Unterseite (38) enthält eine segmentierte Spaltengitterschicht und die Oberseite (37) eine segmentierte Zeilengitterschicht.
11 zeigt als Beispiel eine matrixartige Anordnung zur 2D Strahlprofilsteuerung, bei der sich nur jeweils ein Beamlet (40) im Kreuzungsbereich von Zeilen- und Spaltengittern befindet. Durch die Wahl der angelegten Potentiale sind das Zeilengitter (42) und das Spaltengitter (43) auf öffnende Potentiale gelegt, was zur Folge hat, das das Beamlet (41) extrahiert wird. Alle anderen Zeilen- und Spaltengitter befinden sich auf geschlossenem Potential, was zu Folge hat, daß alle anderen Beamlets nicht extrahiert werden.
12 zeigt den Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit an einem segmentierten Schaltgitter einer eindimensional strahlprofilgesteuerten Ionenquelle. Abgeleitet von einem Grundtakt (12a)) kann das Pulsverhältnis zwischen hohem Potential (Beamlet geschlossen) und niedrigem Potential (Beamlet geöffnet) gesteuert werden. 12b) zeigt den Fall in dem 90% des Ionenstroms durchgelassen werden (Taktverhältnis 0.9) während 12c) den Fall zeigt, bei dem nur 10% des Ionenstroms durchgelassen werden.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und in den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

1: Ionenstrahl (Beamlet)
2: Acceleratorgitter
3: Schaltgitter
4: Screengitter
5: Plasma
6: Spannungshub
7: Zeilengitter
8: Spaltengitter
9: lineare strahlprofilsgesteuerte Ionenquelle
10: Gittersegment
11: Substrat
12: Koordinatensystem, y-Achse
13: Bewegungsrichtung, gesteuert durch Verfahrprogramm V(y)
14: 2D-strahlprofilgesteuerte Ionenquelle
15: Radius
16: radiales Gittersegment
17: Ionenquellenplasmagehäuse
18: DC-Netzteile der Schaltspannungen
19: programmierbare Beamletgruppenschalter
20: Plasmakontakt
21: elektrische Durchführung in das Vakuum
22: Extraktionsspannungsversorgung
23: Spaltenschaltgitter
24: Zeilenschaltgitter
25: 2D-Taktsteuerung
26: Steuer-Personalcomputer
27: Spannung Acceleratorgitter
28: Spannung Screengitter
29: Spannung Plasma
30: Masse
31: Spaltengitterspannung
32: Zeilengitterspannung
33: Schaltgittersegment mit Anordnung von Extraktionslöchern für Beamlets
34: Segmentiertes Schaltgitter (ca. 50 Segmente, ca. 20 mm breit)
35: Screengitter
36: Keramikträger für die leitenden Beschichtungen des Zeilen- und Spaltengitters
37: leitende Zeilengitterschicht
38: leitende Spaltengitterschicht
39: 2D-steuerbares Extraktionssystem
40: Beamlet
41: geöffnetes Beamlet
42: Zeile angesteuert auf „offen"
43: Spalte angesteuert auf „offen"

Claims

Anordnung zur Erzeugung eines Breitionenstrahls bestehend aus einer Anordnung zur Erzeugung eines Niedertemperaturplasmas im Druckbereich zwischen 10^–2 und 10^–5 mbar mit einem daran angeordneten aus mindestens drei Einzelgittern bestehenden Breitionenstrahlextraktionssystem zur Extraktion von Beamlets beliebiger Form wodurch eine Breitionenstrahlquelle gebildet wird dadurch gekennzeichnet, daß: – ein oder mehrere Gitter des Extraktionssystems aus örtlich getrennten Segmenten bestehen, die an je eine programmierter Spannungsversorgung angeschlossen sind, so daß die Ionenextraktion in jedem Segment separat beeinflusst werden kann, – das erste Extraktionsgitter (am Plasma befindliches Screengitter) sowie das letzte Extraktionsgitter (Ausgang zum Breitionenstrahl-Acceleratorgitter) nicht segmentiert sind und aus einem leitfähigen Stoff befindlich auf einem definierten Potential besteht.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Screen- und Acceleratorgitter nach Anspruch 1 ein segmentiertes Zwischengitter befindet, dessen Segmente ein oder mehrere Öffnungen für Beamlets beliebiger Form umfassen.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischengittersegmente entlang einer Geraden mit bestimmtem Abstand angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischengittersegmente Kreisringe darstellen, die konzentrisch um den Mittelpunkt des Extraktionssystems mit bestimmtem Abstand angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Screen- und Acceleratorgitter nach Anspruch 1 zwei segmentierte Zwischengitter befinden, deren Segmente ein oder mehrere Öffnungen für Beamlets beliebiger Form umfassen, so daß durch programmierte Potentialsteuerungen der Zwischengitter zweidimensionale Ionenstrahlprofile auf Substraten erzeugt werden können.
Anordnung nach Anspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischengittersegmente identisch sind und in Form von Zeilen- und Spaltensegmenten eine Matrix bilden, wobei sich im Kreuzungbereich der Zeilen- und Spaltensegmente ein oder mehrere Öffnungen für Beamlets befinden.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit Bewegungsrichtung senkrecht zur Richtung der linearen Anordnung der Zwischengitter nach Anspruch 3 relativ zur Ionenquelle bewegt wird und in Abhängigkeit vom zurückgelegten Verfahrweg des Substrats programmierte Potentialsteuerungen des Zwischengitters vorgenommen werden, so daß im Zeitverlauf zweidimensionale Ionenstrahlprofile auf Substraten erzeugt werden können.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß für alle Zwischengittersegmente ein identisches Potential bei dem Teilionenstrahlen in den Beamlets extrahiert werden und ein identisches Potential bei dem keine Teilionenstrahlen extrahiert werden jeweils programmiert an die Zwischengittersegmente angelegt werden, was zur definierten potentialgesteuerten Ein- oder Ausschaltung der Teilionenstrahlen eines jeden Zwischengitters führt.
Anordnung nach Anspruch 1, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils alle Zeilen- und Spaltensegmente eine Kombination aus identischen Potentialen angelegt wird, bei der Teilionenstrahlen in den betreffenden Beamlets im Kreuzungsbereich der Segmente nach Anspruch 6 extrahiert werden und eine Kombination aus identischen Potentialen angelegt wird, bei der keine Teilionenstrahlen in den betreffenden Beamlets im Kreuzungsbereich der Segmente nach Anspruch 6 extrahiert werden was zur definierten potentialgesteuerten Ein- oder Ausschaltung der Teilionenstrahlen eines jeden Matrixpunkts als Kreuzungsbereich der Zwischengitter führt.
Anordnung nach Anspruch 1, 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- oder Ausschaltung von einzelnen Beamlets oder Beamlet – Gruppen durch definierte Potentiale mit einem vorgegebenem Zeitraster erfolgt, das so gestaltet ist, daß durch das Verhältnis von Einschaltzeit der Beamlets oder Beamletgruppen zu Ausschaltzeit der Beamlets oder Beamletgruppen die zeitlich Bemittelte Ionenstromdichte der Beamlets oder der Beamletgruppen gesteuert werden kann.
Anordnung nach Anspruch 1 und 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Summe von Ein- und Ausschaltzeit nach Anspruch 10 klein gegenüber der Ionenstrahlprozesszeit ist, so dass die zeitlich Bemittelte Ionenstromdichte eines Beamlets oder einer Beamletgruppe vielen (mindestens 100) Einzelimpulsen besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, 5 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß ein zweidimensionales Beamletmuster mittels in Zeilen- und Spaltenform angeordneten Schaltgittern nach Anspruch 9 zur Steuerung eines aus n × m Beamlets bestehenden 2D Strahlprofils (n = 2, 3, 4, ...; m = 2, 3, 4, ...) mit einer Anzahl von n × m Steuerleitungen zum Anlegen der Schaltpotentiale nach Anspruch 9 durch elektrische Vakuumdurchführungen und Leitungen in das Vakuum der Ionenquellenvakuumkammer hinein angeschlossen wird.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischengitter zum Schalten der Beamlets oder Beamletgruppen als strukturierte Leiterbahnen aus leitfähigem Material aufgebracht auf ein oder zwei Seiten eines Trägers aus isolierendem Material bestehen.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mittels Messstellen, die um das Substrat herum oder darin integriert angeordnet sind, die aktuelle Ionenstromverteilung gemessen wird und einer Vorrichtung zugeleitet wird, die als Folge eines Soll – Ist Profilvergleichs mit einem vorzugebenden Sollprofil die Steuerung des Ionenstrahlprofils übernimmt.