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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung
von 3D-Strukturen
auf Materialien im Mikro- oder Nanometerbereich mittels Ionenstrahlen.
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Im
Bereich der Mikro- und Nano-Technologie sowie in der Mikroelektronik
erfolgt die Herstellung von Prototypen nach wie vor im Batch-Verfahren.
Dabei wird auf Siliziumwafer Fotolack aufgetragen, der mit Hilfe
von fotolithographischen Masken partiell belichtet wird. Nach dem
Entfernen des unbelichteten Fotolacks kann der Siliziumwafer an
den freien Stellen mit unterschiedlichen Verfahren, z.B. Aufbringen von
metallischen, halbleitenden und isolierenden Schichten sowie Ätzen zum
subtraktiven Strukturieren, bearbeitet werden. Diese Herstellungsverfahren sind – speziell
in der Entwicklungsphase von Bauteilen – sehr teuer und zeitaufwendig.
Dies hat mehrere Ursachen. Es werden sehr viele unterschiedliche
fotolithographische Masken benötigt.
Der apparative Aufwand zur Durchführung der einzelnen Prozesse ist
sehr hoch, da für
fast jeden Einzelprozess eine hochspezialisierte Anlage vorhanden
sein muss. Die Siliziumwafer müssen
in einem teuren Reinraum bearbeitet werden, um Kontamination und
Verschmutzung der Wafer mit Staub zu verhindern. In der Vergangenheit
wurden bereits Anstrengungen unternommen, diesen Nachteilen entgegenzuwirken.
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So
ist aus
US 6,419,652
B1 eine Vorrichtung bekannt, bei der die Oberfläche von
Substraten in einer Vakuumkammer chemisch bearbeitet wird. Dabei wird
einer Reaktionskammer, die sich in der Vakuumkammer befindet, über eine
Zuleitung von außerhalb der
Vakuumkammer ein Reaktionsgas zugeführt. Die Gaspartikel, die während der
Gasreaktion in der Reaktionskammer entstehen, werden durch ein Injektionsröhrchen als
Gasstrahl auf das Substrat geleitet, dessen Oberfläche auf
diese Weise verändert
wird.
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Außerdem sind
sogenannte Focused Ion Beam (FIB)-Systeme bekannt, mit denen ebenfalls die
Oberfläche
von Materialien in einer Vakuumkammer subtraktiv bearbeitet wird.
Außerdem
können Abscheidungen
des Ausgangsmaterials des Ionenstrahls vorgenommen werden Bei FIB-Systemen wird
ein Ionenstrahl erzeugt und über
die Materialoberfläche
gerastert. Um einen besonders feinen Ionenstrahl zu erzeugen, der
die Bearbeitung im Mikro- und Nanometerbeich ermöglicht, können bei der FIB nur bestimmte
Medien als Ionenquelle eingesetzt werden, d. h. es ist eine feine
Ionenquelle, wie z. B. Gallium, Indium oder Natrium, nötig. Dadurch
ist der Anwendungsbereich eingeschränkt, da nur die als Ausgangsmedium
eingesetzten Materialien abgeschieden werden können (z. B. kein Silizium).
Um die zu prozessierenden Medien von außerhalb des Vakuums zuführen zu
können,
ist die FIB mit dem Gehäuse
der Vakuumkammer verbunden. Außerdem
kann jeweils nur ein Medium prozessiert werden. Mischungen, die
nötig sind,
um unterschiedliche Materialien auf dem Substrat abzuscheiden, sind
nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
bereitzustellen, mit dem 3D-Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich
unterschiedlichster Materialzusammensetzungen maskenlos realisiert
werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer
Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst,
bei der in einer Vakuumkammer eine Medienkammer zum Bevorraten eines
oder mehrerer Medien, eine Reaktionskammer zur Erzeugung eines Ionenstrahls
aus dem der Reaktionskammer von der Medienkammer zugeführten Mediums
oder Mediengemisches und eine Auskoppelvorrichtung zum Auskoppeln
eines Ionenstrahls aus der Reaktionskammer in Richtung des zu bearbeitenden
Materials angeordnet sind, wobei Winkel und Orientierung zwischen
dem Ionenstrahl und dem Material zueinander einstellbar sind. Ein
entsprechendes Verfahren ist in Anspruch 9 angegeben. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Material im Mikro- und Nanometerbereich
so zu bearbeiten, dass 3D-Nanostrukturen unterschiedlichster Materialzusammensetzungen
realisiert werden können.
Eine Medienkammer, z. B. ein Tank, beinhaltet ein oder mehrere zu
prozessierende Medien, die sich ionisieren lassen und/oder mit denen
sich Material bearbeiten lässt.
In der Reaktionskammer, die mit der Medienkammer verbunden ist,
wird durch vollständiges
oder teilweises Ionisieren des zugeführten Mediums oder Mediengemisches
aus der Medienkammer ein Plasma erzeugt, um einen Ionenstrahl zu
erzeugen. Dies kann z. B. mittels eines elektrischen Lichtbogens
oder Laser erfolgen. Durch die Verwendung verschiedener Medien oder
Mediengemische können unterschiedliche
Materialien, z. B Halbleiter, Metalle oder Isolatoren, auf unterschiedliche
Weise bearbeitet, z. B. abgeschieden, abgelagert oder subtraktiv bearbeitet,
werden. In der Reaktionskammer sind somit Prozesse sowohl zur chemischen
als auch physikalischen Bearbeitung des Substrats möglich. Über eine
Auskoppelvorrichtung, z. B. eine Ionenoptik oder eine Blende, wird
ein Ionenstrahl ausgekoppelt und auf das zu bearbeitende Material
gelenkt, um dieses lokal begrenzt zu bearbeiten. Winkel und Orientierung
zwischen Ionenstrahl und Material sind zueinander veränderbar
und einstellbar. Durch den modularen Aufbau und die Anordnung innerhalb
der Vakuumkammer, wird die Flexibilität des Aufbaus erheblich erhöht. Der
apparative Aufwand beschränkt sich
auf wenige Baugruppen und wird somit gegenüber dem herkömmlichen
Aufwand minimiert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Vakuumkammer Teil eines
Rasterelektronenmikroskopes. Dadurch ist es möglich, die Materialbearbeitungsprozesse
zu beobachten, ohne zusätzliches Gerät zu verwenden.
Dies wirkt sich kosten- und platzsparend aus.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen der Medienkammer und der
Reaktionskammer wenigstens im Betrieb ein Druckgefälle vorgesehen,
um das Medium oder die Medien aus der Medienkammer der Reaktionskammer
zuzuführen.
Auf diese Weise gewinnt die Anordnung an Flexibilität, da keine
zusätzlichen
Mechanismen benötigt
werden, um das Medium oder die Medien aus der Medienkammer in die
Reaktionskammer zu befördern.
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Ferner
sind in einer Ausgestaltung die Medienkammer, die Reaktionskammer
und die Auskoppelvorrichtung beweglich gelagert, insbesondere auf einer
mobilen Plattform, um Winkel und Orientierung des Ionenstrahls einzustellen.
Bevorzugt ist die Auskoppelvorrichtung ferner zur Auskopplung und
Einstellung von Winkeln und Orientierung des Ionenstrahls ausgestaltet.
Auf diese Weise wird die Bearbeitung des Materials aus nahezu allen
Richtungen ermöglicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Auskoppelvorrichtung eine Ionenoptik
zum Fokussieren des Ionenstrahls mittels elektrischer und/oder magnetischer
Felder. Dies ermöglicht
die Erzeugung besonders feiner Ionenstrahlen im Nanometerbereich. Alternativ
kann die Auskoppelvorrichtung als einfache Blende zum Auskoppeln
des Ionenstrahls ausgestaltet sein.
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Ferner
beinhaltet die Medienkammer bevorzugt mehrere Kammern zum Bevorraten
mehrerer Medien. Dadurch können
je nach Bedarf unterschiedliche Mediengemische realisiert werden,
die eine Bearbeitung unterschiedlicher Materialien, z. B. Metalle,
Halbleiter, Isolatoren, und auf unterschiedliche Weise, z. B. Abtragen
oder Ablagern, ermöglichen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Herstellung von 3D-Strukturen sowie eine Steuereinheit und eine
Vakuumpumpe.
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Innerhalb
einer Vakuumkammer VK befindet sich das zu prozessierende Substrat
SU auf einem Probenhalter PH. Außerdem befinden sich ebenfalls in
der Vakuumkammer VK eine Medienkammer MR, eine Reaktionskammer RK
und eine Auskoppelvorrichtung IO, in diesem Ausführungsbeispiel eine Ionenoptik.
Die Medienkammer MR, die Reaktionskammer RK und die Auskoppelvorrichtung
IO sind miteinander verbunden. In der Medienkammer MR befinden sich
ein oder mehrere zu prozessierende Medien im flüssigen oder festen Zustand,
die sich ionisieren lassen und mit denen sich Material bearbeiten
lässt,
insbesondere durch additive oder subtraktive Prozesse auf der Substratoberfläche. Dabei
handelt es sich vorzugsweise um Stoffe, die bei einer bestimmten
stoffabhängigen
Temperatur aus dem flüssigen
oder festen Zustand in den gasförmigen
Zustand übergehen.
Dies können
z. B. metallo-organische Substanzen, insbesondere Wolframhexacarbonyl
oder kobalthaltige Stoffe, sein, da sich diese leicht in der Medienkammer
deponieren lassen. Es sind aber auch andere Stoffe, wie z. B. Gallium,
möglich. Das
Medium oder Mediengemisch geht in der Medienkammer in den gasförmigen Zustand über und wird – bevorzugt über ein
Druckgefälle – der Reaktionskammer
RK zugeführt.
In der Reaktionskammer RK wird das Medium oder Mediengemisch vollständig oder
teilweise ionisiert und ein Plasma gebildet, z. B. mittels eines
elektrischen Lichtbogens durch das Anlegen zweier Elektroden.
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Die
Auskoppelvorrichtung IO fokussiert und lenkt die Ionen aus der Reaktionskammer
RK in Form eines Ionenstrahls IS auf das Substrat SU, z.B. einen Siliciumwafer
oder eine Glasplatte. Die Position des Ionenstrahls IS kann dabei
in Winkel und Orientierung eingestellt werden. Dies kann bevorzugt
dadurch realisiert sein, dass Medienkammer MR, Reaktionskammer RK
und Auskoppelvorrichtung IO beweglich gelagert sind, um Winkel und
Orientierung des Ionenstrahls IS einzustellen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist dies durch eine mobile Plattform MP realisiert, die innerhalb
der Vakuumkammer VK in der horizontalen Ebene bewegt werden kann und
auf der Medienkammer MR, Reaktionskammer RK und Auskoppelvorrichtung
IO so angebracht sind, dass die Richtung des Ionenstrahls IS durch
Bewegung um eine vertikale Achse und ggf. auch um einen horizontale
Achse einstellbar ist. Auf diese Weise ist der Ionenstrahl IS frei
in der Vakuumkammer VK bewegbar. Durch die Positionsveränderung
kann auch die Spotgröße des Ionenstrahls
IS auf dem Substrat SU bestimmt werden.
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Bevorzugt
handelt es sich, wie vorliegend, bei der Vakuumkammer VK um die
Vakuumkammer eines Rasterelektronenmikroskopes, so dass mit Hilfe
des Elektronenstrahls ES der Prozess beobachtet werden kann. Ferner
wird bevorzugt der Prozess, wie vorliegend, mittels eines PCs als
Steuereinheit PC gesteuert. Dabei umfasst die Prozessteuerung die Lageregelung
des Ionenstrahlspots über
die mobile Plattform. Das Vakuum in der Vakuumkammer VK wird im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
durch eine Vakuumpumpe PU erzeugt.
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Wie
vorstehend erläutert
sind dies Möglichkeiten
der Umsetzung der Erfindung, auf die die Erfindung aber nicht beschränkt ist.
Beispielsweise ist weiterhin denkbar, dass die Medienkammer MR aus mehreren
Kammern für
unterschiedliche Medien besteht, die unterschiedlich angesteuert
werden können.
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Das
Druckgefälle
zwischen Medienkammer MR, Reaktionskammer RK, Auskoppelvorrichtung
IO und Vakuumkammer VK, das z. B. im Bereich von 10–6 bis
100mbar liegt, kann durch unterschiedliche Partialdrücke zwischen
Medienkammer MR, Reaktionskammer RK und Auskoppelvorrichtung IO
realisiert sein, die z. B. durch Temperaturerhöhung, Volumenverkleinerung
und/oder chemische Reaktionen der Teilchen entstehen können. Der
Ionenstrahl IS kann durch den Druckunterschied zwischen Auskoppelvorrichtung
IO auf das Substrat SU zustande kommen.
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In
der Reaktionskammer RK müssen
nicht notwendigerweise chemische oder physikalische Prozesse ablaufen,
z. B. können
Medien auch auskondensiert werden.
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Bei
der Auskoppelvorrichtung IO kann es sich auch um eine Blende handeln,
mit der Ionenstrahlen, z. B. in der Größenordnung von 100 μm oder kleiner,
ausgekoppelt werden können.
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Statt
einer mobilen Plattform MP, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel,
kann auch ein andersartiger Antrieb zur Anwendung kommen. Es ist
z. B. auch denkbar, dass die Richtung des Ionenstrahls IS durch
die Auskoppelvorrichtung IO gesteuert wird. Dies kann z. B. durch
elektrische oder magnetische Felder realisiert sein. Zusätzlich oder
alternativ zur Einstellbarkeit der Richtung des Ionenstrahls IS
kann auch das Substrat SU so angebracht sein, dass seine Position
einstellbar ist.
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Durch
die Erfindung wird also erreicht, dass unterschiedliche Materialien
im Mikro- und Nanometerbereich bearbeitet werden können. Außerdem werden
die Kosten zur Prototypenherstellung minimiert und es entfällt die
zeitaufwendige Herstellung von Masken, sowie die Abstimmung und
Optimierung der Einzelprozesse aufeinander. Gleichzeitig ist es durch
den modularen Aufbau möglich,
die Flexibilität des
Aufbaus erheblich zu erhöhen.