DE102005017632A1 - Method of controlling local etching or deposition in modification of surfaces with pulsed determination of a removal or deposition profile ion streams useful in the high accuracy forming of optical component surfaces involving - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der lokalen Ätz- oder Abscheiderate bei der Modifikation von Substratoberflächen mit elektrisch gepulsten Ionenstrahlen.The The invention relates to a method for controlling the local etching or Separation rate in the modification of substrate surfaces with electrically pulsed ion beams.
Ionenstrahlbearbeitungsprozesse werden in immer stärkeren Maße Bestandteil der Bearbeitungstechnologie zur Herstellung hochpräziser Oberflächen optischer, elektronischer und mechanischer Bauelemente. Mittels der Ionenstrahlen lässt sich sowohl Material durch Abstäuben in der Tiefe hochgenau lokal abtragen als auch eine Schicht eines gewünschten Materials bezüglich der Dicke hochgenau auf einem Substrat abscheiden.Ion beam machining processes are getting stronger and stronger Dimensions component machining technology for producing high-precision surfaces of optical, electronic and mechanical components. By means of ion beams let yourself both material by dusting Highly accurate local ablation as well as a layer of one desired Materials re the thickness of highly accurate deposition on a substrate.
Die Ätz- oder die Abscheiderate muss dabei an bestimmte Anforderungen angepasst sein. Im Beispiel der Planarisierung der Oberfläche einer Probe ist es erforderlich, für jedes Oberflächensegment einen Abtrag entsprechend der Ausgangstopologie zu erreichen, damit nach der Bearbeitung eine möglichst ebene Fläche erzeugt wird. Im Falle der Abscheidung kann es erforderlich sein, bestimmte lokale Strukturen auf einer Substratoberfläche durch entsprechende lokal einzustellende Depositionsraten zu erzeugen.The etching or the rate of deposition must be adapted to specific requirements be. In the example of planarizing the surface of a sample, it is necessary to for each surface segment to achieve a removal according to the initial topology, so after processing one possible flat surface is produced. In the case of deposition, it may be necessary certain local structures on a substrate surface to generate corresponding locally adjustable deposition rates.
Die derzeit erfolgreichste und meist angewandte Technologie um Oberflächen nach obigen Verfahren zu prozessieren, ist das computerkontrollierte Abfahren der Oberfläche mit einem Ionenstrahl mit gaußförmig verteilter Ionenstromdichte (Ionenstrahlätzen) oder einem ionenstrahlgenerierten gaußförmig verteiltem Teilchenstrahl (Beschichtung) Zeile für Zeile mit einer Geschwindigkeit proportional zum gewünschtem Abtrag bzw. Auftrag. Diese Methode wird Verweilzeitmethode genannt. Es zeigen:The currently the most successful and most applied technology around surfaces The above process is the computer controlled one Departure of the surface with an ion beam with Gaussian distributed Ion current density (ion beam etching) or an ion beam-generated Gaussian particle beam (Coating) line for Line at a speed proportional to the desired Removal or order. This method is called residence time method. Show it:
Um eine Aufrauung der Oberfläche zu vermeiden, sollte der Spurabstand ein Bruchteil der Ausdehnung (Halbwertsbreite) des Ionenstrahls/Teilchenstrahls sein. Die Ausdehnung des Ionenstrahles sollte wiederum kleiner als ein Zehntel der Abmessungen der zu bearbeitenden Oberfläche sein, wie es unter anderem in der folgenden Literatur dargelegt wird:
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Zum Einsatz kommen Edelgasionen, bevorzugt Ar+, sowie reaktive Spezies, insbesondere für die Strukturübertragung in harte Materialen, zum Teil unter Verwendung von Lackmasken für strukturierte Oberflächen.Use is made of noble gas ions, preferably Ar.sup. + , As well as reactive species, in particular for the structure transfer into hard materials, in part using lacquer masks for structured surfaces.
Derzeit
werden bei der Oberflächenmodifizierung
Ionenstrahlen mit hoher zeitlicher Konstanz der Stromdichte über die
gesamte Prozessdauer genutzt, um einen vorgegebenen präzisen lokalen
Substrat-Abtrag oder eine Substrat-Deposition zu erreichen, wie
es zum Beispiel in den Dokumenten
Die Verweilzeit des Ionenstrahles/Teilchenstrahls auf dem jeweiligen Oberflächensegment der Probe wird dabei mit mechanischen Positioniersystemen gesteuert und liegt im Bereich von mindestens einigen Zehntel Millisekunden. Die dem Stand der Technik entsprechenden Antriebs- und Positioniersysteme sind typischerweise elektromotorisch angetriebene Lineartische. Diese Bewegungssysteme können nur eine bestimmte Obergrenze für die auftretenden Beschleunigungen und die mit der Massenträgheit der bewegten Apparateteile verbundenen Energieänderungen für die jeweiligen Probenpositionen aufbringen.The Residence time of the ion beam / particle beam on the respective surface segment The sample is controlled by mechanical positioning systems and is in the range of at least a few tenths of a millisecond. The state of the art drive and positioning systems are typically electric motor driven linear tables. These movement systems can only a certain upper limit for the occurring accelerations and with the inertia of the moved apparatus parts associated energy changes for the respective sample positions muster.
Ein weiteres Problem bereitet der Dynamikbereich der Bewegungssysteme. Durch die unzureichend genaue Einstellung kleiner Geschwindigkeitsdifferenzen kommt es zum Beispiel zu einem nicht unterschreitbaren Minimalkontrast in der Bearbeitungsrate zwischen zwei benachbarten Oberflächensegmenten und damit zu einem Fehler in der erreichbaren Güte des idealen Abtrags oder der idealen Beschichtung.One Another problem is the dynamic range of the motion systems. Due to the insufficiently accurate setting of small speed differences For example, it comes to a not undershot minimum contrast in the machining rate between two adjacent surface segments and thus an error in the achievable quality of the ideal removal or the ideal coating.
Die technisch noch oben beschränkte Geschwindigkeit der Bewegungssysteme führt bei der Verweilzeitmethode und der Verwendung eines Dauerstrich-Ionenstrahles zu einem für den entsprechenden Prozess nicht notwendigen Abtrag oder einer nicht notwendigen Beschichtung. Im Falle einer Ätzung eines Substrates kommt es bei der Verweilzeitmethode zu einem so genannten Sockelabtrag. Der Sockelabtrag ist durch das Verhältnis von maximaler lokaler Geschwindigkeit und Ätzrate definiert. Der Sockelabtrag bedeutet, dass es zu einem nicht unterschreitbaren Minimalabtrag am Substrat pro Bearbeitungsgang kommt. Für bestimmte Substrate ist daher eine Nachbearbeitung nicht beliebig oft wiederholbar.The speed of the motion systems, which is still technically limited above, leads to a retention process which is not necessary for the corresponding process or an unnecessary coating in the residence time method and the use of a continuous wave ion beam. In the case of an etching of a substrate, the residence time method results in a so-called base removal. The base removal is by the ratio of maximum local speed and etch rate defined. The base removal means that the minimum removal on the substrate per machining operation can not be undershot. For certain substrates, post-processing is therefore not repeatable as often as desired.
Daher wäre ein weiterer Prozessparameter zur Einstellung der lokalen Ätz- oder Depositionsrate ein wichtiger Schritt, um zu einer Lösung für diese beschriebenen Schwierigkeiten zu gelangen [1].Therefore would be a additional process parameters for setting the local etching or Deposition rate is an important step to find a solution for this [1].
Im Dokument WO02/095085 wird in Unteranspruch 9, beziehungsweise auf Seite 8, Zeile 25/26 neben der Verweilzeit zur Steuerung der lokalen Ätzrate auch die Variation der Stromdichte der Dauerstrich-Ionenquelle als ein weiterer unabhängiger Prozessparameter vorgeschlagen.in the Document WO02 / 095085 is in dependent claim 9, respectively Page 8, lines 25/26 in addition to the residence time for controlling the local etching rate also the variation of the current density of the continuous wave ion source as a another independent Process parameters proposed.
Eine Änderung
der Stromdichte ist zum Beispiel durch die Änderung der Gittergeometrie,
des Arbeitsabstandes, und bestimmter Betriebsparameter (elektrische
Plasmaleistung, Gasdurchfluss) des Dauerstrich-Ionenstrahles auf
der Probe erreichbar. Die Änderung
der Stromdichte hat einerseits einen nichtlinearen Einfluss auf
die Ätz-
beziehungsweise Depositionsrate. Zum anderen bedeutet die Änderung
der Stromdichte der Ionenquelle auch eine Änderung der Verteilung der
Stromdichte, also der Werkzeugfunktion (
Die Aufgabe der Erfindung bestand somit darin, ein Verfahren anzugeben, dass es erlaubt, die beschriebenen bisher auftretenden prozesstechnischen Beschränkungen, zum Beispiel durch den mechanisch vorgegebenen Dynamikbereich der Bewegungssysteme oder die physikalischen Eigenschaften der Ionenquelle, zu vermindern oder aufzuheben.The The object of the invention was thus to specify a method that it allows the previously described procedural restrictions, for example, by the mechanically specified dynamic range of Motion systems or the physical properties of the ion source, to diminish or cancel.
Erfinderischer SchrittInnovative step
Durch die Verwendung eines elektrisch geschalteten Ionenstrahls anstelle des bislang verwendeten Dauerstrich-Ionenstrahls und der Kombination der Pulsdauer des elektrisch geschalteten Ionenstrahls mit der physikalischen Verweilzeit des Ionenstrahls für das jeweilige lokale Oberflächensegment der Probe wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst.By the use of an electrically switched ion beam instead the continuous wave ion beam used so far and the combination of Pulse duration of the electrically switched ion beam with the physical Residence time of the ion beam for the respective local surface segment of Sample this object is achieved according to the invention.
Es wird ein elektrisch geschalteter Ionenstrahl verwendet, dessen Pulsdauer auf die für die jeweilige Probenposition vorgegebene Oberflächenänderung entsprechend äußerer vorgegebener Kriterien optimal abgestimmt ist. Ein Kriterium für die Optimierung kann dabei die Minimierung der Gesamtprozesszeit sein, oder die Minimierung des gesamten Energieeintrages oder die Minimierung des Sockelabtrages oder eine Kombination aus diesen Optimierungs-Kriterien.It an electrically switched ion beam is used whose pulse duration on the for the respective sample position predetermined surface change according to outer predetermined Criteria is optimally attuned. A criterion for optimization may be the minimization of the total process time, or the Minimizing the total energy input or minimizing the Socket removal or a combination of these optimization criteria.
Diejenigen Stellen der Probe, für die eine geringere Änderung vorgesehen ist, werden mit geringerer Verweilzeit und gleichzeitig kürzeren Pulsdauern des Ionenstrahls bearbeitet, während diejenigen Stellen der Probe, für die ein größerer Materialabtrag vorgesehen ist, mit entsprechend größerer Verweilzeit und längeren Pulsdauern des Ionenstrahls bearbeitet werden.Those Make the sample, for the one less change is provided, with less residence time and at the same time shorter Pulse durations of the ion beam processed, while those places the Sample, for which provided a larger material removal is, with a correspondingly longer residence time and longer Pulse durations of the ion beam are processed.
Vorteileadvantages
Die beiden Prozessparameter (Verweilzeit des Ionenstrahls auf dem Oberflächensegment und die Pulsdauer des Ionenstrahles) können voneinander frei und unabhängig eingestellt werden. Dabei kann für jedes lokale Oberflächensegment der Probe ein auf äußere Anforderungen optimal abgestimmtes Wertepaar dieser beiden Prozessparameter berechnet, für die Anlagensteuerung programmiert und realisiert werden. Somit ergibt sich ein zweidimensionaler Optimierungsraum gegenüber der früheren eindimensionalen Möglichkeit der Prozessoptimierung, die bislang allein über die Verweilzeit des Dauerstrich-Ionenstrahles über dem jeweiligen Oberflächensegment der Probe erfolgte. Diese zweidimensionale Freiheit in der Optimierung bedeutet bereits einen erheblichen Qualitätssprung in der Prozessführung und der Dynamik des Systems. Diese neue Qualität in der Optimierung des Ätzprozesses zeigt sich zum Beispiel hinsichtlich der gesamten Prozesszeit, und somit der Ausnutzung der Anlage beziehungsweise der Belastung und Abnutzung ihrer mechanischen Komponenten.The both process parameters (residence time of the ion beam on the surface segment and the pulse duration of the ion beam) can be set freely and independently of each other become. It can for every local surface segment the sample on external requirements calculated optimally matched value pair of these two process parameters, for the System control can be programmed and realized. Thus results a two-dimensional space for optimization compared to the earlier one-dimensional possibility the process optimization, which so far alone on the residence time of the continuous wave ion beam over the respective surface segment the sample was made. This two-dimensional freedom in optimization already means a significant leap in quality in litigation and the dynamics of the system. This new quality in the optimization of the etching process shows, for example, in terms of the total process time, and thus the utilization of the plant or the load and Wear of their mechanical components.
Ein wichtiger Vorteil ist die relativ einfache Zugänglichkeit und leichte Steuerbarkeit dieser Prozessparameter, im Gegensatz zur Änderung der Ionenstromdichte einer Dauerstrich-Ionenstrahlquelle, wie es im Dokument WO02/095085 vorgeschlagen wird. Die Variation der Stromdichte der Ionenquelle hat einen erheblichen Einfluss auf die Verteilung der Stromdichte und damit auf die Werkzeugfunktion, sowie auch auf die Ätz- oder Depositionsrate und kann daher in – situ nicht verwendet werden.One important advantage is the relatively easy accessibility and easy controllability this process parameter, as opposed to changing the ion current density a continuous wave ion beam source as described in document WO02 / 095085 is proposed. The variation of the current density of the ion source has a significant impact on the distribution of current density and thus on the tool function, as well as on the etching or Deposition rate and therefore can not be used in situ.
Demgegenüber hat die elektrische Schaltung des Ionenstrahles mittels der Schaltung der Ionen-Extraktions- oder/und Beschleunigungsspannung den Vorteil der Variation des Leistungseintrages bei konstanter Werkzeugfunktion allein durch die technisch relativ einfache Variation der Pulsdauer.In contrast, has the electrical circuit of the ion beam by means of the circuit the ion extraction or / and accelerating voltage has the advantage the variation of the power input with constant tool function solely by the technically relatively simple variation of the pulse duration.
Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der bislang genutzten Verweilzeit des Ionenstrahles auf dem jeweiligen Oberflächensegment der Probe zur Einstellung der lokalen Bearbeitungsrate ist die Verbesserung der minimalen Kontrasthöhe und die Reduzierung des globalen Sockelabtrages. Zur Erzeugung eines lokal unterschiedlichen Abtrages, oder einer lokal unterschiedlichen Deposition, wird die Probe oder der Ionenstrahl mit mechanischen Positioniersystemen bewegt. Aufgrund der technisch begrenzten Dynamik dieser mechanischen Systeme beträgt die minimale Verweilzeit pro Oberflächensegment typischerweise mindestens einige Zehntel Millisekunden. Durch die Verwendung eines geschalteten Ionenstrahles kann nun die zeitlich gemittelten Ionenstrahlintensität verringert werden, so dass die minimale lokale Verweilzeit erhöht werden kann. Dadurch können die verwendeten Positioniersysteme besser in ihrem optimalen Dynamikbereich verwendet werden. Gleichzeitig kann der Sockelabtrag bei gleicher Bearbeitungsrate oder die gesamte Prozesszeit verringert werden.One significant advantage over the previously used residence time of the ion beam on the respective surface segment the sample for adjusting the local machining rate is the improvement the minimum contrast height and the reduction of the global base debit. To generate a locally different discounts, or a locally different one Deposition, the sample or ion beam is mechanical Moving positioning. Due to the technically limited dynamics of these mechanical systems is the minimum residence time per surface segment typically at least a few tenths of a millisecond. By using a switched ion beam can now reduce the time-average ion beam intensity so that the minimum local dwell time can be increased can. Thereby can the positioning systems used better in their optimal dynamic range be used. At the same time, the base removal at the same Machining rate or the entire process time can be reduced.
Die dem Stand der Technik entsprechenden eingesetzten Bewegungssysteme können nur eine bestimmte Obergrenze für die auftretenden Beschleunigungen und die mit der Massenträgheit der bewegten Apparateteile verbundenen Energieänderungen für die jeweiligen Probenpositionen aufbringen. Dieses Problem führt dazu, dass es bislang ebenfalls zu Einschränkungen bei der minimalen gesamten Prozesszeit (Kostenfaktor) kam. Durch die aufeinander angepasste gleichzeitige Verwendung von Verweilzeit und Pulsdauer als Prozessparameter kann die von einem Oberflächensegment zum benachbarten nächsten Oberflächensegment auftretende Beschleunigung beziehungsweise mechanische Energieänderung des Positionierungssystemes verringert werden. Dadurch kann die Geschwindigkeit der Probe oder des Ionenstrahles gleichmäßiger gestaltet werden und der gesamte Prozess verläuft moderater, so dass sich eine längere Lebensdauer der Komponenten des Positionierungssystemes ergibt.The the prior art used motion systems can only a certain upper limit for the occurring accelerations and those with the inertia of the moving Apparatus parts associated energy changes for the respective sample positions muster. This problem leads It also has limitations on the minimum total Process time (cost factor) came. Through the matched simultaneous use of dwell time and pulse duration as a process parameter can that of a surface segment to the next one surface segment occurring acceleration or mechanical energy change of the positioning system can be reduced. This allows the Speed of the sample or the ion beam more uniform and the whole process is more moderate, so that a longer one Life of the components of the positioning system results.
Von Vorteil ist die Steuerung der Intensität der Ionenstrahlen durch die Verwendung einer geschalteten Ionenquelle auch mit Hinblick auf den Leistungseintrag und die unerwünschte Erwärmung der Probe. Weiterhin kann die Ionenquelle (mit einem Tastverhältnis von 0,0) auch komplett abgeschaltet werden, etwa, wenn der Ionenstrahl ohne Ausführung einer Bearbeitung von einer Position auf eine andere Position der Probe geführt werden muss, ohne Probenbereiche zu beschichten oder zu ätzen (Teilflächenbearbeitung). Durch die Möglichkeit einer der Werkzeugfunktion angepassten Einschaltung durch langsame Pulsbreitenvariation wird die Teilflächenbearbeitung optimal ermöglicht. Die Möglichkeit der Abschaltung des Ionenstrahles ist bei der Verwendung von Ionenstrahlen mit gaußförmigem Stromdichteprofil insbesondere auch an den Randbereichen der Probe von Vorteil. Da mit einem Dauerstrich-Ionenstrahl mindestens auf eine Entfernung von der dreifachen Halbwertsbreite von der zu bearbeitenden Position weggefahren werden muss, damit keine unerwünschte Veränderung der Probenoberfläche erzeugt wird, verringert eine elektrische Abschaltung des Ionenstrahles die effektive Rasterfläche und spart Fahrweg und Prozesszeit ein und ermöglicht die Durchführung der Bearbeitung der Probe in einem kleineren Gerätevolumen. Eine verringerte Apparategröße, insbesondere ein kleineres Kesselvolumen ist ökonomisch ein wichtiger Vorteil. Insgesamt ergibt sich durch die Verwendung eines geschalteten Ionenstrahles anstelle eines Dauerstrich-Ionenstrahles auch eine höhere probenzahlbezogene Lebensdauer der Ionenquelle.From The advantage is the control of the intensity of the ion beams through the Use of a switched ion source also with regard to the power input and the unwanted heating of the sample. Farther The ion source (with a duty cycle of 0.0) can also be complete be switched off, for example, if the ion beam without running a Machining from one position to another position of the sample guided must be coated without coating or etching sample areas (surface treatment). By the possibility one of the tool function adapted activation by slow Pulse width variation optimizes the surface treatment. The possibility of Shutdown of the ion beam is when using ion beams with gaussian current density profile especially at the edge regions of the sample of advantage. There with a continuous wave ion beam at least at a distance of the triple half width of the position to be machined must be moved away, so that no unwanted change in the sample surface generated is reduced, an electrical shutdown of the ion beam the effective grid area and saves travel and process time and enables the implementation of the Processing the sample in a smaller device volume. A reduced Apparatus size, in particular a smaller boiler volume is economical an important advantage. Overall, this results from the use a switched ion beam instead of a continuous wave ion beam also a higher one sample number lifetime of the ion source.
Durch die Regelung des Tastverhältnisses können weiterhin Leistungs- und Stromdichteschwankungen der Ionenquelle innerhalb eines vorgesehenen Fehlerbereiches kompensiert werden, wie sie zum Beispiel durch thermische Driften auftreten können. Dazu kann der zeitlich gemittelte Quellen – Emissionsstrom als Messgröße verwendet und das Tastverhältnis so eingeregelt werden, dass der Quellen – Emissionsstrom und damit die zeitlich gemittelte Ionenstromdichte unter Beibehaltung der sonstigen Prozessparameter konstant gehalten wird.By the control of the duty cycle can continue Power and current density variations of the ion source within a designated error range are compensated, as they are for Example can occur due to thermal drift. This can be the time averaged sources - emission current used as a measured variable and the duty cycle be adjusted so that the source - emission current and thus the time averaged ion current density while maintaining the other process parameters is kept constant.
Die
elektrische Schaltung des Ionenstrahls hat weiterhin den Vorteil,
im Vergleich zu den bekannten mechanischen Schaltern (Shutter) von
Ionenstrahlen, erheblich trägheitsloser
zu sein. Ein mechanischer Shutter, wie er zum Beispiel in dem Dokument
Weiterhin bietet die Verwendung eines elektrisch geschalteten Ionenstrahles die Möglichkeit der räumlichen Steuerung der Neutralisation. Wählt man eine Tastfrequenz so, dass die gleichzeitige Ankunft von negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Ionen auf der Substratoberfläche unter Berücksichtigung des Probenabstandes und der unterschiedlichen Flugzeiten der einzelnen Teilchenpakete ermöglicht wird, so ergibt sich am Ort des bearbeiteten Oberflächensegmentes gerade die besonders bei isolierenden dielektrischen Proben notwendige vollständige Neutralisation der Ionen. Vorteilhaft ist die zusätzliche Möglichkeit der Steuerung der Neutralisation durch die Verwendung von Teilpulsen verschiedener Polarität und Höhe.Furthermore, the use of an elek trically switched ion beam, the possibility of spatial control of neutralization. If one chooses a sampling frequency in such a way that the simultaneous arrival of negatively charged electrons and positively charged ions on the substrate surface is made possible, taking into account the sample distance and the different flight times of the individual particle packets, then the location of the processed surface segment is precisely the case for insulating dielectric samples necessary complete neutralization of the ions. Advantageous is the additional possibility of controlling the neutralization through the use of partial pulses of different polarity and height.
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