DE102005017632B4 - Method for modifying the surface of a sample by means of a pulsed ion beam or by means of an ion beam-generated particle beam with a homogeneous or Gaussian distributed current density - Google Patents

Method for modifying the surface of a sample by means of a pulsed ion beam or by means of an ion beam-generated particle beam with a homogeneous or Gaussian distributed current density Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Modifikation der Oberfläche einer Probe (1) mittels eines gepulsten Ionenstrahls (2) einer elektrisch schaltbar gestalteten Ionenquelle (3) oder mittels eines ionenstrahlgenerierten Teilchenstrahls (2) mit homogen oder gaußförmig verteilter Stromdichte, wobei zunächst ein Abtrags- oder Abscheidungsprofil der Probe (1) bestimmt wird und nachfolgend zumindest ein Ionenstrahl (2) oder Teilchenstrahl (2) zumindest einmal über die Oberfläche oder Teile der Oberfläche der Probe (1) geführt wird, wobei am Ort des Ionenstrahls (2) oder des Teilchenstrahls (2) ein lokaler Abtrag der Probe (1) oder eine lokale Abscheidung auf die Probe (1) entsprechend des bestimmten Abtrags- oder Abscheidungsprofils erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der lokalen Abtrag- oder Abscheiderate durch Kombination von Verweilzeit und Pulsdauer des Ionenstrahls (2) oder Teilchenstrahls (2) eingestellt wird, wobei zur Steuerung der lokalen Abtrag- oder Abscheiderate das Tastverhältnis der Pulse des Ionenstrahls (2) oder Teilchenstrahls (2) zwischen 0 und 1 variiert wird.Method for modifying the surface of a sample (1) by means of a pulsed ion beam (2) of an electrically switchable designed ion source (3) or by means of an ion beam-generated particle beam (2) with homogeneous or Gaussian distributed current density, wherein first an ablation or deposition profile of the sample ( 1) is determined and subsequently at least one ion beam (2) or particle beam (2) is passed at least once over the surface or parts of the surface of the sample (1), wherein at the location of the ion beam (2) or the particle beam (2) a local Abtrag of the sample (1) or a local deposition on the sample (1) is generated according to the specific Abtrags- or deposition profile, characterized in that the control of the local Abtrag- or deposition rate by combining residence time and pulse duration of the ion beam (2) or Particle beam (2) is set, wherein for controlling the local Abtrag- or Abscheiderate the Tastver The ratio of the pulses of the ion beam (2) or particle beam (2) is varied between 0 and 1.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifikation der Oberfläche einer Probe mittels eines gepulsten Teilchenstrahls oder mittels eines ionenstrahlgenerierten Teilchenstrahls mit homogen oder gaußförmig verteilter Stromdichte, insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der lokalen Abtrag- oder Abscheiderate bei der Modifikation von Substratoberflächen mit elektrisch gepulsten Ionenstrahlen.The The present invention relates to a method for modifying the surface a sample by means of a pulsed particle beam or by means of an ion beam-generated particle beam with homogeneous or Gaussian distributed Current density, in particular, the present invention relates to a Method for controlling the local removal rate or deposition rate the modification of substrate surfaces with electrically pulsed Ion beams.

Stand der TechnikState of the art

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 Abtragrate (auch Ätzrate genannt) 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 Abscheidungsraten zu erzeugen.The Abtragrate (etch rate called) or the deposition rate must meet certain requirements be adjusted. In the example of planarization of the surface of a Sample is required for every surface segment to achieve a removal according to the initial topology, so after the processing as possible created flat surface becomes. In the case of deposition it may be necessary to certain local structures on a substrate surface by appropriate local to create deposition rates to be set.

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. Abscheidung. 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 separation. This method is called residence time method. Show it:

1: eine schematische Darstellung der Anordnung des Substrates (1) des Ionenstrahles (2) mit einer gaußförmigen Ionenstromdichteverteilung („Werkzeugfunktion”), und der Ionenquelle (3), und 1 : a schematic representation of the arrangement of the substrate ( 1 ) of the ion beam ( 2 ) with a Gaussian ion current density distribution ("tool function"), and the ion source ( 3 ), and

2: das mäanderförmige Abfahren einer kreisförmigen Substratoberfläche. 2 : the meandering approach of a circular substrate surface.

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:

  • [1] T. Hänsel, A. Nickel, A. Schindler, H.-J. Thomas, Ion beam figuring surface finishing of x-ray and synchrotron beam line optics using stitching interferometry for the surface topology measurement, Conference on Optical Fabrication and Testing, Optical Society of America – OSA, Rochester, 10.–13.10.2004.
  • [2] A. Schindler, T. Hänsel, F. Frost, A. Nickel, R. Fechner, B. Rauschenbach„ Recent achievements on ion beam techniques for microoptics fabrication, 10th Microoptics Conference MOC 04, Jena, 1.–3.09. (2004) K-7.
  • [3] F. Bigl, T. Hänsel, A. Schindler, Oberflächenpräzisionsbearbeitung mit Ionenstrahlen, Vakuum in Forschung und Praxis 10 (1998) 50–56.
In order to avoid roughening of the surface, the track pitch should be a fraction of the extent (half width) of the ion beam / particle beam. Again, the size of the ion beam should be less than one-tenth the size of the surface to be machined as set forth in the following literature, inter alia:
  • [1] T. Hansel, A. Nickel, A. Schindler, H.-J. Thomas, Ion beam figuring surface finishing of x-ray and synchrotron beam line optics using stitching interferometry for the surface topology measurement, Conference on Optical Fabrication and Testing, Optical Society of America - OSA, Rochester, Oct 10-13, 2004.
  • [2] A. Schindler, T. Hansel, F. Frost, A. Nickel, R. Fechner, B. Rauschenbach "Recent achievements on ion beam techniques for microoptics fabrication, 10th Microoptics Conference MOC 04, Jena, 1.-3.09. (2004) K-7.
  • [3] F. Bigl, T. Hänsel, A. Schindler, Surface Precision Processing with Ion Beams, Vacuum in Research and Practice 10 (1998) 50-56.

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-Abscheidung zu erreichen, wie es zum Beispiel in den Dokumenten DE 4108404 C2 und WO 02/095085 A1 beschrieben ist.Currently surface modification uses ion beams with high temporal constancy of current density throughout the process time to achieve a given precise local substrate removal or deposition, as for example in the documents DE 4108404 C2 and WO 02/095085 A1 is described.

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 nach 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 eines Abtrags eines Substrates kommt es bei der Verweilzeitmethode zu einem so genannten Sockelabtrag. Der Sockelabtrag ist durch das Verhältnis von maximaler lokaler Geschwindigkeit und Abtragrate 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 technically limited upward speed of the motion systems leads to the dwell time method and the use of a dew Coated ion beam to a non-essential for the corresponding process removal or an unnecessary coating. In the case of a removal of a substrate occurs in the residence time method to a so-called base removal. The base removal is defined by the ratio of maximum local speed and removal rate. 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 Abtrag- oder Abscheidungsrate 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 ablation or Deposition rate is an important step to find a solution for this [1].

Im Dokument WO 02/095085 A1 wird in Unteranspruch 9, beziehungsweise auf Seite 8, Zeile 25/26 neben der Verweilzeit zur Steuerung der lokalen Abtragrate auch die Variation der Stromdichte der Dauerstrich-Ionenquelle als ein weiterer unabhängiger Prozessparameter vorgeschlagen.In the document WO 02/095085 A1 is proposed in dependent claim 9, or on page 8, line 25/26 in addition to the residence time for controlling the local Abtragrate also the variation of the current density of the continuous wave ion source as a further independent process parameter.

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 Abtrag- beziehungsweise Abscheidungsrate. Zum anderen bedeutet die Änderung der Stromdichte der Ionenquelle auch eine Änderung der Verteilung der Stromdichte, also der Werkzeugfunktion (1). Die Konstanz der Werkzeugfunktion ist aber Voraussetzung für die Berechnung der Verweilzeiten [2]. Eine Änderung der Werkzeugfunktion, die vor einer Bearbeitung jeweils durch Messung, zum Beispiel eines so genannten „Footprints”, bestimmt werden muss, bedeutet jeweils eine insgesamt neue Berechnung der Verweilzeiten und ist daher in-situ nicht möglich. Aufgrund dieser Schwierigkeiten erscheint die Verwendung der Stromdichte des Ionenstrahles zur Einstellung der lokalen Abtrag- oder Abscheidungsrate unbrauchbar und hat sich bislang in der Praxis nicht durchgesetzt.A change in the current density can be achieved, for example, by changing the grid geometry, the working distance, and certain operating parameters (electrical plasma power, gas flow) of the continuous wave ion beam on the sample. On the one hand, the change in the current density has a nonlinear influence on the removal or deposition rate. On the other hand, the change in the current density of the ion source also means a change in the distribution of the current density, ie the tool function ( 1 ). However, the constancy of the tool function is a prerequisite for the calculation of the residence times [2]. A change in the tool function, which must be determined before each machining by measurement, for example, a so-called "footprint", each means a total new calculation of the residence times and is therefore not possible in situ. Due to these difficulties, the use of the current density of the ion beam to adjust the local Abtrag- or deposition rate seems useless and has not been enforced in practice.

Weitere Ionenstrahlbearbeitungsprozesse sind aus DD 39 724 A , EP 0 502 633 B1 , DE 41 08 404 C2 , US 4,310,743 A und F Bigl et al. In Vakuum in Forschung und Praxis 10 (1998) S. 50–56 bekannt.Other ion beam processing processes are over DD 39 724 A . EP 0 502 633 B1 . DE 41 08 404 C2 . US 4,310,743 A and F Bigl et al. In vacuum in Research and Practice 10 (1998) pp. 50-56.

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.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein elektrisch geschalteter Teilchenstrahl/Ionenstrahl verwendet wird, wobei die Steuerung der lokalen Abtrag- oder Abscheiderate durch Kombination von Verweilzeit und Pulsdauer des Ionenstrahls eingestellt wird, und wobei zur Steuerung der lokalen Abtrag- oder Abscheiderate das Tastverhältnis der Pulse des Ionenstrahls zwischen 0 und 1 variiert wird und/oder die Ionenquelle über die Ionen-Extraktionsspannung und/oder der Beschleunigungsspannung geschaltet wird.According to the invention this Task solved by that uses an electrically switched particle beam / ion beam is, wherein the control of the local Abtrag- or Abscheiderate by Combination of residence time and pulse duration of the ion beam set and wherein for controlling the local Abtrag- or deposition rate, the duty cycle of Pulse of the ion beam is varied between 0 and 1 and / or the Ion source over the ion extraction voltage and / or the acceleration voltage is switched.

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.

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 (Abtrag) 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 (Abtrag) shows, for example, in terms of the total process time, and thus the utilization of the system 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 WO 02/095085 A1 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 Abtrag- oder Abscheidungsrate und kann daher in-situ nicht verwendet werden.An important advantage is the relatively easy accessibility and easy controllability of these process parameters, in contrast to the change in the ion current density of a continuous wave ion beam source, as described in the document WO 02/095085 A1 is proposed. The variation of the current density of the ion source has a considerable influence on the distribution of the current density and thus on the tool function, as well as on the removal 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 Abscheidung, 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 gemittelte 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 the 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-averaged 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 thermisches 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 may occur due to thermal drift. This can be the time averaged source emission current is used as a measure and the duty cycle so be regulated that the source emission current and thus the time averaged ion current density while retaining the other Process parameter 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 US 4,310,743 A beschrieben ist, wäre für Schaltfrequenzen oberhalb 10 kHz aufgrund der Massenträgheit seiner Bauteile nicht mehr einsetzbar, so dass mit einer mechanischen Schaltung des Ionenstrahles den üblichen Verweilzeiten im Millisekunden-Bereich pro Probenposition nicht mehr entsprochen werden kann. Weiterhin unterliegen die dem Ionenstrahl ausgesetzten Bauteile eines mechanischen Shutters einem hohen Verschleiß durch die Ätzwirkung der zu blockierenden Ionen, während die elektrische Schaltung des Ionenstrahles den Vorteil der verschleißlosen Schaltung des Ionenstrahles bietet. Durch den Wegfall beweglicher mechanischer Bauteile im Hochvakuum der Ionenstrahlanlage wird auch die Verschmutzung der Anlage durch mechanischen Abrieb verringert.The electric circuit of the ion beam has the further advantage of being significantly less inertia compared to the known mechanical switches (shutter) of ion beams. A mechanical shutter, such as the one in the document US 4,310,743 A is described, would be no longer applicable for switching frequencies above 10 kHz due to the inertia of its components, so that the usual residence times in the millisecond range per sample position can no longer be met with a mechanical circuit of the ion beam. Furthermore, exposed to the ion beam components of a mechanical shutter are subject to high wear by the etching of the ions to be blocked, while the electrical circuit of the ion beam offers the advantage of wear-free circuit of the ion beam. By eliminating moving mechanical components in the high vacuum of the ion beam system, the pollution of the system is reduced by mechanical abrasion.

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 flying 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.

Claims (18)

Verfahren zur Modifikation der Oberfläche einer Probe (1) mittels eines gepulsten Ionenstrahls (2) einer elektrisch schaltbar gestalteten Ionenquelle (3) oder mittels eines ionenstrahlgenerierten Teilchenstrahls (2) mit homogen oder gaußförmig verteilter Stromdichte, wobei zunächst ein Abtrags- oder Abscheidungsprofil der Probe (1) bestimmt wird und nachfolgend zumindest ein Ionenstrahl (2) oder Teilchenstrahl (2) zumindest einmal über die Oberfläche oder Teile der Oberfläche der Probe (1) geführt wird, wobei am Ort des Ionenstrahls (2) oder des Teilchenstrahls (2) ein lokaler Abtrag der Probe (1) oder eine lokale Abscheidung auf die Probe (1) entsprechend des bestimmten Abtrags- oder Abscheidungsprofils erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der lokalen Abtrag- oder Abscheiderate durch Kombination von Verweilzeit und Pulsdauer des Ionenstrahls (2) oder Teilchenstrahls (2) eingestellt wird, wobei zur Steuerung der lokalen Abtrag- oder Abscheiderate das Tastverhältnis der Pulse des Ionenstrahls (2) oder Teilchenstrahls (2) zwischen 0 und 1 variiert wird.Method for modifying the surface of a sample ( 1 ) by means of a pulsed ion beam ( 2 ) of an electrically switchable designed ion source ( 3 ) or by means of an ion beam-generated particle beam ( 2 ) with a homogeneous or Gaussian distributed current density, wherein first a removal or deposition profile of the sample ( 1 ) and subsequently at least one ion beam ( 2 ) or particle beam ( 2 ) at least once over the surface or parts of the surface of the sample ( 1 ), where at the location of the ion beam ( 2 ) or the particle beam ( 2 ) a local removal of the sample ( 1 ) or a local deposition on the sample ( 1 ) is generated according to the specific removal or deposition profile, characterized in that the control of the local removal or deposition rate by combining residence time and pulse duration of the ion beam ( 2 ) or particle beam ( 2 ) is set, wherein for controlling the local Abtrag- or deposition rate, the duty cycle of the pulses of the ion beam ( 2 ) or particle beam ( 2 ) is varied between 0 and 1. Verfahren zur Modifikation der Oberfläche einer Probe (1) mittels eines gepulsten Ionenstrahls (2) einer elektrisch schaltbar gestalteten Ionenquelle (3) oder mittels eines ionenstrahlgenerierten Teilchenstrahls (2) mit homogen oder gaußförmig verteilter Stromdichte, wobei zunächst ein Abtrags- oder Abscheidungsprofil der Probe (1) bestimmt wird und nachfolgend zumindest ein Ionenstrahl (2) oder Teilchenstrahl (2) zumindest einmal über die Oberfläche oder Teile der Oberfläche der Probe (1) geführt wird, wobei am Ort des Ionenstrahls (2) oder des Teilchenstrahls (2) ein lokaler Abtrag der Probe (1) oder eine lokale Abscheidung auf die Probe (1) entsprechend des bestimmten Abtrags- oder Abscheidungsprofils erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der lokalen Abtrag- oder Abscheiderate durch Kombination von Verweilzeit und Pulsdauer des Ionenstrahls (2) oder Teilchenstrahls (2) eingestellt wird, wobei die Ionenquelle (3) über die Ionen-Extraktionsspannung und/oder über die Beschleunigungsspannung geschaltet wird.Method for modifying the surface of a sample ( 1 ) by means of a pulsed ion beam ( 2 ) of an electrically switchable designed ion source ( 3 ) or by means of an ion beam-generated particle beam ( 2 ) with a homogeneous or Gaussian distributed current density, wherein first a removal or deposition profile of the sample ( 1 ) and subsequently at least one ion beam ( 2 ) or particle beam ( 2 ) at least once over the surface or parts of the surface of the sample ( 1 ), where at the location of the ion beam ( 2 ) or the particle beam ( 2 ) a local removal of the sample ( 1 ) or a local deposition on the sample ( 1 ) is generated according to the specific removal or deposition profile, characterized in that the control of the local removal or deposition rate by combining residence time and pulse duration of the ion beam ( 2 ) or particle beam ( 2 ), the ion source ( 3 ) is switched via the ion extraction voltage and / or the acceleration voltage. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Edelgas- oder Reaktivgas-Ionenstrahl verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a noble gas or reactive gas ion beam used becomes. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von Ionenenergien von 200 eV bis 2 keV.Method according to one of the preceding claims by the use of ion energies of 200 eV to 2 keV. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenstrahl (2) oder Teilchenstrahl (2) in Spuren über die Oberfläche der Probe geführt wird und der Spurabstand kleiner als die Halbwertsbreite des Ionenstrahls mit gaußförmiger Stromdichteverteilung oder kleiner als die Ausdehnung des Ionenstrahls mit homogener Stromdichteverteilung ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the ion beam ( 2 ) or particle beam ( 2 ) is guided in tracks over the surface of the sample and the track pitch is smaller than the half-width of the ion beam with Gaussian current density distribution or less than the extension of the ion beam with homogeneous current density distribution. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Abdeckmaske, die nur die zu modifizierenden Bereiche der Probenoberfläche offen lässt. Method according to one of the preceding claims through the use of a mask, only the ones to be modified Areas of the sample surface leaves open. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass als Abdeckmaske eine Lackmaske verwendet wird.Method according to claim 6, characterized in that that a resist mask is used as the mask. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die massenspektroskopische Bestimmung der aktuellen Bearbeitungsrate.Method according to one of the preceding claims by the mass spectroscopic determination of the current processing rate. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von auf die Verweilzeit angepasster Tastzeiten oder Taktfrequenzen zur Schaltung des Ionenstrahles, so dass bei einem Abtrag- oder Abscheideprozess auf der Probenoberfläche in der jeweiligen Verweilzeit pro Oberflächensegment mindestens ein Takt erfolgt.Method according to one of the preceding claims through the use of sampling times adapted to the residence time or clock frequencies for switching the ion beam, so that at a removal or Separation process on the sample surface in the respective residence time per surface segment at least one bar takes place. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenoberfläche durch interferometrische oder scannende profilometrische Verfahren bestimmt wird und die gemessene Topologie zur Bestimmung der Oberflächenmodifikation verwendet wird oder die Festlegung der Bearbeitungsrate nach einer globalen Vorgabe erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sample surface by interferometric or scanning profilometric method is determined and the measured topology used to determine the surface modification or setting the processing rate after a global Specification is made. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Fourier-Rückfaltung der vorgegebenen Topologie der Oberflächenmodifikation und der Werkzeugfunktion der Ionenquelle (3) zur Berechnung der lokalen Kombinationen von Verweilzeiten und Tastverhältnissen für die zu bearbeitende Probe.Method according to claim 10, characterized by the use of a Fourier refolding of the given topology of the surface modification and the tool function of the ion source ( 3 ) for calculating the local combinations of residence times and duty cycles for the sample to be processed. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Bestimmung der Werkzeugfunktion der Ionenquelle (3) durch Vermessung der Topologie an einem Testsubstrat nach: – einer punktuellen Bearbeitung, – einer eindimensionalen Bearbeitung, oder – einer zweidimensionalen Bearbeitung.Method according to claim 11, characterized by the determination of the tool function of the Io ( 3 ) by measuring the topology on a test substrate according to: - a punctual processing, - a one-dimensional processing, or - a two-dimensional processing. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Verwendung einer mathematisch durch superpositionierte zweidimensionale Gaußprofile modellierten Werkzeugfunktion der Ionenquelle (3).Method according to claim 11, characterized by the use of a tool function of the ion source mathematically modeled by superpositioned two-dimensional Gaussian profiles ( 3 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13 gekennzeichnet durch die direkte Verwendung der gemessenen Werkzeugfunktion einer punktuellen Bearbeitung für die Berechnung der Verweilzeit- und Tastverhältnis-Kombinationen mittels Fourier-Rückfaltung.Method according to one of claims 12 or 13 characterized by directly using the measured tool function of a punctual processing for the calculation of the residence time and duty cycle combinations by means of Fourier refolding. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch die Verwendung der gemessenen Werkzeugfunktion einer eindimensionalen Bearbeitung oder einer zweidimensionalen Bearbeitung zur Anpassung der Werkzeugfunktion für die Berechnung der Verweilzeit- und Tastverhältnis-Kombinationen mittels Fourier-Rückfaltung.Method according to one of claims 12 or 13, characterized by using the measured tool function of one-dimensional machining or a two-dimensional machining to adapt the tool function for the calculation the residence time and duty cycle combinations by means Fourier deconvolution. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zeilen-, spalten-, mäander- oder spiralförmige Führung des Ionenstrahles (2) oder Teilchenstrahles (2) oder der Probe (1) während der Bearbeitung.Method according to one of the preceding claims, characterized by line, column, meander or spiral guidance of the ion beam ( 2 ) or particle beam ( 2 ) or the sample ( 1 ) during the processing. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die kontinuierliche Regelung der Leistungskonstanz der Ionenquelle (3) über die Variation des Tastverhältnisses.Method according to one of the preceding claims, characterized by the continuous regulation of the power constancy of the ion source ( 3 ) on the variation of the duty cycle. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von Teilpulsen verschiedener Polarität, Dauer und Höhe zur zusätzlichen Extraktion von Elektronen und dem flugzeitberücksichtigten Ladungsausgleich auf der Probenoberfläche. Method according to one of the preceding claims through the use of partial pulses of different polarity, duration and height to additional Extraction of electrons and time-compensated charge compensation on the sample surface.
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