DE102007015351A1

DE102007015351A1 - Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles

Info

Publication number: DE102007015351A1
Application number: DE200710015351
Authority: DE
Inventors: Thomas Hänsel; Peter Seidel; Andreas Nickel; Istvan Bucsi
Original assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-31
Also published as: DE102007015351B4

Abstract

Verfahren zum Subapertur-Ionenstrahlätzen, d. h. Oberflächenbearbeitung mit Strahldurchmessern kleiner als die Werkstückgröße, setzt eine wirkungsgetreue und genaue Positionierung des Ionenstrahles für eine hochpräzise Bearbeitung des Werkstücks voraus. Dazu wurde bislang das elektrische Profil des Ionenstrahles, welches mit Hilfe einer Faraday-Sonde gemessen wird, verwendet. Damit ergibt sich jedoch das Problem, dass das elektrische Profil oft nicht mit dem materialabhängig geätzten Abtragsprofil in Form und örtlicher Lage übereinstimmt, so dass es mitunter zu erheblichen Fehlpositionierungen kommt. Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung, welche sich an Stelle der Faraday-Messsonde befindet, gelöst. Eine optische lichtundurchlässige Schicht, die sich auf einem optisch transparenten Trägermaterial befindet, wird für eine kurze gegebene Zeit (typisch 100 s) unmittelbar vor dem Beginn der Bearbeitung dem Ionenstrahl ausgesetzt, so dass der durch die Wirkung des Ionenstrahles in der dünnen Schicht erzeugte Abtrag optisch mit Hilfe einer Kamera ausgewertet werden kann. Aus dem so gemessenen Transparenzprofil wird die genaue Position, die Ätzwirkung und das Abtragsprofil des Ionenstrahles bestimmt. Die Genauigkeit der Positionierung wird dabei durch den verwendeten Pixelabstand (typisch 10 µm) bestimmt. Dieses neue Verfahren erlaubt damit neben einer um Größenordnungen verbesserten Positioniergenauigkeit zudem die in situ-Bestimmung der Wirkung und des momentanen ...

Description

Stand der Technik
Zur hochgenauen Oberflächenbearbeitung, zum Beispiel von optischen Bauelementen oder Halbleiterwafern, können Ionenstrahlen eingesetzt werden. Das Dokument DE 2005 017 632 A1 beschreibt zum Beispiel ein Verfahren zur hochpräzisen und deterministischen Oberflächen-Polierfehlerkorrektur mit Hilfe der Verweilzeitmethode. Dazu wird die Oberfläche des Werkstückes auf einem Mäanderförmigen Weg mit dem Ionenstrahl bei lokal variabler Geschwindigkeit oder veränderlichem Leistungseintrag abgefahren. Die lokale Geschwindigkeit und der Leistungseintrag des Ionenstrahles wird dabei so gewählt, dass bei einem gegebenen Abtragsprofil des Ionenstrahles eine gewünschte Topologie auf das Werkstück aufgebracht oder abgetragen wird. Die Ausdehnung des Ionenstrahles ist dabei kleiner als der Durchmesser des Werkstückes (Subapertur-Ionenstrahl). Damit eine erfolgreiche deterministische Bearbeitung durch die ortsgenaue Zuordnung der lokalen Verweilzeiten zur Position auf der Oberfläche des Werkstückes möglich ist, muss das Werkstück vor dem Bearbeitungsbeginn hochgenau zum Ionenstrahl positioniert werden. Bislang kommen dazu CCD-Kameras zum Einsatz, welche bestimmte Marken auf dem Werkstück abbilden und digitalisieren, oder/und es wird das elektrische Strahlprofil des Ionenstrahles mit Hilfe einer elektrischen Sonde („Faraday-Sonde") aufgenommen, und aus diesem elektrisch gemessenen Strahlprofil die geometrische Lage des Ionenstrahles bezüglich des Werkstückes ermittelt.
Aus der Medizintechnik sind weiterhin Verfahren bekannt, die Position eines Ionenstrahles bezüglich eines im Rahmen eines therapeutischen Bestrahlungsplanes zu bestrahlenden Tumors mit Hilfe der Schwärzung eines Silber-haltigen Röntgenfilmes oder durch die Verwendung von elektronischen Strahlungsdetektroen zu bestimmen. Diese Verfahren sind jedoch zum einen wegen der relativ geringen Ionenenergie (typisch 1 keV) für das Ionenstrahlätzen ungeeignet. Zum anderen kann mit diesen Verfahren ebenfalls nicht die Ätzwirkung und das tatsächliche in situ-Abtragsprofil bestimmt werden.
Den selben Nachteil weist auch die Messung des elektrischen Strahlstromes mittels einer Faraday-Sonde auf. Dabei können insbesondere Inhomogenitäten in einer Sekundärelektronenverteilung das elektrisch gemessene Strahlprofil stark beeinflussen (3a). Wirksam wird jedoch das geätzte Strahlprofil, so daß dieses Beispiel die Grenzen und das Versagen der herkömmlichen Methode der Positionierung des Ionenstrahles bezüglich des Werkstückes aufgrund einer elektrischen Sondenmessung des Strahlstromprofils zeigt.
Ein weiterer Nachteil tritt insbesondere bei der Bearbeitung von Isolatoren wie z. B. Gläsern, auf. Hier ist eine Neutralisation der den Abtrag bewirkenden Ionen erforderlich, um eine Aufladung der Oberfläche zu verhindern, was aber gleichzeitig die elektrische Vermessung der Stromdichteverteilung und somit eine Bestimmung der Position und des Abtragprofils des Ionenstrahls ausschliesst.
Problem
Die Anforderungen an die hochgenaue Bearbeitung sind im Laufe der Zeit weiter angestiegenen und steigen weiter an. Daher sind die oben genannten Verfahren für das Ionenstrahlätzen zunehmend zu ungenau. Die elektrische Messung des Strahlprofils mit Hilfe von Faraday-Sonden kann zeitliche Driften der Position des Ionenstrahles bis zu 170 μm pro Stunde für einen Ionenstrahl von 1 mm Halbwertsbreite (HWB) aufweisen (2). Das Rastermaß der Datenpunkte der Verweilzeittopologie liegt dagegen bei Werten von bis herab zu 10 μm, so daß diese Abweichungen in ihrer Auswirkung auf den Bearbeitungserfolg erheblich sein können.
Die derzeitigen Verfahren erlauben weiterhin nicht die in situ – Kontrolle des Ionenstrahles hinsichtlich des tatsächlichen aktuellen Abtragsprofiles in Form, Position und Ätztiefe. Es ist auch bekannt (3), dass zwischen dem elektrisch gemessenen Profil und dem tatsächlich wirksamen Ätzprofil große Unterschiede bestehen können (Aufweitung der Ionenstromdichteverteilung durch Coulomb'sche Abstossung). Das ist insbesondere auch dann der Fall, wenn für die Ätzung von isolierenden Oberflächen (z. B. SiO₂) neutralisierte Ionenstrahlen verwendet werden müssen. Im Falle neutralisierter Ionenstrahlen versagt die Methode der Positionierung mittels elektrischer Faraday-Sondenmessung.
Es wird daher ein Verfahren und eine Vorrichtung benötigt, die es erlaubt, den Ionenstrahl:

1. hochgenau (< 10 μm) und,
2. bezüglich seiner Wirkung auf das mit ihm zu bearbeitende Werkstück zu positionieren. Weiterhin benötigt man das aktuelle Abtragsprofil des Ionenstrahles zur möglichst zeitnahen Prozesskontrolle und -durchführung.

Diese Forderungen können mit dem gegenwärtigen Stand der Technik nicht und zudem nicht gleichzeitig gelöst werden. Es gibt bislang eine nicht unterschreitbare Unsicherheit der Positionierung der Wirkung des Ionenstrahles bezüglich eines Werkstückes und damit eine nicht unterschreitbare Genauigkeit der Oberflächenbearbeitung.
Erfinderischer Schritt
Durch die Verwendung (1) einer opaquen dünnen Schicht (2) auf einem transparenten Trägersubstrat (1), in welche während einer kurzen (typisch: 100 Sekunden) Standätzung mittels des Ionenstrahles (3) ein lokaler Abtrag erzeug wird, kann eine lokale teiltransparente Stelle auf diesem Film erzeugt werden. Die räumliche Vermessung der optischen Transparenz, zum Beispiel mit Hilfe einer CCD-Kamera (5), erlaubt dann die Berechnung der Position des Ionenstrahles. Die lokal aufgelöste Auswertung des Grades der Transparenz erlaubt die Bestimmung der Stärke der Wirkung des Ionenstrahles. Die hochaufgelöste Auswertung des Tranzparenzprofiles erlaubt weiterhin die Bestimmung des Abtragsprofiles des Ionenstrahles. Der durch die CCD-Kamera gelieferte Pixelabstand ist typisch kleiner 10 μm, und könnte bis zur physikalischen Auflösungsgrenze herab gesetzt werden, welche durch die Wellenlänge des verwendeten Lichtes vorgegeben ist. Das neue Verfahren erlaubt die Prozess-zeitnahe Messung der direkten Wirkung des Ionenstrahles, die Bestimmung der Position, der Ätztiefe und des räumlichen Abtragsprofiles des Ionenstrahles.
Anwendungsbeispiel
In einer selbstentwickelten Vakuumkammer (Basisdruck: 1e-7 mbar) des Instituts für Oberflächenmodifizierung wurde eine ISQ40 HF-Ionenquelle zum Einsatz gebracht. Die Betriebsdaten der Ionenquelle wurden folgendermassen gewählt: Strahlspannung U_beam 1000 V, gesamter Strahlstrom 3.6 mA, Gitter-2-Spannung 900 V, HF-Leistung 50 W, Argon-Gasfluß 4 sccm, Arbeits-Kammerdruck 1 e-4 mbar. Der Gittersatz der Ionenquelle bestand aus 3 Gittern mit 28 Löchern vom Durchmesser 1 mm innerhalb von 10 mm. Weiterhin kam eine Strahldurchmesser-reduzierende Blende in einem Blendenvorsatz im Abstand von 50 mm zum Einsatz, die eine Bohrung von z. b. 0.5 mm, oder 1 mm, 2 mm, 4 mm aufweisen können. Damit konnten Strahldurchmesser von 0.5 mm bis zu 4 mm Halbwertsbreite erzeugt werden.
Die elektrisch mit der Faraday-Sonde gemessene Halbwertsbreite stimmt in der Regel nicht mit der Halbwertsbreite der Standätzung auf verscheidenen Materialien überein. Für die entsprechenden Testätzungen (Dauer: 100 s) wurden Siliziumwafer, und Substrate aus Quarz, BK7, Zerodur und anderen Gläsern verwendet.
Für dieses Anwendungsbeispiel wurde im Folgenden ein Blende mit 1 mm Bohrung verwendet. Als Trägermaterial (1, (2)) für die optische Bestimmung des Abtragsprofiles wurden 0.5 mm dicke SiO2-Waferstücke (Silicon Materials, D-86899 Landsberg, Deutschland) verwendet, welche zuvor mit 50 nm Aluminium durch Magnettronsputtern bzw. 70 nm Silizium durch ionenstrahlgestütztes Sputtern beschichtet worden waren.
Es wurden bis zu acht Testpositionen auf einer rechteckigen und 50 × 30mm großen Testfläche geätzt, mit Ätzdauern zwischen 10 und 100 Sekunden. Die erzeugten Abtragsprofile wurden optisch mit einer Auflösung von 3600 dpi (7 μm Pixelabstand) aufgenommen und lagen dann in digitalisierter Form vor. Aus den optisch gemessenen Abtragsprofilen kann dann mit Hilfe des Lambertschen Gesetzes l = l₀·exp(–k·d) unter Kenntnis der optischen Konstanten k des Materials der dünnen Schicht aus den gemessenen Intensitätsverhältnissen das ortsabhängige Dickenprofil berechnet werden. Um einen Vergleich zu den Abtragsprofilen auf später dann tatsächlich bearbeiteten Werkstücken zu gewinnen, wurden Testätzungen mit jeweils 100 s Dauer auf SiO₂, Si, Zerodur^®, ULE^® und CaF₂ durchgeführt.
Durch die Korrelation der interferometrisch gemessenen Abtragsprofile zu den durch die optische Transparenzmessung bestimmten Abtragsprofilen können die optischen Konstanten k für diese Materialien empirisch bestimmt werden. Die 4 zeigt eine dazu erforderliche punktweise örtliche Korrelation des Abtragsprofiles (Grauwerte) aus der optischen Transparenzmessung an 50 nm Aluminium auf SiO₂ gegen ein interferometrisch gemessenes Abtragsprofil, welches mit dem gleichen Ionenstrahl auf SiO₂ erzeugt wurde, sowie eine analoge Korrelation für ein Jenaer Spezialglas. Offenbar gibt es materialabhängig einen Zusammenhang zwischen dem optischen Abtragsprofil und dem interferometrisch gemessenen Ätzprofil, der zur prozessnahen Bestimmung des Abtragsprofiles des Ionenstrahles verwendet werden kann.
Die 5 zeigt ein Beispiel der Lage eines geätzten Abtragsprofiles und die mögliche Positionierung aufgrund der optischen Achse der Quelle oder des elektrisch mit der Faradaysone gemessenen Strahlprofils.
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung der Erfindung, wobei (1) das optisch durchsichtige Trägermaterial (z. B. Quarzglas) bezeichnet, (2) eine optisch opaque dünne Schicht (z. B. 100 nm Silizium), (3) den Ionenstrahl, (4) eine Lichtquelle und (5) eine CCD-Kamera.
2: den Verlauf der Drift bei der Anwendung des herkömmlichen Verfahrens mittels einer Farady-Messonde bei einem Argon-Ionenstrahl (1 keV) einer Halbwertsbreite von 1 mm.
3: den Vergleich eines elektrisch gemessenen Strahlprofiles (3a) mit einem entsprechenden geätzten Strahlprofil (3b), bei den Parametern: Strahlspannung U_beam: 1000 V, gesamter Strahlstrom: 3 mA, Gitter-2-Spannung: 100 V, Gasfluß: 4 sccm, Kammerdruck: 3e-5 mbar, HF-Leistung: 50 W, Arbeitsabstand: 40 mm, Ätzdauer (SiO₂): 100 s.
4: die Korrelation der Grauwerte des optischen Transparenzprofils zu den geätzten Tiefen in Quarz und einem Jenarer Glas. Aus dieser Korrletaion ist die Bestimmung der optischen Konstanten bzw. die empirische Zuordnung zur Ätzrate möglich.
5: mögliche Lage des Ätzprofiles (3) zur geometrischen Lage der Ionenquelle (1) oder des elektrisch mit der Faraday-Sonde gemessenen Strahlprofils (2).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2005017632 A1 [0001]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles, bestehend aus einer Anordnung eines optisch durchsichtigen Trägermateriales (1, (1)), welches mit einer optisch opaquen, dünnen Schicht (2) bedeckt ist, und durch eine Lichtquelle (4) beleuchtet und mit einer der Lichtquelle gegenüberliegenden elektronischen Kamera (5) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass: a. die optisch lichtundurchlässige Schicht, die sich auf einem optisch transparenten Trägermaterial befindet, für eine vorgegebene Zeit dem Ionenstrahl ausgesetzt wird, b. Der durch die Wirkung des Ionenstrahles erzeugte Abtrag der optisch opaquenen Schicht lokal eine Veränderung der Transparenz bewirkt, c. Das so erzeugte Transparenzprofil mit Hilfe einer optischen Kamera elektronisch aufgenommen und ausgewertet wird, d. Aus dem so gemessenen und nun digitalisiert vorliegenden Transparenzprofil die Position und das Abtragsprofil des Ionenstrahles bestimmt werden.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch gemessene Abtragsprofil empirisch zu dem auf dem zu bearbeitenden Werkstoff gemessenen Abtragsprofil korreliert wird.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzrate oder/und die Halbwertsbreite oder/und der geometrische Schwerpunkt aus dem optisch gemessenen und digitalisiert vorliegenden Abtragsprofil berechnet werden.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus mehreren parametrisierten Gaußfunktionen zusammengesetzte Fitfunktion an das gemessene Abtragsprofil numerisch angepasst werden.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Parametern der angepassten Gaußfunktionen die Position oder/und die Halbwertsbreite oder/und die Tiefe des Abtragsprofiles bestimmt werden.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorzugsweise ein Argon-Ionenstrahl mit einer Energie der Argon-Ionen von typischerweise 1 keV zum Einsatz kommt.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch gemessene Abtragsprofil zu einem elektrisch mittels Faraday-Sonde gemessenen Strahlprofil korreliert wird.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine CCD-Kamera zur optischen Auswertung des Abtragsprofiles zum Einsatz kommt.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem transparenten Material um Glas oder Quarzglas handelt.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das transparenten Material in Form einer drehbaren Scheibe ausgeführt ist, die um einen Aufhängungspunkt rotiert werden kann, so dass auf dieser Scheibe mehrere Positionen sind, die dem Ionenstrahl zur optischen Bestimmung seines Abtragsprofiles ausgesetzt werden können.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei dem transparenten Material um einen flexiblen Film aus Kunststoff handelt.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Film über ein System aus Rollen bewegt werden kann, so daß auf diesem einen Film mehrere Positionen sind, die dem Ionenstrahl zur optischen Bestimmung seines Abtragsprofiles ausgesetzt werden können.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei der opaquen Beschichtung um eine etwa 100 nm dicke Schicht aus Silizium oder einem Metall wie Kupfer, Chrom, Aluminium, oder Nickel handelt.
Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial in Form von Quadraten oder Rechtecken oder Kreisflächen, die mit einem Bewegungssystem mit 2 oder mehr Freiheitsgraden (Achsen) positioniert werden, ausgeführt ist.