DE102007015351B4

DE102007015351B4 - Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofiles

Info

Publication number: DE102007015351B4
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: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2027-03-31
Also published as: DE102007015351A1

Abstract

Verfahren zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofils, dadurch gekennzeichnet, dass
• eine opake Schicht (2), die sich auf einem optisch transparenten Trägermaterial (1) befindet, für eine vorgegebene Zeit dem Ionenstrahl (3) ausgesetzt wird,
• der durch die Wirkung des Ionenstrahles (3) erzeugte Abtrag der opaken Schicht (2) lokal eine Veränderung der Transparenz bewirkt,
• das so erzeugte Transparenzprofil mit Hilfe einer optischen Kamera (5) elektronisch aufgenommen und ausgewertet wird,
• aus dem so gemessenen und digitalisiert vorliegenden Transparenzprofil die Position und das Abtragsprofil des Ionenstrahles (3) bestimmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur präzisen Positionierung eines bei der hochgenauen Oberflächenbearbeitung eingesetzten Ionenstrahls bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Stand der Technik
Zur hochgenauen Oberflächenbearbeitung, zum Beispiel von optischen Bauelementen oder Halbleiterwafern, können Ionenstrahlen eingesetzt werden. Die Druckschrift DE 2005 017 632 A1 beschreibt 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 werden 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. Die elektrische Messung des Strahlprofils mit Hilfe von Faraday-Sonden zeigten zeitliche Driften der Position des Ionenstrahles im zehntel Millimeter Bereich für einen Ionenstrahl von 1 mm Halbwertsbreite (HWB). Die Charakterisierung des Ionenstrahls mittels Faraday-Sondenmessung ist begrenzt in der Aussage bezüglich Abtragsprofil und Position. Das Strahlprofil wird nur durch elektrisch geladenen Teilchen (Ionen und Sekundärelektronen) beschrieben, das Abtragsprofil und somit die Wirkung des Ionenstrahls wird nur unvollständig wiedergegeben, da sowohl Ionen als auch neutralisierte Atome die Strahlwirkung bestimmen. 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 Abtragsprofils des Ionenstrahls ausschließt. 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.
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 silberhaltigen Röntgenfilmes oder durch die Verwendung von elektronischen Strahlungsdetektoren zu bestimmen. Diese Verfahren sind jedoch zum einen wegen der relativ geringen Ionenenergie (typisch 1 keV) für das Ionenstrahlätzen ungeeignet. Zum anderen können mit diesen Verfahren ebenfalls nicht die Ätzwirkung und somit das tatsächliche Abtragsprofil in situ bestimmt werden.
Die optische Überwachung eines Abtragprozesses und somit die Kontrolle der Prozesssicherheit ist in zahlreichen Veröffentlichungen offengelegt. So werden in der Druckschrift DE 43 20 241 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtragen einer Deckschicht von einem Glasmaterial mittels Laserstrahl bei gleichzeitiger optischer Überwachung des Abtragsvorganges offenbart. Gleichzeitig mit dem bearbeitenden Laserstrahl wird die Abtragsstelle mit einer Messstrahlung beaufschlagt, die in Transmission oder Reflexion detektiert wird. Zur Steuerung des Abtragsvorganges werden die detektierte Messstrahlung bzw. die Veränderung in der Transmission oder Reflexion dieser Messstrahlung ausgewertet. Hier wird aber nicht das Abtragsprofil detektiert, sondern lediglich ein integrales Transparenzsignal gemessen, um Informationen über die Dicke der sich an der Messstelle befindlichen Schicht zu erhalten. Eine ortsaufgelöste Kontrolle des Abtrags ist somit nicht gegeben. Die Druckschrift DE 103 05 875 A1 offenbart ein Verfahren samt Vorrichtung zum Laserbohren an einem Werkstück bei gleichzeitiger optischer Überwachung des Bohrvorganges. Mittels der von einem Bearbeitungslaser ausgehenden Bearbeitungsstrahlung wird eine Bohrung in ein Werkstück eingebracht. Gleichzeitig wird die Bohrstelle mit einer Messstrahlung beaufschlagt, die in Transmission detektiert wird. Zur Überwachung bzw. Endpunktdetektion des Bohrvorganges werden Veränderungen in der Transmission der Messstrahlung ausgewertet. Auch in Druckschrift DE 103 05 875 A1 wird nicht das Abtragsprofil durch die Messung des Transparenzprofils bestimmt, sondern lediglich ein integrales Transparenzsignal gemessen, was eine ortsaufgelöste Kontrolle des Ionenstrahlabtrags ausschließt.
Aufgabenstellung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ionenstrahl, eingesetzt bei einer hochgenauen Oberflächenbearbeitung, auf der Werkstücksoberfläche hochgenau mit Ortsunschärfen kleiner 10 μm zu positionieren bei gleichzeitiger Bestimmung seines aktuellen Abtragsprofils zur möglichst zeitnahen Prozesskontrolle und -durchführung.
Die Anforderungen an die hochgenaue Oberflächenbearbeitung sind im Laufe der Zeit stark angestiegenen und steigen weiter an. Daher sind die oben genannten Verfahren wenn überhaupt einsetzbar, für das Ionenstrahlätzen zunehmend zu ungenau. Das Rastermaß der Datenpunkte der Verweilzeittopologie liegt dagegen bei Werten von bis herab zu 10 μm, so dass die bei Verwendung herkömmlicher Positionierverfahren auftretenden 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 Abtragsprofils in Form, Position und Abtragstiefe.
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.
Darstellung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren dient einer hochpräzisen deterministische Ionenstrahlbearbeitung durch die ortsgenaue Zuordnung der lokalen Verweilzeiten des Ionenstrahls auf der Oberfläche eines Werkstückes. Bedingung hierfür ist die hochgenaue Bestimmung der Wirkposition des Ionenstrahls bezüglich des Werkstücks. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt eine CCD-Kamera, eine opake dünne Schicht (2) auf einem transparenten Trägersubstrat (1) sowie eine Lichtquelle zum Einsatz. Kamera und das Trägersubstrat befinden sich in fester räumlicher Zuordnung zum Werkstück und können zwischen Ionenstrahl und Lichtquelle verfahren werden, Durch die Verwendung einer opaken Schicht (2) auf einem transparenten Trägersubstrat (1), in welcher während einer kurzen (typisch: 100 Sekunden) Standätzung durch den Ionenstrahle (3) ein lokaler Abtrag erzeugt wird, kann eine lokale teiltransparente Stelle in der opaken Schicht erzeugt werden. Die räumliche Vermessung der optischen Transparenz, zum Beispiel mit Hilfe einer CCD-Kamera (5) und einer Lichtquelle (4), erlaubt dann die Berechnung der Position des Ionenstrahles mit Genauigkeiten kleiner 10 μm, bestimmt durch den Pixelabstand der eingesetzten CCD-Kamera. Die lokal aufgelöste Auswertung des Grades der Transparenz erlaubt weiterhin die Bestimmung des Abtragsprofils des Ionenstrahles wie in den Unteransprüchen 3 bis 5 anggegeben. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen zum einen in der prozesszeitnahen Messung der direkten Wirkung des Ionenstrahles, bestimmt durch die Ätztiefe und des räumlichen Abtragsprofils des Ionenstrahles und zum anderen in der hochgenauen Bestimmung der Ionenstrahlposition. Die angegebene Vorrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gestattet es, das erfindungsgemäße Verfahren durch Kombination bekannter technischer Einrichtungen mit geringem Aufwand in bestehende technische Konzepte zur Ionenstrahl-Oberflächenpräzisionsbearbeitung zu integrieren.
Anwendungsbeispiel
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Erfindung, wobei (1) das optisch durchsichtige Trägermaterial (z. B. Quarzglas) bezeichnet, (2) eine optisch opake dünne Schicht (z. B. 100 nm Silizium), (3) den Ionenstrahl, (4) eine Lichtquelle und (5) eine CCD-Kamera
2 die örtliche Transparenzverteilung eines Abtragsprofils in einer 70 nm dicken Si-Schicht auf einem SiO₂-Wafer, erzeugt mit einem Ionenstrahl mit gaußverteilter Ionenstromdichte und einer Halbwertsbreite von 0,5 mm.
3 einen Schnitt durch das Maximum der Transparenzverteilung nach 2 mit bestangepasster Gaußverteilung
In 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt, Die von einer Ionenquelle emittierten Gasionen (3) werden auf eine opake dünne Schicht (2) auf einem transparenten Trägersubstrat geführt und erzeugen dort einen Abtrag mit Tiefen abhängig von der Bestrahlungszeit. Typische Zeiten liegen zwischen 10 s und 100 s je nach der Dicke und Material der opaken Schicht.
Im vorliegendem Ausführungsbeispiel wurden Ar⁺-Ionen mit einer Energie von 1000 eV mit einer gaußförmig verteilten Ionenstromdichte eingesetzt, Strahlströme von 3 bis 4 mA bei Halbwertsbreiten der gaußförmig verteilten Ionenstromdichte von 0.5 mm erlaubten bei Bestrahlungszeiten von 100 s einen gut nachweisbaren Abtrag in der opaken Schicht (2). Als Trägermaterial (2) wurden 0.5 mm dicke SiO-Waferstücke (Silicon Materials, D-86899 Landsberg, Deutschland) verwendet, auf denen durch ionenstrahlgestütztes Zerstäuben eine 70 nm dicke Siliziumschicht abgeschieden wurde. Ebenso lassen sich Metalle wie Al oder Cr für das opake Schichtmaterial einsetzen. Eine Rotation des Trägermaterials um einen bestimmten Winkel oder eine translatorische Bewegung um eine bestimmte Strecke ermöglicht die Erzeugung mehrerer Abtragsprofile auf einem Träger. Damit wird eine Ionenstrahlkontrolle über längere Bearbeitungszeiträume eines Werkstücks ohne Wechsel des beschichteten Trägersubstrates möglich. Zum Vermessen der in der opaken Schicht erzeugten Abtragsprofile mittels optischer Transparenzmessung wird die Kombination CCC-Kamera (5) und Trägersubstrat (1) unmittelbar nach der Ionenbestrahlung vor eine Lichtquelle (4) bewegt, deren Strahlrichtung wegen einer rationellen Anordnung der Ionenstrahlrichtung entspricht. Die aus der optischen Transparenzmessung bestimmte örtliche Verteilung des beispielhaften Abtrags wurde optisch mit einer Auflösung von 10 μm Pixelabstand aufgenommen und lag dann in digitalisierter Form zur rechentechnischen Weiterverarbeitung vor. In 2 ist die örtliche Transparenzverteilung und in 3 ein Schnitt durch das Maximum der Transparenzverteilung nach 2 sowie eine bestangepasste Gaußverteilung an diesen Schnitt dargestellt Das Beispiel lässt erkennen, dass das Maximum der Transparenzverteilung pixelgenau auf der Kameramatrix lokalisiert werden kann und somit die Position des Ionenstrahls bezüglich des Werkstücks bestimmt ist. Eine numerische Anpassung einer geeigneten Fitfunktion, zum Beispiel die Superposition von mehreren parametrisierten Gaußfunktionen, an das gemessene Transparenzprofil erhöht die Genauigkeit der Positionsangabe und ermöglicht eine gute Kontrolle des Ionenstrahlprofils bezüglich der Konstanz in der Stromdichteverteilung bei konstanten Betriebsparametern auch über längere Betriebszeiten. Mit Hilfe des Lambertschen Gesetzes l = l₀·exp(–k·d) und unter Kenntnis der optischen Konstanten k des Materials der dünnen Schicht sowie der Schichtdicke lässt sich aus den gemessenen Intensitätsverhältnissen der ortsaufgelösten Transparenzmessung das ortsabhängige Dickenprofil berechnen, welches Auskunft über den Abtrag bezüglich Form, Halbwertsbreite und Abtragsrate des Ionenstrahls für die opake Schicht gibt. Durch die Korrelation der interferometrisch gemessenen Abtragsprofile zu den durch die optische Transparenzmessung bestimmten Abtrags- oder Helligkeitsprofile können die optischen Konstanten k bzw. eine geeignete Fitfunktion für diese Materialien empirisch bestimmt werden. Um einen Vergleich zu den Abtragsprofilen auf später dann tatsächlich zu bearbeitenden Materialien wie SiO₂, Si, Zerodur^®, ULE^® und CaF₂ zu gewinnen, müssen Testätzungen mit anschließender interferometrischer Vermessung der Abtragsprofile durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofils, dadurch gekennzeichnet, dass • eine opake Schicht (2), die sich auf einem optisch transparenten Trägermaterial (1) befindet, für eine vorgegebene Zeit dem Ionenstrahl (3) ausgesetzt wird, • der durch die Wirkung des Ionenstrahles (3) erzeugte Abtrag der opaken Schicht (2) lokal eine Veränderung der Transparenz bewirkt, • das so erzeugte Transparenzprofil mit Hilfe einer optischen Kamera (5) elektronisch aufgenommen und ausgewertet wird, • aus dem so gemessenen und digitalisiert vorliegenden Transparenzprofil die Position und das Abtragsprofil des Ionenstrahles (3) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch gemessene Abtragsprofil empirisch oder durch eine geeignete Fitfunktion zu dem auf dem zu bearbeitenden Werkstoff gemessenen Abtragsprofil korreliert wird.
Verfahren 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 nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus mehreren parametrisierten Gaußfunktionen zusammengesetzte Fitfunktion an das gemessene Abtrags- oder Helligkeitsprofil numerisch angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Parametern der angepassten Gaußfunktionen die Position oder/und die Halbwertsbreite oder/und die Tiefe des Abtragsprofils bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch gemessene Abtragsprofil zu einem elektrisch mittels Faraday-Sonde gemessenen Strahlprofil korreliert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur präzisen Positionierung eines Ionenstrahles (3) bei gleichzeitiger Bestimmung seines Abtragsprofils nach einem der Patentansprüche 1 bis 6 mit einer Anordnung aus transparenten Trägermaterial (1), das eine opake Beschichtung (2) trägt, einer Beleuchtung (4) und einer elektronischen Kamera (5), dadurch gekennzeichnet, dass die opake Schicht (2) für eine bestimmte Zeit mit einem Ionenstrahl (3) bestrahlt, und mit der Kamera (5) die Transparenz der opaken Schicht (2) vor und nach der Ionenbestrahlung gemessen werden kann
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine CCD-Kamera (5) zur optischen Auswertung der ionenstrahl-induzierten Transparenzänderung und somit zur Bestimmung von Profil und Position des Ionenstrahlabtrags zum Einsatz kommt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem transparenten Trägermaterial (1) um Glas oder Quarzglas handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Trägermaterial (1) 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 Abtragsprofils ausgesetzt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) mit einer opaken Schicht (2) in Form von Quadraten oder Rechtecken oder Kreisflächen ausgeführt ist, die mit einem Bewegungssystem mit 2 oder mehr Freiheitsgraden (Achsen) bewegt werden können, so dass mehrere Positionen möglich sind, die dem Ionenstrahl zur optischen Bestimmung seines Abtragsprofils ausgesetzt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei dem transparenten Trägermaterial (1) um einen flexiblen Film aus Kunststoff handelt.
Vorrichtung 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 Abtragsprofils ausgesetzt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei der opaken Beschichtung (2) um eine Schicht aus Silizium oder einem Metall handelt.