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Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle, insbesondere eine Anode Layer Ionenquelle mit geschlossener Elektronendrift, die als Ionenquelle für industrielle Anwendungen, namentlich für die Beschichtung im Vakuum, die durch Ionen unterstützte Beschichtung (IAD „Ion Assisted Deposition”) oder für die Trockenätzung von Substraten eingesetzt werden kann.
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Bei der Vorbehandlung von Substraten werden u. a. inverse Sputterätzer, Gitter-Ionenquellen und Ionenquellen mit geschlossener Elektronendrift verwendet. Letztere zwei Arten von Ionenquellen wurden anfänglich für einen Einsatz im Raumfahrtbereich entwickelt (Ionenantriebe oder Plasmaantriebe). Ionenquellen mit geschlossener Elektronendrift haben gegenüber Gitterquellen den Vorteil eines vereinfachten, robusteren Aufbaus und einer einfachen Längenskalierbarkeit bei gleichbleibend guter Ätzverteilung. Darüber hinaus sind die verwendeten Hochspannungs-Stromversorgungen vergleichsweise einfach im Aufbau, während die Plasmaanregung in Gitterquellen häufig durch eine RF-Entladung erfolgt und der Ionenstrom durch eine weitere DC-Spannungsquelle extrahiert wird.
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Bei Anode Layer Ionenquellen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist ein als Kathode dienendes Gehäuse durch eine Kathodenanordnung mit einem endlosen Emissionsspalt verschlossen. Der Emissionsspalt teilt die Kathodenanordnung in eine innere und eine äußere Kathode und wird folglich durch deren Ränder begrenzt. Unterhalb der Kathodenanordnung sind im Gehäuse mindestens ein Gaseinlass oder/und Gasverteilungssystem, eine dem Emissionsspalt folgende und in kurzem Abstand dahinter befindliche, ebenfalls endlose Anode sowie eine Magnetanordnung zur Erzeugung eines magnetischen Felds angeordnet. Die Magnetanordnung erzeugt zwischen äußerer und innerer Kathode ein starkes Magnetfeld. Zweckmäßigerweise wird für die Kathodenanordnung ein ferromagnetischer Werkstoff eingesetzt.
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Der Raum zwischen äußerer und innerer Kathode sowie der Anode bildet einen geschlossenen Ringkanal. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung bildet sich zwischen Kathode und Anode ein elektrisches Feld aus. Im Bereich des Emissionsspaltes bzw. Ringkanals kreuzt dieses Feld das magnetische Feld. Diese Voraussetzungen sowie der Einlass eines Prozessgases sind hinreichend für die Ausbildung einer intensiven, magnetfeldverstärkten und ringförmig geschlossenen Plasmaentladung im Ringkanal zwischen Kathode und Anode. Unter dem Einfluss des gekreuzten elektrischen und des magnetischen Felds nehmen die Ionisationselektronen eine seitliche Driftbahn entlang des Ringkanals ein. Die Driftbewegung der Elektronen verstärkt die Kollisionswahrscheinlichkeit für Kollisionen der Ionisationselektronen mit neutralen Atomen des eingeleiteten Prozessgases, wodurch Ionen und weitere Elektronen erzeugt werden. Diese Ionen werden durch den über dem Ringkanal angeordneten Emissionsspalt ausgesandt und durch das elektrische Feld in Richtung auf das zu behandelnde Substrat beschleunigt.
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Die Verwendung derartiger Ionenquellen bei der Vorbehandlung von Substraten bietet gegenüber inversen Sputterätzern einige Vorteile. Insbesondere wirkt dabei das Substrat nicht als Elektrode, es erfolgt kein Durchgriff von Magnetfeldern durch metallische und ggf. ferromagnetische Substrate und das Verfahren ist unabhängig von der Dicke des Substrats. Ionenerzeugung, Ätzung und Kondensation abgetragenen Materials sind räumlich getrennt und die Betriebskosten werden gering gehalten, weil kein Materialabtrag von anderen Anlagenteilen, wie beispielsweise Kühlwalzen, erfolgt. Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Ionenquellen der genannten Art liegt jedoch darin, dass die erzielbare Leistungsdichte und somit die Ätzrate beschränkt sind. Während es noch erhebliche thermische Reserven im Quellendesign bezüglich des möglichen Leistungseintrags gibt, ist die tatsächlich einspeisbare Leistung bei gegebener Anodenspannung im besonders effektiven fokussierten Modus nach oben durch die Stabilität der Plasmaentladung beschränkt. Die Leistung sowie der Ionenstrom lassen sich bei konstanter Spannung durch Erhöhung des Gasflusses durch die Quelle erhöhen, es gibt jedoch kritische Gasflüsse, bei denen die fokussierte Entladung in den weniger effizienten diffusen Modus kippt. Hierin liegt die Begrenzung.
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Aus
US 4 277 304 A ist eine Ionenquelle bekannt, bei der das Magnetsystem kammartig verzweigt ist und der Emissionsspalt, der Außenkontur des verzweigten Magnetsystems mit konstantem Abstand folgend, labyrinthartig ausgestaltet ist. Die labyrinthartige Gestaltung wird dadurch erreicht, dass der Emissionsspalt aus einer Kombination ausschließlich geradliniger Abschnitte, die rechtwinklig aneinandergesetzt sind, zusammengesetzt ist. Dadurch wechseln sich über die Breite eines am Emissionsspalt vorbeigeführten Substrats gesehen quer zur Transportrichtung ausgerichtete Abschnitte des Emissionsspalts mit Abschnitten ab, die in der Transportrichtung verlaufen. Eine gleichmäßige Ionenstromdichte ist mit einer derartigen Ausgestaltung nicht erreichbar, weil der Energieeintrag durch die in der Transportrichtung verlaufenden Abschnitte des Emissionsspalts zwangsläufig viel größer ist als der durch die quer dazu ausgerichteten Abschnitte verursachte Energieeintrag.
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In
US 2007/0051622 A1 wird eine Ionenquelle mit langgestrecktem umlaufendem Emissionsspalt vorgeschlagen, dessen Breite abschnittsweise vergrößert ist, um die Intensität der Behandlung unabhängig von der Relativgeschwindigkeit verschiedener Bereiche eines rotierenden Wafers, die von deren jeweiliger radialer Koordinate abhängt, gleich zu halten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Ionenquelle anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet und bei der die Leistungsdichte und die Ionenstromdichte gegenüber bekannten Lösungen höher oder/und gleichmäßiger ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Ionenquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Ionenquelle, insbesondere eine Anode Layer Ionenquelle, mit einem Gehäuse, einer im Gehäuse angeordneten Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds und einer das Gehäuse abdeckenden Kathodenanordnung, wobei die Kathodenanordnung einen Emissionsspalt mit einer endlosen, dem Rand der Magnetanordnung geometrisch ähnlichen Grundform zur Aussendung von Ionen mit einer Zentrallinie und zwei dem Verlauf der Zentrallinie folgenden Rändern aufweist, der eine geschlossene Elektronendrift ermöglicht, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grundform des Emissionsspalts eine laterale Substruktur zur Vergrößerung der gestreckten Länge des Emissionsspalts überlagert ist.
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Die Grundform des Emissionsspalts der vorgeschlagenen Ionenquelle ist wie bei bekannten Ionenquellen dem Rand der Magnetanordnung geometrisch ähnlich, d. h. er folgt – mit einem gewissen Abstand – im wesentlichen der Randkontur dieser Magnetanordnung. Jedoch ist der Abstand der Zentrallinie des Emissionsspalts von der Magnetanordnung anders als bei bekannten Ionenquellen nicht unbedingt konstant, sondern kann variieren, weil der Grundform des Emissionsspalts eine laterale Substruktur überlagert ist.
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Lateral soll in diesem Sinne bedeuten, dass der Verlauf des Emissionsspalts durch die überlagerte Substruktur seitlich, d. h. in der Ebene der Kathodenanordnung und parallel zur Anode, von der durch die Grundform bestimmten Kontur abweicht. Bekannte Grundformen derartiger Ionenquellen sind Ellipsen, Kreise als Spezialfall der Ellipse mit einer Exzentrizität von Null sowie Grundformen, die durch die Kombination gerader und gekrümmter, beispielsweise kreisbogenförmiger, Abschnitte gekennzeichnet sind. Letztere Grundform wird häufig eingesetzt, um eine längliche Ionenquelle darzustellen, die besonders geeignet ist, flächige oder bandförmige Substrate zu behandeln, die an der Ionenquelle vorbeitransportiert werden, wobei sich die Ionenquelle quer zur Transportrichtung erstreckt. Diese Grundformen sind insbesondere auch für die Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Ionenquelle geeignet.
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Bei der aus geraden und gekrümmten Abschnitten zusammengesetzten Grundform des Emissionsspalts kann es vorteilhaft sein, nur bei geraden Abschnitten eine Überlagerung mit einer Substruktur vorzusehen, da die gekrümmten Abschnitte an den Enden der Ionenquelle im Einzelfall über das Substrat überstehen und ein hoher Ionenstrom an dieser Stelle gar nicht erwünscht ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Substruktur mindestens ein sich periodisch wiederholendes Grundmuster mit einer charakteristischen Länge auf. Die charakteristische Länge des Grundmusters ist der auf gerader Linie gemessene Abstand zwischen Anfang und Ende des Grundmusters der Substruktur.
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vorteilhaft ist die größte Abmessung des Emissionsspalts mindestens dreimal so groß wie die charakteristische Länge eines Grundmusters der Substruktur. Die größte Abmessung des Emissionsspalts bedeutet den Abstand zwischen den beiden am weitesten voneinander entfernten Punkten der Grundform, bei einer Ellipse also die doppelte Länge der Haupthalbachse a (große Halbachse). Je öfter das Grundmuster der Substruktur überlagert ist, desto größer wird der Längengewinn des Emissionsspalts gegenüber einem Emissionsspalt, dem keine Substruktur überlagert ist. Die Substruktur kann, wie aus der obigen Formulierung deutlich wird, auch aus einer Kombination mehrerer derartiger Grundmuster bestehen, um bspw. entlang des Emissionsspaltes die Ionenstromdichte zu variieren.
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Das Grundmuster der Substruktur kann verschiedene geometrische Formen aufweisen. Aus fertigungstechnischer und technologischer Sicht ist es jedoch am günstigsten, wenn das Grundmuster relativ einfach gehalten ist und keine übermäßig großen Richtungswechsel aufweist. Ein vorteilhaftes Grundmuster ist daher ein Zickzackmuster, d. h. eine Verbindung gerader Linienabschnitte, die die (gedachte) Grundform abwechselnd in entgegengesetzter Richtung schneiden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, ein Grundmuster als Sinuskurve oder eine der Sinuskurve ähnliche Kurve auszugestalten. Hierdurch werden Feldstärkespitzen reduziert und die Erosion des Kathodenmaterials im Betrieb vergleichmäßigt.
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In ähnlicher Weise kann eine besonders gleichmäßige Bewegung der Elektronen im Emissionsspalt sowie ein homogenisiertes Magnetfeld entlang dessen Zentrallinie dadurch erzielt werden, dass beide Ränder des Emissionsspalts an jeder Stelle den gleichen senkrechten Abstand zur Zentrallinie des Emissionsspalts aufweisen. Wird hingegen für die Substruktur beispielsweise eine Sinuskurve als Grundmuster verwendet und werden die Ränder des Emissionsspalts lediglich als zwei identische, gegeneinander parallel verschobene Verläufe identischer Sinuskurven ausgeführt, so schwankt die senkrecht zur Zentrallinie gemessene Breite des Emissionsspalts, wobei die geringste Breite an den Wendepunkten der Kurve, die größte hingegen bei den Extrema auftritt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Substruktur so zu gestalten und der Grundform des Emissionsspalt zu überlagern, dass die gestreckte Länge des Emissionsspalts um mehr als 10% größer ist als die gestreckte Länge eines gleichartigen Emissionsspalts ohne Substruktur. Auf diese Weise wird eine signifikante Erhöhung der Leistungsdichte und der Ionenstromdichte bei gleich bleibenden Außenabmessungen der Ionenquelle erreicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Magnetsystem so konfiguriert ist, dass die magnetische Feldstärke H des Magnetfelds entlang der Zentrallinie des Emissionsspalts annähernd konstant ist. Dadurch wird erreicht, dass die auf die geladenen Teilchen wirkenden Kräfte des magnetischen und des elektrischen Felds an jeder Stelle annähernd gleich groß sind, so dass ein besonders gleichmäßiger Teilchenfluss erzielt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
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1 zwei bekannte Arten von Emissionsspalten,
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2 einen erfindungsgemäßen Emissionsspalt und
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3 verschiedene erfindungsgemäße Formen von Emissionsspalten.
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In 1 sind einerseits ein langgestreckter, d. h. aus geraden und gekrümmten Abschnitten zusammengesetzter, und andererseits ein kreisförmiger Emissionsspalt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Über diese Grundformen hinaus weisen die bekannten Emissionsspalte keine Substruktur auf. Dadurch sind der Größe der Leistungsdichte und der Ionenstromdichte Grenzen gesetzt.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Emissionsspalt, wie er bei einer Ionenquelle zur Erhöhung der Leistungsdichte und der Ionenstromdichte verwendet werden könnte. Es handelt sich um einen langgestreckten Emissionsspalt, d. h. seine Grundform ist aus geraden und ungeraden Abschnitten zusammengesetzt. Der Grundform ist eine Substruktur überlagert, deren Grundmuster ein Zickzackmuster ist. Dieses Zickzackmuster wiederholt sich periodisch. Die Überlagerung betrifft jedoch nur die geraden Abschnitte der Grundform.
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In 3 sind Ausschnitte aus verschiedenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Emissionsspalte dargestellt, und zwar von oben nach unten überlagert mit einem Zickzackmuster, einer Sinuskurve, bei der beide Ränder des Emissionsspalts als identische, lediglich gegeneinander verschobene Kurven ausgeführt sind, und eine Sinuskurve, bei der der senkrecht zur (gestrichelt dargestellten) Zentrallinie gemessene Abstand beider Ränder konstant gehalten ist.
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Bei der oberen und der mittleren Ausführungsform schwankt die Breite des Emissionsspaltes, während er bei der unteren Ausführungsform an jeder Stelle gleich ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die sich wiederholende Substruktur im rückläufigen Teil des Emissionsspaltes um einen Bruchteil der Länge des verwendeten Grundmusters gegenüber dem hinlaufenden Teil versetzt angeordnet, so dass sich lokale Maxima und Minima in der Emissionsstromverteilung ausmitteln. Hierbei verlaufen der hin- und rückläufige Teil des Emissionsspaltes im Wesentlichen quer zur einer beabsichtigten Substrattransportrichtung. Zwar kommt es bereits durch den fächerförmigen Austritt des Ionenstroms aus dem Spalt zu einer Vergleichmäßigung der Ionenstromverteilung auf dem Substrat, der räumliche Versatz der Substruktur quer zum Substrattransport führt jedoch zu einer zusätzlichen Homogenisierung. Im Falle einer Sinusförmigen Substruktur führt bspw. eine Verschiebung um 25% zu einem optimalen Ausgleich von Maxima und Minima in der Ionenstromdichte.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die Kathodenanordnung aus Blechen, welche sich direkt oder mittels Klemmleisten von vorn auf das Gehäuse der Ionenquelle schrauben lassen und sich besonders gut für die maschinelle Einbringung der Substruktur mittels eines einfachen Schneidverfahrens, bspw. mittels Laser, eignen.
