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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats mittels einer Ionenstrahlvorrichtung nach Patent Nr.
DE 10 2010 040 324 mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Ionenstrahlvorrichtung zur Bearbeitung eines Substrats mittels einer Ionenstrahlvorrichtung nach Patent Nr.
DE 10 2010 040 324 mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
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Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, dass besonders für so genannte Mikro- und Nanotechnologien eine genaue Bearbeitung von Oberflächen eines Substrats erfolgt. Sowohl eine Fertigung gezielt vorgebbarer Schichtdicken durch ein so genanntes Abdünnen von Schichten in der Dünnschichttechnologie und ein gezielter Abtrag einzelner Atomlagen als auch eine Nano-Profilierung von so genannten „high-grade-Oberflächen” werden mittels Ionenstrahlen durchgeführt.
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Neben geometrischen Änderungen einer Oberflächentopographie des Substrats, die durch Abtragungen oder Beschichtungen durchgeführt werden, sind bei den Mikro- und Nanotechnologien auch lokale Änderungen von Eigenschaften der Oberfläche von Bedeutung. Es ist bekannt, dass bei ionenstrahlgestützten Abscheidungsverfahren durch ein gleichzeitiges Auftreffen von Ionen während der Beschichtung auf dem Substrat die Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht beeinflusst werden. Damit ist eine Dichte der abgeschiedenen Schicht variabel vorgebbar und ein Wachstum der Schicht von amorphen zu kristallinen Zuständen änderbar. Auch ist eine Stöchiometrie der Schicht beeinflussbar.
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Aus dem Stand der Technik sind allgemein Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats mittels eines Ionenstrahls und Ionenstrahlvorrichtungen zur Bearbeitung eines Substrats bekannt. Die Ionenstrahlvorrichtung umfasst eine Ionenstrahlquelle zur Erzeugung des Ionenstrahls, wobei der Ionenstrahl zur Bearbeitung des Substrats auf zumindest eine Oberfläche desselben geführt wird. Bei der Bearbeitung der Oberfläche wird eine definierte Oberflächenstruktur eingebracht oder die Oberfläche in Teilbereichen oder vollständig geglättet oder Oberflächenformabweichungen durch lokalen Abtrag reduziert. Dabei werden unter der definierten Oberflächenstruktur alle auf definierte Flächenbereiche der Oberfläche bezogenen physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie eine Oberflächentopografie verstanden. Zur genauen Positionierung und Dimensionierung des Ionenstrahls auf der Oberfläche und zur Einstellung von dessen Querschnitt ist eine Blende vorgesehen, welche zwischen der Ionenstrahlquelle und dem Substrat angeordnet ist.
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Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung zur Ionenstrahlbearbeitung einer Oberfläche eines Substrates offenbart die
EP 1 680 800 B1 , wobei das Substrat gegenüber einem Ionenstrahl, der von einer Ionenstrahlquelle erzeugt wird, positioniert wird. Ein bekanntes Eigenschaftsmuster der Oberfläche des Substrates wird durch den Ionenstrahl partiell derart bearbeitet, dass ein neues technologisch definiertes Eigenschaftsmuster ausgebildet wird. Dabei wird das aktuelle geometrische Wirkungsmuster des Ionenstrahls auf der Oberfläche des Substrates in Abhängigkeit des bekannten Eigenschaftsmusters und des neuen technologisch definierten Eigenschaftsmusters sowie in Abhängigkeit des Verfahrensfortschrittes durch Veränderung der Strahlcharakteristik und/oder durch Pulsung des Ionenstrahles eingestellt. Bei der Bearbeitung der Oberfläche mit dem Ionenstrahl wird ein Materialabtragsvolumen mittels einer Verweildauer des Ionenstrahls, eines Stromflusses und einer Energieverteilung des Ionenstrahls bestimmt.
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Weiterhin offenbart die
DE 41 08 404 A1 ein Verfahren zur Steuerung einer Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen unter Verwendung einer Breitstrahlionenquelle. Ein zwischen der Breitstrahlionenquelle und einer zu bearbeitenden Festkörperoberfläche befindliches System aus mindestens drei unabhängig voneinander auf einer Geraden bewegbaren Blenden wird erfindungsgemäß auf der Basis von Korrekturdaten sowie Randbedingungen über ein Digitalrechner-Stellgliedsystem nach einer Simulationsbearbeitungsstrategie in Lage-, Form- und Öffnungszeit zur zonalen und lokalen Oberflächenbearbeitung zeitoptimiert verändert, so dass entsprechend der Genauigkeitsanforderungen eine beliebige Oberflächenbearbeitung durchführbar ist.
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Die
EP 2 026 373 A1 beschreibt eine Positioniereinrichtung zum Positionieren einer Blende in einem Ionenstrahl einer Ionenimplantationsanlage. Die Positioniereinrichtung umfasst zwei mittels mindestens eines Positionierantriebs relativ zueinander verstellbare Vorrichtungsteile, von denen das eine mit einer ortsfest zu einer Ionenstrahlquelle angeordneten Widerlagerstelle und das andere mit der Blende verbindbar oder verbunden ist. Das zweite Vorrichtungsteil ist zusammen mit einer daran angeordneten Masseplatte, einer Elektrodenplatte und der Blende mit Hilfe von elektrischen Positionierantrieben in den drei Raumrichtungen relativ zum Ionenstrahl positionierbar. Die Blende besteht aus für den Ionenstrahl undurchlässigem Graphit.
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Aus der
JP 62018030 A ist ein Verfahren zur Verbesserung eines Betriebes einer Ionenstrahl-Ätzvorrichtung bekannt, wobei ein Ätzbereich periodisch mit einem Reinigungsplasma zur Reinigung zwischen kontinuierlichen Ätzprozessen beaufschlagt wird. Als Reinigungsplasma wird ein sauerstoffhaltiges Gas verwendet, welches in den Ätzbereich zwischen eine den Ionenstrahl erzeugende Ionenquelle und ein mittels des Ionenstrahls zu bearbeitendes Substrat geführt wird. Dabei wird in dem Ätzbereich abgeschiedener Kohlenstoff mit dem sauerstoffhaltigen Gas oxidiert, so dass Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffmonooxid entsteht, welches durch eine Absaugöffnung abgeführt wird.
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Ferner sind aus der
US 6 394 109 B1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernung von Kohlenstoff-Verunreinigungen bekannt. Die Kohlenstoff-Verunreinigungen entstehen während der Herstellung von Halbleiterwafern in einem Lithografieverfahren mit geladenen Teilchen auf einer Maske oder in einer Bearbeitungskammer zur Durchführung der Herstellung. Die Kohlenstoff-Verunreinigungen werden mittels eines Oxidationsmittels von der Maske oder aus der Bearbeitungskammer entfernt. In der Bearbeitungskammer befindet sich eine Quelle zur Erzeugung der geladenen Teilchen, wobei das Oxidationsmittel ungerichtet in die Bearbeitungskammer eingeleitet wird. Das Oxidationsmittel umfasst Bestandteile von Sauerstoff, Ozon, Distickstoffmonooxid, Wasserdampf, dotierte Sauerstoff-Verbindungen und Alkohole.
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Weiterhin sind aus ”F. Bigl et al.: Oberflächenpräzisionsbearbeitung mit Ionenstrahlen. In: Vakuum in Forschung und Praxis, 1, 1988, 50–56”, ”Volkert et. al.: Focused ion beam microscopy and micromachining, MRS bulletin 32.05 (2007), S. 389–399 (URL: http://www.nanolab.ucla.edu/pdf/MRS_Bulletin_2007FIB_machining.pdf)”, der
DE 10 2008 049 655 A1 und der
GB 2 455 121 A Ionenstrahlbearbeitungsverfahren bekannt, bei welchen ein Ionenstrahl über Blenden auf eine Werkstückoberfläche gerichtet und geführt wird. Aus der
DE 10 2008 049 655 A1 und ”Volkert et. al.: Focused ion beam microscopy and micromachining, MRS bulletin 32.05 (2007), S. 389–399” ist weiterhin bekannt, zum Zweck einer Ladungskompensation oder zur Bildaufnahme Elektronen auf das Werkstück zu richten.
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Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, zu Reinigungszwecken und zur Vermeidung von Kontaminationen geeignete Mittel einzusetzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Ionenstrahlvorrichtung und eine verbesserte Ionenstrahlvorrichtung zur Bearbeitung eines Substrats anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Ionenstrahlvorrichtung durch die im Anspruch 13 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats mittels eines Ionenstrahls wird der Ionenstrahl mittels einer Ionenstrahlquelle einer Ionenstrahlvorrichtung erzeugt und zur Bearbeitung des Substrats auf eine Oberfläche desselben gerichtet, wobei der Ionenstrahl durch eine Blende geführt wird, die zumindest teilweise aus kohlenstoffhaltigem Material gebildet ist. Zwischen die Blende und das Substrat wird ein mit Kohlenstoff reaktives Edukt derart in einer gerichteten Strömung geführt, dass mittels des Ionenstrahls aus der Blende gelöster Kohlenstoff oxidiert.
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Dadurch ist es möglich, mittels des Ionenstrahls von der Blende abgelösten Kohlenstoff zu oxidieren und somit ein Eindringen des Kohlenstoffs in die Oberfläche des Substrats oder eine Ablagerung des Kohlenstoffs auf der Oberfläche des Substrats zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Daraus resultiert in vorteilhafter Weise, dass Substrate mit einer besonders hohen Oberflächengüte herstellbar sind. Insbesondere optische Substrate, wie beispielsweise Linsen, erfordern eine besonders hohe Oberflächengüte und Reinheit des Materials, welche durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer besonders einfachen, genauen und effizienten Weise sichergestellt werden können, indem die Oberfläche des Substrats insbesondere geglättet und/oder formkorrigiert wird.
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Erfindungsgemäß werden außerhalb eines Abschattungsbereichs der Blende und/oder in Austrittsrichtung des Ionenstrahls nach der Blende Elektronen erzeugt, welche gerichtet auf die Oberfläche des Substrats geführt werden. Unter dem Abschattungsbereich der Blende wird ein Bereich verstanden, welcher zur Fokussierung des Ionenstrahls und zur Vermeidung von sich ungerichtet bewegenden Ionen vorgesehen ist.
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Bei bekannten Verfahren werden die Elektronen im Abschattungsbereich der Blende erzeugt und folgen dem Ladungsstrom, d. h. dem Ionenstrahl. Die Anzahl der Elektronen, die die Oberfläche erreichen, ist jedoch aufgrund der Abschattung nicht ausreichend für eine vollständige elektrische Neutralisierung der Oberfläche des Substrats. Aus der erfindungsgemäßen gerichteten Zuführung der Elektronen auf die Oberfläche des Substrats resultiert in besonders vorteilhafter Weise die Realisierung einer vollständigen elektrischen Neutralisierung einer Oberflächenladung des Substrats. Die Neutralisierung erfolgt durch Rekombination der Elektronen auf der Oberfläche des Substrats mit den Ionen des Ionenstrahls nach deren Auftreffen auf der Oberfläche. Die Elektronen erreichen in ausreichender Anzahl die Oberfläche, da diese ungehindert und gerichtet auf die Oberfläche geführt werden, wobei die Abschattung durch die Blende vermieden wird. Aus dieser Neutralisierung resultiert, dass unerwünschte Ablagerungen des aus der Blende gelösten und gegebenenfalls nicht oxidierten Kohlenstoffs auf der Oberfläche und Einschlüsse des Kohlenstoffs in dem Substrat vermieden oder zumindest weiter vermindert werden. Daher ist die Oberflächengüte des erzeugten Substrats weiter verbessert.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Elektronen mittels zumindest einer zwischen der Blende und der Oberfläche des Substrats angeordneten Glühwendel erzeugt. Hierbei handelt es sich um eine besonders kostengünstige und einfach zu integrierende Lösung, wobei die Glühwendel vorzugsweise den Ionenstrahl und/oder die Blende vollständig ringförmig umgebend angeordnet ist, so dass eine symmetrisch zum Ionenstrahl verlaufende gerichtete ”Strömung” der Elektronen auf die Oberfläche möglich ist, welche die Rekombination der Ionen und Elektronen begünstigt.
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Alternativ oder zusätzlich werden die Elektronen mittels zumindest eines aus einem Plasma gewonnenen gerichteten Elektronenstrahls auf die Oberfläche des Substrats geführt. Diese Ausführung zeichnet sich durch die Möglichkeit der besonders genauen Führung der Elektronen und einer besonders exakten Positionierung einer Auftrefffläche der Elektronen im Bereich des auftreffenden Ionenstrahls auf der Oberfläche des Substrats aus, wodurch ebenfalls die Rekombination der Ionen und Elektronen begünstigt ist.
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Weiterhin wird das Edukt vorzugsweise berührungsfrei an der Blende vorbeigeführt, so dass eine Reaktion des in der Blende enthaltenen Kohlenstoffs mit dem Edukt und eine daraus folgende Beschädigung der Blende vermieden werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird der oxidierte Kohlenstoff in der Strömung des Eduktes abgeführt, so dass ein Auftreffen des oxidierten Kohlenstoffs auf die Oberfläche des Substrats verhindert wird. Daraus resultiert eine optimierte Oberflächenbearbeitung und Oberflächengüte des Substrats.
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Als Edukt wird insbesondere ein Plasma oder Gas verwendet, welches sich jeweils einfach und sehr genau in den Raum zwischen der Blende und dem Substrat führen lässt.
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Zur Erzielung einer möglichst vollständigen Oxidation des Kohlenstoffs werden als Gas in einer Ausgestaltung Sauerstoff, Ozon, Distickstoffmonooxid, Wasserdampf und/oder sauerstoffhaltige Verbindungen und/oder ein sauerstoffhaltiges Plasma verwendet.
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Um eventuell in die Oberfläche des Substrats eingetragenen und/oder auf der Oberfläche des Substrats abgelagerten Kohlenstoff nach der Bearbeitung der Oberfläche zu entfernen, wird gemäß einer besonderen Ausführungsform ein sauerstoffhaltiges Plasma, beispielsweise ein Sauerstoffplasma, auf die Oberfläche des Substrats geführt. Hierdurch wird nicht oder nur teilweise oxidierter Kohlenstoff von der Oberfläche gelöst und somit die Oberflächengüte des Substrats weiter verbessert.
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Ein besonderer Vorteil der Verwendung des sauerstoffhaltigen Plasmas zum Abtrag des verbliebenen Kohlenstoffs von der Oberfläche ist, dass Kohlenstoff auch dann besonders effektiv oxidiert, wenn er bereits abgelagert und damit selbst wenig reaktiv ist, so dass im Wesentlichen der Kohlenstoff abgetragen wird und ein zusätzlicher Abtrag von Oberflächenmaterial des Substrats minimiert wird.
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Alternativ oder zusätzlich wird nach der Bearbeitung der Oberfläche mittels des Ionenstrahls die Blende entfernt und auf die Oberfläche des Substrats wird ein kohlenstofffreier Ionenstrahl geführt, um eventuell in die Oberfläche des Substrats eingetragenen und/oder auf der Oberfläche des Substrats abgelagerten Kohlenstoff nach der Bearbeitung der Oberfläche zu entfernen.
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Die Ionenstrahlvorrichtung zur Bearbeitung eines Substrats mittels eines Ionenstrahls umfasst eine Ionenstrahlquelle zur Erzeugung des Ionenstrahls und zumindest eine zwischen der Ionenstrahlquelle und dem Substrat angeordnete Blende zur Einstellung eines Querschnitts des Ionenstrahls, wobei der Ionenstrahl durch die Blende führbar ist und wobei die Blende aus kohlenstoffhaltigem Material gebildet ist. Es ist eine Zuführungseinheit zur Zuführung eines mit Kohlenstoff reaktiven Eduktes vorgesehen, wobei die Zuführungseinheit derart angeordnet ist, dass das Edukt in einer gerichteten Strömung zwischen die Blende und das Substrat führbar ist, so dass mittels des Ionenstrahls aus der Blende gelöster Kohlenstoff oxidiert.
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Eine Integration der Zuführungseinheit ist dabei mit geringem Material-, Montage- und Kostenaufwand durchführbar, so dass es mit besonders geringem Aufwand möglich ist, in einfacher, genauer und effizienter Weise die Oberfläche des Substrats zu bearbeiten und gleichzeitig ein Eindringen des Kohlenstoffs in die Oberfläche des Substrats oder eine Ablagerung des Kohlenstoffs auf der Oberfläche des Substrats zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
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Erfindungsgemäß ist außerhalb eines Abschattungsbereichs der Blende und/oder in Austrittsrichtung des Ionenstrahls nach der Blende eine Elektronenerzeugungseinheit angeordnet, mittels welcher Elektronen gerichtet auf die Oberfläche des Substrats führbar sind.
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Aus der erfindungsgemäßen Anordnung der Elektronenerzeugungseinheit und der gerichteten Zuführung der Elektronen auf die Oberfläche des Substrats resultiert in besonders vorteilhafter Weise die Realisierung einer vollständigen elektrischen Neutralisierung einer Oberflächenladung des Substrats, wobei gegenüber aus dem Stand der Technik bekannter Vorrichtungen die Abschattung der Elektronen vermieden wird und dadurch Ablagerungen und ein Eindringen von gegebenenfalls nicht oxidiertem Kohlenstoff auf der Oberfläche bzw. in diese zumindest weiter verringert oder vollständig vermieden werden.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ionenstrahlvorrichtung umfasst die Elektronenerzeugungseinheit zumindest eine Glühwendel, welche eine einfach zu integrierende und besonders kostengünstige Lösung darstellt. Die Glühwendel umgibt den Ionenstrahl und/oder die Blende vorzugsweise vollständig ringförmig, so dass eine symmetrisch zum Ionenstrahl verlaufende gerichtete ”Strömung” der Elektronen auf die Oberfläche möglich ist.
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Alternativ oder zusätzlich umfasst die Elektronenerzeugungseinheit zumindest eine Plasmaerzeugungseinheit zur Erzeugung eines aus einem Plasma gewonnenen gerichteten Elektronenstrahls. Die Plasmaerzeugungseinheit umfasst dabei eine so genannte Anoden/Kathoden-Kombination des Plasmas und zeichnet sich dadurch aus, dass eine besonders genaue Führung der Elektronen und eine besonders exakte Positionierung einer Auftrefffläche der Elektronen im Bereich des auftreffenden Ionenstrahls auf der Oberfläche des Substrats realisierbar sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ionenstrahlvorrichtung ist die Blende demontierbar und/oder vollständig aus einem Ausbreitungsbereich des Ionenstrahls schwenkbar. Somit sind zum einen in einfacher Weise verschiedene Blenden zwischen der Ionenstrahlquelle und dem Substrat anordbar, so dass verschiedene Ionenstrahle erzeugbar sind und unterschiedliche Oberflächenbearbeitungen des Substrats möglich sind. Zum anderen resultiert aus der Demontierbarkeit und/oder Verschwenkbarkeit der Blende der Vorteil, dass diese zum flächigen Aufbringen des Ionenstrahls vollständig außerhalb des Bereichs zwischen der Ionenstrahlquelle und dem Substrat positionierbar ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ionenstrahlvorrichtung sind mehrere Blenden verschwenkbar im Bereich zwischen der Ionenstrahlquelle und dem Substrat angeordnet, wobei die Blenden vorzugsweise revolverartig angeordnet sind. Daraus resultiert eine Verringerung des Aufwands beim Wechsel der Blenden für die unterschiedlichen Oberflächenbearbeitungen des Substrats.
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Zur Abführung des oxidierten Kohlenstoffs ist in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ionenstrahlvorrichtung eine Absaugeinheit vorgesehen. Hieraus ergeben sich die Möglichkeiten einer effektiven und vollständigen Abführung des oxidierten Kohlenstoffs und insbesondere die gezielte Zuführung der Reaktionsprodukte in eine Filter- und/oder Katalysatoreinheit zur Reinigung der bei der Reaktion des Kohlenstoffs mit dem Edukt entstehenden Reaktionsprodukte.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Blende aus Kohlenstoff mittels einer Kühleinrichtung gekühlt wird. Dadurch wird der Anteil des durch den Ionenstrahl aus der inneren Oberfläche der Blende heraus gelösten Kohlenstoffs reduziert. Zudem haftet außen vom Substrat auf die Blende zurückgesputtertes Material besser an der Blende an, so dass der Grad an Verschmutzung auf dem Substrat wirksam reduziert wird.
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Besonders bevorzugt wird das Edukt im Bereich eines fokussierten Ionenstrahls und/oder im Bereich einer mittels des Ionenstrahls zu bearbeitenden Stelle des Substrates zugeführt.
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Bevorzugt wird ein Ionenstrahl mit Ionen einer Geschwindigkeit zwischen 300 eV und 1.300 eV, insbesondere zwischen 600 eV und 1.000 eV oder zwischen 700 eV und 900 eV verwendet. Dadurch ist einerseits ein Energieeintrag hoch genug, um eine wirksame Oberflächenbearbeitung zu ermöglichen und andererseits gering genug, um eine tiefgehende Zerstörung der Oberfläche des Substrates zu verhindern. Die Geschwindigkeit der Ionen bestimmt die Energie des Ionenstrahls I und ist durch die Größe einer Beschleunigungsspannung einstellbar, die an die Gitter der Bündelungseinheit angelegt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenstrahlvorrichtung zur Bearbeitung eines Substrats mittels eines Ionenstrahls,
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2 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenstrahlvorrichtung zur Bearbeitung eines Substrats mittels eines Ionenstrahls,
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3 eine ausschnittsweise schematische frontale Ansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenstrahlvorrichtung und
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4 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer ersten Ausführungsform einer Blende der erfindungsgemäßen Ionenstrahlvorrichtung.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ionenstrahlvorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Substrats 2 mittels eines Ionenstrahls I dargestellt.
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Bei dem Substrat 2 handelt es sich um ein als optische Linse, Spiegel, etc, ausgebildetes Werkstück, wobei mittels des Ionenstrahls I eine definierte Struktur in eine Oberfläche 2.1 der Linse eingebracht wird oder die Oberfläche 2.1 geglättet und/oder formkorrigiert wird.
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Zur Erzeugung des Ionenstrahls I umfasst die Ionenstrahlvorrichtung 1 eine Ionenstrahlquelle 1.1, welcher ein Argon-Gas G zugeführt wird. Das Argon-Gas G wird dabei insbesondere mit einem Volumenstrom von 3 scm3/s (Standardkubikzentimeter pro Sekunde) bis 5 scm3/s zugeführt. Alternativ ist die Verwendung anderer Gase möglich. Ebenso sind alternativ andere Volumenströme möglich, wobei der Volumenstrom vorzugsweise individuell einstellbar ist.
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Der Ionenstrahl I wird durch Beschleunigung der Ionen des Argon-Gases G erzeugt, wobei zur Erzeugung eines Plasmas in einem Topf 1.1.3 eine elektrische Spule 1.1.1 vorgesehen ist, welche ein elektrisches Wechselfeld erzeugt. Der Ionenstrahl I wird gebildet, indem Ionen mittels einer Bündelungseinheit 1.1.2, welche bevorzugt durch drei gekrümmte und unterschiedlich elektrisch geladene Gitter aus Kohlenstoff gebildet wird, aus dem Plasma herausgelöst und in Richtung des zu bearbeitenden Substrates 2 beschleunigt werden.
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Innerhalb der Ionenstrahlvorrichtung 1 herrscht ein so genanntes Hochvakuum. Dabei sind die Ionenstrahlquelle 1.1 und das Substrat 2 innerhalb eines nicht näher dargstellten und weitestgehend leeren Raumes angeordnet, in welchem das Hochvakuum erzeugt wird.
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Beim Auftreffen des Ionenstrahls I auf die Oberfläche 2.1 des Substrats 2 findet eine Impulsübertragung von den im Ionenstrahl I befindlichen hochenergetischen Ionen auf das Substrat 2 statt, so dass Moleküle und/oder Atome aus der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 herausgelöst und somit abgetragen werden. Dieser Prozess wird auch als Sputtern bezeichnet.
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Zur gerichteten Führung des Ionenstrahls I und zur Einstellung eines Querschnitts des Ionenstrahls I, insbesondere zur Einstellung des Querschnitts des Ionenstrahls I auf der Oberfläche 2.1 des Substrats 2, umfasst die Ionenstrahlvorrichtung 1 eine Blende 1.3. Dadurch ist es möglich, den Ionenstrahl I auf definierte Positionen auf der Oberfläche 2.1 zu führen.
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Die Blende 1.3 ist zwischen der Ionenstrahlquelle 1.1 und dem Substrat 2 angeordnet und weist am Ausgang einen definierten Durchmesser auf, mittels welchem eine Reduktion der Leistung des Ionenstrahls I, insbesondere ein Bearbeitungsdurchmesser desselben, vorgebbar ist und somit der Abtrag von der Oberfläche 2.1 regulierbar ist. Der Durchmesser der Austrittsöffnung der Blende 1.3 ist zum Beispiel derart gewählt, dass 50% oder 90% oder 99% der Argon-Ionen aus dem Ionenstrahl I abgeschattet bzw. zurückgehalten werden.
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Die Blende 1.3 ist vorzugsweise in einem Abstand von 6 mm vor der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 angeordnet. Alternativ sind auch andere Abstände möglich, wobei das Substrat 2 relativ zur Blende 1.3, die Blende 1.3 relativ zum Substrat 2 und/oder die Blende 1.3 relativ zur Ionenstrahlquelle 1.1 variabel anordbar sind. Der Abstand zwischen der Blende 1.3 und der Oberfläche 2.1 beträgt insbesondere 2 mm bis 10 mm. Auch ist vorzugsweise ein Abstand zwischen der Ionenstrahlquelle 1.1 und dem Substrat 2 variabel einstellbar. Ebenso ist bevorzugt ein Abstand zwischen der Ionenstrahlquelle 1.1 und der Blende 1.3 variabel einstellbar.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Ionenstrahlvorrichtung 1 mehrere Blenden 1.3, welche revolverartig angeordnet sind. Die Blenden 1.3 weisen verschiedene Maße, insbesondere verschiedene Durchmesser und/oder Formen der Auslassöffnungen auf, um verschiedene Querschnitte des Ionenstrahls I zu erzeugen.
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Die Blenden 1.3 sind dabei drehbar bzw. schwenkbar vor der Ionenstrahlquelle 1.1 angeordnet, so dass die gewünschten Eigenschaften des Ionenstrahls I durch einfaches Verdrehen des Revolvers und die daraus folgende Positionierung der jeweiligen Blende 1.3 zwischen der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 und der Ionenstrahlquelle 1.1 vorgebbar sind. Ein beispielhafter Revolver weist vier Blenden 1.3 auf, die durch verschiedene Durchmesser der Auslassöffnung gekennzeichnet sind. Die Durchmesser betragen 3 mm, 1,5 mm, 1 mm und 0,5 mm. Alternativ sind Revolver mit einer abweichenden Anzahl an Blenden 1.3 und/oder abweichenden Blendendurchmessern möglich. Bevorzugt ist eine Position einstellbar, in der die Blende den Ionenstrahl I überhaupt nicht beeinflusst, insbesondere reduziert.
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Um die Abschattung bzw. Zurückhaltung der Argon-Ionen zu ermöglichen, ist es erforderlich, dass die Blende 1.3 aus für den Ionenstrahl I undurchlässigem Material besteht. Besonders geeignet ist hierfür Graphit, d. h. Kohlenstoff, da dieser eine geringe Sputterrate aufweist. Jedoch wird durch den Ionenstrahl I Kohlenstoff aus dem festen Verbund der Blende 1.3 gelöst und teilweise mit dem Ionenstrahl I in Richtung der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 transportiert.
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Da der aus der Blende 1.3 gelöste Kohlenstoff eine relativ geringe Energie von ungefähr 10 eV aufweist, haftet dieser besonders gut auf der Oberfläche 2.1 des Substrats. Aus den Anhaftungen des Kohlenstoffs resultiert eine Verschlechterung der Oberflächengüte des Substrats 2, insbesondere eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften der Linse, insbesondere eine Verschlechterung ihrer Transmission. Deshalb ist es erforderlich, Kohlenstoffanhaftungen an der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 und ein Eindringen des Kohlenstoffs in das Substrat 2 zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
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Zu diesem Zweck umfasst die Ionenstrahlvorrichtung 1 eine Zuführungseinheit 1.4, mittels welcher ein mit Kohlenstoff reaktives Edukt E in einer gerichteten Strömung zwischen die Blende 1.3 und die zu bearbeitende Oberfläche 2.1 des Substrats 2 geführt wird. Das Edukt E ist ein sauerstoffhaltiges Gas, welches bei der chemischen Reaktion mit Kohlenstoff zu einer Oxidation des Kohlenstoffs gemäß folgender Gleichung führt: 2C + O2 → 2CO. [1]
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Dabei entsteht als Reaktionsprodukt Kohlenstoffmonooxid.
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Alternativ oder zusätzlich wird der Kohlenstoff gemäß folgender Gleichung zu Kohlenstoffdioxid oxidiert: C + O2 → CO2. [2]
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Um die Oxidation des Kohlenstoffs zu realisieren, werden als Edukt E, d. h. als Gas, Sauerstoff, Ozon, Distickstoffmonooxid, Wasserdampf und/oder andere sauerstoffhaltige Verbindungen verwendet, welche mit der Zuführungseinheit 1.4 in der gerichteten Strömung zwischen die Blende 1.3 und die Oberfläche 2.1 des Substrats 2 geführt werden. Um eine Beschädigung oder Zerstörung der Blende 1.3 zu vermeiden, wird das Edukt E berührungsfrei an der Blende 1.3 vorbeigeführt.
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Das Edukt E wird dabei insbesondere mit einem Volumenstrom von 0,3 cm3/s bis 0,5 cm3/s zugeführt. Alternativ sind andere Volumenströme möglich, wobei der Volumenstrom vorzugsweise individuell einstellbar ist. Vorteilhafterweise beträgt der Volumenstrom des Edukts E zwischen 5% und 15%, besonders bevorzugt 10%, des Volumenstroms des eingeleiteten Argon-Gases G.
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Um eventuell nicht oxidierten Kohlenstoff, welcher sich auf der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 abgelagert hat, von dieser zu entfernen, wird nach der mittels des Ionenstrahls I durchgeführten Bearbeitung der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 ein sauerstoffhaltiges Plasma auf die Oberfläche 2.1 des Substrats 2 geführt, mittels welchem der Kohlenstoff oxidiert und von der Oberfläche 2.1 abgetragen wird. Die Oberfläche 2.1 des Substrats 2 selbst wird dabei nicht oder nicht wesentlich verändert.
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Alternativ oder zusätzlich wird hierzu die Blende 1.3 nach der Bearbeitung der Oberfläche 2.1 mit dem Ionenstrahl I demontiert oder vollständig aus dem Ausbreitungsbereich des Ionenstrahls geschwenkt. Alternativ wird das Substrat 2 zu einer zweiten Quelle bewegt, welche ein sauerstoffhaltiges Plasma emittiert.
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Ferner wird alternativ oder zusätzlich nach der mittels des Ionenstrahls I durchgeführten Bearbeitung der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 ein kohlenstofffreer oder zumindest kohlenstoffarmer Ionenstrahl I geführt, mittels welchem der Kohlenstoff von der Oberfläche 2.1 abgetragen wird. Ein zumindest kohlenstoffarmer Ionenstrahl I ist erzeugbar, indem keine Blende aus Kohlenstoff verwendet wird; ein derartiger Ionenstrahl I weist nur einen geringen Anteil von Kohlenstoff auf, der aus den aus Kohlenstoff bestehenden Gittern der Bündelungseinheit 1.1.2 herausgelöst wurden.
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Besonders effektiv ist es, zur Entfernung von nicht oxidiertem Kohlenstoff, welcher sich auf der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 abgelagert hat, eine Ionenstrahlvorrichtung mit Bündelungseinheit 1.1.2, aber ohne Blende 1.3 zu verwenden und dabei mittels der Zuführungseinheiten 1.4 das Edukt E zuzuführen.
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Um die Ablagerung des aus der Blende gelösten und gegebenenfalls nicht oxidierten Kohlenstoffes auf der Oberfläche 2.1 weiter zu verringern ist in Austrittsrichtung des Ionenstrahls I nach der Bündelungseinheit 1.1.2 eine Glühwendel 1.2 angeordnet, mittels welcher Elektronen e– mit einer geringen Energie erzeugt werden. Diese Elektronen e– folgen dem Ladungsstrom, d. h. dem Ionenstrahl, und rekombinieren auf der Oberfläche 2.1 mit den Argon-Ionen des Ionenstrahls I nach deren Auftreffen auf der Oberfläche 2.1. Hierdurch soll verhindert werden, dass es zu einer durch den Beschuss der Oberfläche 2.1 mit den Argon-Ionen hervorgerufenen positiven elektrischen Aufladung der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 kommt. Da jedoch durch die Blende 1.3 auch die Elektronen e– abgeschattet werden, ist keine ausreichende Zuführung von Elektronen e– auf die Oberfläche 2.1 möglich. Somit ist eine vollständige elektrische Neutralisierung der Oberfläche 2.1 des Substrats 2 nicht möglich, wodurch die Ablagerung des Kohlenstoffes begünstigt wird.
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Zu einer vollständigen Vermeidung oder zumindest weiteren Verminderung der durch den Beschuss der Oberfläche 2.1 mit den Argon-Ionen hervorgerufenen positiven elektrischen Aufladung der Oberfläche 2.1 ist zusätzlich eine Elektronenerzeugungseinheit 1.5 vorgesehen, welche außerhalb des Abschattungsbereichs der Blende 1.3 angeordnet ist. In nicht näher dargestellter Weise kann die Elektronenerzeugungseinheit 1.5 zusätzlich in Austrittsrichtung des Ionenstrahls I nach der Blende 1.3 angeordnet sein.
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Mittels der Elektronenerzeugungseinheit 1.5 werden Elektronen e– erzeugt und gerichtet auf die Oberfläche 2.1 des Substrats 2 geführt, wo diese mit den Argon-Ionen rekombinieren.
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Dabei umfasst die Elektronenerzeugungseinheit 1.5 im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Glühwendel 1.2, welche die Elektronen e– erzeugt. In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst die Elektronenerzeugungseinheit 1.5 mehrere in Austrittsrichtung des Ionenstrahl I insbesondere hintereinander angeordnete Glühwendeln 1.2.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Ionenstrahlvorrichtung 1 gezeigt, welche sich vom in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die Elektronenerzeugungseinheit 1.5 eine Plasmaerzeugungseinheit zur Erzeugung eines aus einem Plasma gewonnenen gerichteten Elektronenstrahls ES umfasst. Die Erzeugung der Elektronen e– erfolgt hierbei anhand einer nicht gezeigten Anoden/Kathoden-Kombination, wobei der Elektronenstrahl ES sehr genau an einer Auftrefffläche des Ionenstrahls I auf der Oberfläche des Substrats positionierbar ist.
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In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst die Elektronenerzeugungseinheit 1.5 mehrere vorzugsweise radial um die Blende 1.3 angeordnete Plasmaerzeugungseinheiten, mittels welchen mehrere auf die Oberfläche 2.1 gerichtete Elektronenstrahle ES erzeugt werden.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem mehrere Zuführungseinheiten 1.4 im Bereich der Blende 1.3 angeordnet sind.
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Die Elektronenerzeugungseinheit 1.5 umfasst hierbei die Glühwendel 1.2 zur Erzeugung der Elektronen e–. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Elektronenerzeugungseinheit 1.5 weitere Glühwendeln 1.2 und/oder zumindest eine Plasmaerzeugungseinheit zur Erzeugung der Elektronen e–.
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In 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer speziellen Blende 1.3 dargestellt, deren äußerer, dem Substrat 2 zugewandter Bereich, im Bereich seiner Öffnung geneigt ausgebildet ist, so dass der Öffnungsbereich der Blende 1.3 von außen kegelstumpfförmig ist. Dadurch wird überraschenderweise ein Ablagern von Kohlenstoff auf dem zu bearbeitenden Substrat 2 zusätzlich reduziert, da Ionen, die vom Substrat 2 reflektiert werden und die Blende 1.3 von außen treffen, aus derselben Kohlenstoff allenfalls in einer Richtung herauslösen, die nicht in Richtung des Substrates 2 verläuft.
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Die Innenseite der Blende 1.3 weist gemäß einer weiteren unabhängigen Ausgestaltung der Erfindung Abschnitte auf, die im Wesentlichen senkrecht zum Ionenstrahl I verlaufen, deren Normale also eine Neigung von weniger als 30°, besonders bevorzugt weniger als 20°, zur Richtung des Ionenstrahls I aufweisen, so dass Ionen, die auf diese Abschnitte der Blende 1.3 treffen, aus derselben Kohlenstoff im Wesentlichen in einer Richtung herauslösen, die ebenfalls nicht in Richtung des Substrates 2 verläuft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ionenstrahlvorrichtung
- 1.1
- Ionenstrahlquelle
- 1.1.1
- Spule
- 1.1.2
- Bündelungseinheit
- 1.1.3
- Topf
- 1.2
- Glühwendel
- 1.3
- Blende
- 1.4
- Zuführungseinheit
- 1.5
- Elektronenerzeugungseinheit
- 2
- Substrat
- 2.1
- Oberfläche
- E
- Edukt
- ES
- Elektronenstrahl
- e–
- Elektron
- G
- Argon-Gas
- I
- Ionenstrahl
