DE102014106382B3

DE102014106382B3 - Elektronenstrahl-Prozessieranlage und Verfahren zum Betreiben einer Elektronenstrahl-Prozessieranlage

Info

Publication number: DE102014106382B3
Application number: DE102014106382.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Niederhausen; Carsten Deus; Matthias Neumann; Marten Heinrich
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-05-08

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahl-Prozessieranlage (100) Folgendes aufweisen: eine Vakuumprozesskammer (112) mit einem Prozessierbereich (108) innerhalb der Vakuumprozesskammer; eine Elektronenstrahlkanone (102) zum Erzeugen eines gerichteten Elektronenstrahls (102e), wobei die Elektronenstrahlkanone (102) derart mit der Vakuumprozesskammer (112) gekoppelt ist, dass sich der Elektronenstrahl (102e) in Richtung der Prozessierbereichs (108) ausbreiten kann; eine erste Spule (104a) und eine zweite Spule (104b) zum Beeinflussen des Elektronenstrahls innerhalb der Vakuumprozesskammer, wobei die beiden Spulen (104a, 104b) derart zwischen der Elektronenstrahlkanone (102) und dem Prozessierbereich (108) angeordnet sind, dass der Elektronenstrahl (102e) durch die erste Spule (104a) und durch die zweite Spule (104b) hindurch in den Prozessierbereich (108) gelenkt werden kann, eine mit den beiden Spulen (104a, 104b) gekoppelte Steuervorrichtung (114) zum Steuern eines mittels der ersten Spule (104a) erzeugten ersten Magnetfelds (205a) und eines mit der zweiten Spule (104b) erzeugten zweiten Magnetfelds (205b), wobei die beiden Spulen (104a, 104b) und die Steuervorrichtung (114) derart eingerichtet sind, dass das erste Magnetfeld (205a) gegenpolig zum zweiten Magnetfeld (205b) bereitgestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahl-Prozessieranlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Elektronenstrahl-Prozessieranlage.
Im Allgemeinen kann ein Substrat oder ein Träger mittels eines Elektronenstrahls innerhalb einer Vakuumprozesskammer prozessiert werden, z. B. erwärmt werden. Ferner können Materialien mittels eines Elektronenstrahls innerhalb einer Vakuumprozesskammer verdampft werden, und beispielsweise ein Substrat oder ein Träger innerhalb der Vakuumprozesskammer mit dem verdampften Material beschichtet werden. Ein Elektronenstrahl kann beispielsweise mittels einer so genannten Elektronenstrahlkanone bereitgestellt werden, wobei ein gerichteter Elektronenstrahl mittels einer Strahlquelle der Elektronenstrahlkanone erzeugt werden kann und der erzeugte Elektronenstrahl mittels einer Ablenkvorrichtung der Elektronenstrahlkanone entlang vordefinierter Ablenkwinkel abgelenkt werden kann. Ohne Ablenkung des Elektronenstrahls kann sich dieser entlang einer vordefinierten Hauptabstrahlrichtung der Strahlquelle ausbreiten. Eine Elektronenstrahlkanone kann mit einem Strahlführungssystem gekoppelt sein, so dass der Elektronenstrahl derart abgelenkt werden kann, dass beispielsweise auf einem Substrat oder in einem Prozessierbereich vordefinierte Punkte oder Muster bestrahlt werden können.
In DE 10 2007 046 783 A1 ist eine Vorrichtung zur Ablenkung oder Einlenkung eines Teilchenstrahls beschrieben, wobei die Vorrichtung entlang einer Strahlachse angeordnet ein erstes Ablenkelement, eine magnetische Einrichtung zur Bereitstellung eines Magnetfeldes axial zur Strahlachse, und ein zweites Ablenkelement aufweist. Dabei weisen die beiden Ablenkelemente jeweils zwei voneinander beabstandete Ablenkplatten auf und die magnetische Einrichtung weist zwei Spulenelemente auf.
Die Ablenkung des Elektronenstrahls in einer Ebene senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung kann als X-Y-Ablenkung bezeichnet sein oder werden. Eine derartige X-Y-Ablenkung kann beispielsweise mittels mehrerer (z. B. zwei, vier oder sechs) Spulen erfolgen, wobei die mehreren Spulen in der Ebene senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung derart angeordnet sind, dass die Hauptabstrahlrichtung zwischen den Spulen hindurch verläuft. Im Gegensatz dazu kann ein Elektronenstrahl mittels einer elektromagnetischen Linse (magnetischen Linse) fokussiert werden, wobei dabei eine Spule derart angeordnet sein kann, dass sich der Elektronenstrahl durch die Spule hindurch ausbreitet und dabei mittels der Spule fokussiert werden kann. Die magnetische Fokussierung kann auch bei hohen Strahlleistungen verwendet werden.
Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, eine Spulenanordnung mit mehreren elektromagnetischen Spulen bereitzustellen, wobei die Spulenanordnung derart eingerichtet ist, dass ein Elektronenstrahl mittels einer Elektronenstrahlkanone auf eine große Fläche gelenkt werden kann (z. B. von mehr als ungefähr 0,5 m², z. B. von mehr als ungefähr 1 m²), wobei der Elektronenstrahl auf jeden Bereich der Fläche im Wesentlichen senkrecht auftrifft, z. B. mit einer Winkel-Abweichung des Einfallsvektors des Elektronenstrahls zum Normalen-Vektor der Oberfläche von weniger als ungefähr 20° oder z. B. mit einer Winkel-Abweichung des Elektronenstrahls von der Hauptabstrahlrichtung von weniger als ungefähr 20°, z. B. mit einer Winkel-Abweichung des Elektronenstrahls von der Hauptabstrahlrichtung von weniger als ungefähr 15°.
Anschaulich kann eine Elektronenstrahl-Prozessieranlage bereitgestellt sein oder werden, wobei ein Elektronenstrahl mittels einer Elektronenstrahlkanone in Richtung eines zu prozessierenden Substrats abgelenkt werden kann und mittels mehrerer (mindestens zwei) Spulen derart beeinflusst wird, dass der Elektronenstrahl im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des zu prozessierenden Substrats umgelenkt wird. Dabei kann das Substrat derart in der Elektronenstrahl-Prozessieranlage positioniert sein, dass die Oberfläche des zu prozessierenden Substrats im Wesentlichen senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung verläuft.
Ferner kann eine Elektronenstrahl-Prozessieranlage bereitgestellt sein oder werden, wobei ein Elektronenstrahl mittels einer Elektronenstrahlkanone in Richtung eines zu prozessierenden Substrats abgelenkt werden kann und mittels mehrerer (mindestens zwei) Spulen derart beeinflusst wird, dass der Elektronenstrahl im Wesentlichen unabhängig von dem jeweiligen Auftreffpunkt auf der Oberfläche des Substrats in einem vordefinierten Winkel auftrifft.
Ferner kann ein anderer Aspekt verschiedener Ausführungsformen anschaulich darin gesehen werden, ein elektromagnetisches Linsensystem zum Umlenken eines Elektronenstrahls bereitzustellen, wobei sich ein Elektronenstrahl durch mehrere elektromagnetische Spulen hindurch ausbreitet, wobei eine erste Spule und eine zweite Spule derart eingerichtet sind, dass eine Ablenkung des Elektronenstrahls auf eine Spiralbahn aufgrund einer Magnetfeldkomponente quer zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls kompensiert wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahl-Prozessieranlage Folgendes aufweisen: eine Vakuumprozesskammer mit einem Prozessierbereich innerhalb der Vakuumprozesskammer; eine Elektronenstrahlkanone zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, wobei die Elektronenstrahlkanone derart mit der Vakuumprozesskammer gekoppelt ist, dass sich der Elektronenstrahl in Richtung der Prozessierbereichs ausbreiten kann; eine erste Spule und eine zweite Spule zum Beeinflussen des Elektronenstrahls innerhalb der Vakuumprozesskammer, wobei die beiden Spulen derart zwischen der Elektronenstrahlkanone und dem Prozessierbereich angeordnet sind, dass der Elektronenstrahl durch die erste Spule und durch die zweite Spule hindurch in den Prozessierbereich gelenkt werden kann, eine mit den beiden Spulen gekoppelte Steuervorrichtung zum Steuern eines mittels der ersten Spule erzeugten ersten Magnetfelds und eines mit der zweiten Spule erzeugten zweiten Magnetfelds, wobei die beiden Spulen und die Steuervorrichtung derart eingerichtet sind, dass das erste Magnetfeld gegenpolig zum zweiten Magnetfeld bereitgestellt ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die beiden Spulen derart eingerichtet sein, dass die beiden erzeugten Magnetfelder rotationssymmetrisch sind.
Ferner kann die Steuervorrichtung derart eingerichtet sein, dass die beiden Spulen mit Gleichstrom betrieben werden. Anschaulich können zwei Magnetfelder mittels der stromdurchflossenen Spulen erzeugt werden, wobei die zwei Magnetfelder entgegengesetzt zu einander orientiert sind. Anschaulich können die beiden Nordpole oder die beiden Südpole der Spulen an einander grenzen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die magnetische Flussdichte auf der Spulenachse der ersten Spule in eine erste Richtung gerichtet sein, wobei die magnetische Flussdichte auf der Spulenachse der zweiten Spule in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung gerichtet sein kann. Ferner können die Spulen derart eingerichtet sein, dass die Spulenachsen der beiden Spulen auf einer gemeinsamen Achse liegen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die beiden Spulen und die Steuervorrichtung derart eingerichtet sein, dass auf der Spulenachse der beiden Spulen zwei entgegengesetzte Magnetfelder mit jeweils einer magnetischen Flussdichte in einem Bereich von ungefähr 0,1 mT bis ungefähr 50 mT (z. B. in einem Bereich von ungefähr 0,1 mT bis ungefähr 10 mT, oder in einem Bereich von ungefähr 0,5 mT bis ungefähr 10 mT) bereitgestellt sind. Ferner kann das jeweils mittels der Spulen bereitgestellte Magnetfeld eine Magnetfeldstärke aufweisen, welche die Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlkanone, den Ablenkbereich der Elektronenstrahlkanone und/oder die Strahlgeometrie (z. B. den Abstand zwischen der Elektronenstrahlkanone und dem Substrat und/oder die Substratgröße) berücksichtigt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Spulenachse einer Spule aufgrund der Wicklung eines elektrischen Leiters der Spule definiert sein. Beispielsweise kann die Spulenachse die geometrische Schwerpunktsachse des gewickelten elektrischen Leiters der Spule sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Spulen zylinderförmig sein. Dabei können die Spulen eine geringe Höhe (z. B. von weniger als beispielsweise ungefähr 1 m) und einen großen Durchmesser (z. B. von mehr als beispielsweise ungefähr 1 m) aufweisen. Ferner kann sich die Wicklungsdicke aus Anzahl der Windungen ergeben und kann somit aufgrund der zu erzielenden Magnetfeldstärke vordefiniert sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Spulen (kann jede der Spulen) einen Durchmesser in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 5 m aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Spulen (kann jede der Spulen) eine Höhe (eine Ausdehnung senkrecht zum Spulendurchmesser) in einem Bereich von ungefähr 50 mm bis ungefähr 500 mm aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlkanone eine Strahlquelle zum Erzeugen eines gerichteten Elektronenstrahls und eine Ablenkvorrichtung zum Ablenken des Elektronenstrahls quer zu dessen Ausbreitungsrichtung aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Ablenkvorrichtung mindestens eine elektromagnetische Ablenkspule aufweisen zum Erzeugen mindestens eines Magnetfelds zum Ablenken des gerichteten Elektronenstrahls.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Spule koaxial zur zweiten Spule angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die erste Spule und die zweiten Spule auf einem gemeinsamen Spulengrundkörper mit einander entgegengesetzten Wicklungsrichtungen gewickelt sein, z. B. aus einem Spulendraht oder aus zwei oder mehr separaten Spulendrähten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Betreiben einer Elektronenstrahl-Prozessieranlage Folgendes aufweisen: Erzeugen eines gerichteten Elektronenstrahls innerhalb einer Vakuumprozesskammer mittels einer Elektronenstrahlkanone; Umlenken des erzeugten Elektronenstrahls innerhalb der Vakuumprozesskammer mittels einer ersten Spule und einer zweiten Spule, wobei die beiden Spulen derart angeordnet sind, dass der Elektronenstrahl durch die erste Spule und die zweite Spule hindurch in einen Prozessierbereich der Vakuumprozesskammer gelenkt wird, Ansteuern der ersten Spule und der zweiten Spule mittels einer Steuervorrichtung derart, dass mittels der ersten Spule ein erstes Magnetfeld erzeugt wird und dass mittels der zweiten Spule ein zweites Magnetfeld erzeugt, wobei das erste Magnetfeld entgegengesetzt zum zweiten Magnetfeld gepolt ist.
Ferner kann das Ansteuern der ersten Spule und der zweiten Spule derart erfolgen, dass die beiden Spulen von einem Gleichstrom durchflossen werden. Mit anderen Worten kann eine Steuervorrichtung eine Strom-/Spannungsquelle aufweisen zum Bereitstellen einer Gleichspannung bzw. eines Gleichstroms für die beiden Spulen. Dabei kann die Polung der Spannung an den beiden Spulen derart eingerichtet sein, dass die beiden Spulen entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder erzeugen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die beiden Spulen nebeneinander angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenstrahl entlang verschiedener Richtungen ausgehend von der Elektronenstrahlkanone (z. B. mittels der Ablenkvorrichtung) in einem begrenzten Raumwinkelbereich abgelenkt werden. Ferner kann das Ansteuern der ersten Spule und der zweiten Spule derart erfolgen, dass der in die verschiedenen Richtungen abgelenkte Elektronenstrahl umgelenkt wird und im Wesentlichen senkrecht auf eine Substratoberfläche eines in dem Prozessierbereich angeordneten zu prozessierenden Substrats auftrifft.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische Seitenansicht oder Querschnittsansicht einer Elektronenstrahl-Prozessieranlage, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2A eine schematische Ansicht einer Spulenanordnung einer Elektronenstrahl-Prozessieranlage, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2B eine schematische Ansicht einer Spulenanordnung einer Elektronenstrahl-Prozessieranlage, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Elektronenstrahl-Prozessieranlage, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, und
4A bis 4C jeweils eine Ansicht eines Strahlverlaufs eines Elektronenstrahls in einer Elektronenstrahl-Prozessieranlage, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderes”, „hinteres”, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe ”verbunden”, ”angeschlossen” sowie ”gekoppelt” verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Spulenanordnung für Anwendungen in Vakuumanlagen mit eingeschossenem Elektronenstrahl bereitgestellt. Mittels der Spulenanordnung kann beispielsweise der Auftreffwinkel eines Elektronenstrahls auf eine Prozessfläche derart manipuliert werden, dass auch bei großen Ablenkwinkeln von einer Strahlquelle ausgehend der Elektronenstrahl möglichst senkrecht auf die Prozessfläche auftrifft. Anschaulich kann somit mittels einer im Vergleich zum Substrat punktförmigen Elektronenquelle eine große Substratfläche mit einem Elektronenstrahl bestrahlt werden, wobei der Elektronenstrahl auf jeden Punkt der Substratfläche im Wesentlichen (mit einer Toleranz von weniger als ±20°, mit einer Toleranz von weniger als ±15°, oder mit einer Toleranz von weniger als ±10°) unter dem gleichen vordefinierten Winkel auftrifft.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Spulenanordnung für eine Elektronenstrahl-Prozessieranlage bereitgestellt, wobei die Elektronenstrahl-Prozessieranlage beispielsweise für Folgendes verwendet werden kann:

(a) einen Heat-Flux Test (Wärmestromdichte-Test) zum Applizieren möglichst hoher Wärmestromdichten, was beispielsweise mittels eines Elektronenstrahls (mit hohe Leistungsdichte) erreicht werden kann, wobei der Wärmeeintrag je effektiver sein kann, desto steiler der Einfall des Elektronenstrahls in Substratoberfläche eingerichtet ist, da dadurch die Elektronenrückstreuung minimiert wird und somit die Elektronenenergie nahezu verlustfrei als thermische Energie ins Substrat eingetragen werden kann;
(b) ein so genanntes Rapid-Prototyping (schneller Modellbau) großer Bauteile, wobei aufgrund des senkrechten Auftreffens des Elektronenstrahls auf die jeweilige Prozessfläche in einem großen Prozessfeld eine exakte Ausformung großer Bauteile und ein günstiger Energieübertrag (aufgrund der geringen Rückstreuung) ermöglicht sein kann;
(c) Schmelzen und/oder Schneiden eines Materials, wobei aufgrund des senkrechten Auftreffens des Elektronenstrahls eine maximale Energieausnutzung aufgrund der geringen Rückstreuung der Elektronen aus dem Material ermöglicht sein kann;
(d) Bedampfen eines Substrats oder Trägers, wobei aufgrund des senkrechten Auftreffens des Elektronenstrahls eine maximale Energieausnutzung aufgrund der geringen Rückstreuung der Elektronen aus dem Material ermöglicht sein kann sowie das Ausbilden einer Dampfausbreitung senkrecht zur Prozessfläche begünstigt sein kann.

Herkömmlicherweise wird eine Strahlmanipulation unter Verwendung von Einzellinsen oder Mehrfachlinsen mit gleicher Feldorientierung durchgeführt. Dabei entstehen aufgrund der auf den Elektronenstrahl wirkenden Lorentzkraft spiralförmige Elektronenbahnen bei schrägem oder außermittigem Einschuss des Elektronenstrahls in die Linse, d. h. bei einem Einschusswinkel in die Linse hinein relativ zur Linsenachse (Spulenachse). Somit erfolgt bei Elektronenlinsen eine Querablenkung des Elektronenstrahls relativ zur Ausbreitungsrichtung, wobei der Auftreffwinkel des Elektronenstrahls auf die Prozessfläche aufgrund der Querablenkung ungünstig beeinflusst sein kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Spulenanordnung für eine Elektronenstrahl-Prozessieranlage bereitgestellt, wobei mittels der Spulenanordnung ein magnetisches Linsenfeld bereitgestellt werden kann, so dass eine Querablenkung bei schrägem oder außermittigem Einschuss des Elektronenstrahls in das magnetische Linsenfeld kompensiert werden kann. Anschaulich kann mittels der Spulenanordnung ein vordefinierter Auftreffwinkel des Elektronenstrahls auf einer Prozessfläche eingestellt werden, wobei eine störende Querkomponente aufgrund der Querablenkung kompensiert wird.
Dazu kann die Spulenanordnung für eine Elektronenstrahl-Prozessieranlage mindestens zwei (oder mehr als zwei) magnetische Linsen mit gegenpoligen Magnetfeldern (mit Magnetfeldern entgegengesetzter Feldorientierung) aufweisen. Dabei können die Magnetfelder der Linsen bei einer zeitlich veränderlichen Steuerung oder Regelung der magnetischen Linsen zu jedem relevanten Zeitpunkt (z. B. während des Prozessierens) entgegengesetzt gepolt (orientiert) sein.
1 veranschaulicht eine Elektronenstrahl-Prozessieranlage 100, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei die Elektronenstrahl-Prozessieranlage 100 eine Vakuumprozesskammer 112 mit einem Prozessierbereich 108 innerhalb der Vakuumprozesskammer 112 aufweisen kann. In dem Prozessierbereich 108 kann beispielsweise ein Substrat oder ein Träger positioniert werden, z. B. mittels eines Transportsystems oder mittels einer Halterung (nicht dargestellt).
Ferner kann die Elektronenstrahl-Prozessieranlage 100 eine Elektronenstrahlkanone 102 zum Erzeugen eines gerichteten Elektronenstrahls 102e aufweisen, wobei die Elektronenstrahlkanone 102 derart mit der Vakuumprozesskammer 112 gekoppelt sein kann, dass sich der Elektronenstrahl 102e in Richtung der Prozessierbereichs 108 ausbreiten kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlkanone 102 eine Hauptabstrahlrichtung 102h aufweisen, in welche sich der von der Elektronenstrahlkanone 102 emittierte Elektronenstrahl 102e ausbreitet, wenn dieser nicht mittels einer Ablenkvorrichtung 102a abgelenkt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Ablenkvorrichtung 102a der Elektronenstrahlkanone 102 ein Teil eines Ablenksystems sein zum Ablenken des von der Elektronenstrahlkanone 102 emittierten Elektronenstrahls 102e entlang einer vordefinierten Trajektorie. Der Elektronenstrahl 102e kann mittels einer Strahlquelle 102s (einer Elektronenquelle) erzeugt werden. Mittels des Ablenksystems kann der Elektronenstrahl 102e beispielsweise über eine Prozessoberfläche eines zu prozessierenden Objekts gelenkt werden, wobei das zu prozessierende Objekt in dem Prozessierbereich 108 positioniert sein kann. Anschaulich kann mittels Ablenkens des Elektronenstrahl 102e eine Prozessoberfläche in dem Prozessierbereich 108 abgerastert werden und/oder gezielt bestrahlt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Ablenksystem eine Steuerung oder Regelung aufweisen, beispielsweise ein Strahlführungssystem zum Bereitstellen von Ablenksignalen für die Ablenkvorrichtung 102a. Anschaulich kann der Elektronenstrahl 102e mittels der Elektronenstrahlkanone 102 auf einen beliebigen Punkt in dem Prozessierbereich 108 gelenkt werden, wobei jedoch ohne ein Umlenken mittels der beiden Spulen 104a, 104b der Winkel des in dem Prozessierbereich 108 einfallenden Elektronenstrahls 102e mit größerem Abstand 115 von der Hauptabstrahlrichtung 102h größer werden würde, so dass verschiedene Stellen in dem Prozessierbereich 108 unterschiedlich bestrahlt werden würden. Beispielsweise kann die Wechselwirkungscharakteristik eines Elektronenstrahls mit fester Materie von dem Einfallswinkel des Elektronenstrahls abhängig sein. Damit der Elektronenstrahl 102e im Wesentlichen parallel zur Hauptabstrahlrichtung 102h des Elektronenstrahls 102e in den Prozessierbereich 108 einfällt, beispielsweise senkrecht zur einer Prozessoberfläche eines zu prozessierenden Objekts oder in einem vordefinierten Winkel zu einer Prozessoberfläche eines zu prozessierenden Objekts, kann eine Spulenanordnung 104 verwendet werden, welche zwei magnetische Linsen 104a, 104b aufweist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahl-Prozessieranlage 100 eine erste Spule 104a und eine zweite Spule zum Beeinflussen des Elektronenstrahls 102e innerhalb der Vakuumprozesskammer 112 aufweisen, wobei die beiden Spulen 104a, 104b derart zwischen der Elektronenstrahlkanone 102 und dem Prozessierbereich 108 angeordnet sind, dass der Elektronenstrahl 102e durch die erste Spule 104a und durch die zweite Spule 104b hindurch in den Prozessierbereich 108 gelenkt werden kann. Somit kann mittels der Ablenkvorrichtung 102a der Elektronenstrahlkanone 102 und den beiden Spulen 104a, 104b ein Elektronenstrahl 102e in den Prozessierbereich 108 gelenkt werden, wobei der Elektronenstrahl 102e immer im Wesentlichen parallel zur Hauptabstrahlrichtung 102h in den Prozessierbereich 108 einfällt. Anschaulich kann somit ein homogen ausgestrahltes Prozessfeld 108 bereitgestellt werden. Dazu können die beiden Spulen 104a, 104b derart eingerichtet sein und/oder betrieben werden, dass diese zwei gegenpolige Magnetfelder erzeugen. Somit können Einflüsse (z. B. eine Querablenkung) auf den Elektronenstrahl 102e aufgrund des unterschiedlichen Einschusswinkels von der Elektronenstrahlkanone 102 in die Spulen 104a, 104b hinein kompensiert werden.
Alternativ können die Spulen 104a, 104b auch außerhalb der Prozessieranlage 100 angeordnet sein. Dabei kann für die Kammerwand beispielsweise ein nichtmagnetischer Stahl verwendet werden, damit das außerhalb der Prozessieranlage 100 erzeugte Magnetfeld unbeeinflusst in die Prozessieranlage 100 eindringen kann. Somit können die Spulen 104a, 104b von Prozesseinflüssen (wie beispielsweise einer Erwärmung, Beschichtung, oder Ähnlichem) unabhängig eingerichtet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahl-Prozessieranlage 100 eine mit den beiden Spulen 104a, 104b gekoppelte Steuervorrichtung 114 aufweisen zum Steuern eines mittels der ersten Spule 104a erzeugten ersten Magnetfelds und eines mit der zweiten Spule 104b erzeugten zweiten Magnetfelds, wobei die beiden Spulen 104a, 104b und die Steuervorrichtung 114 derart eingerichtet sind, dass das erste Magnetfeld gegenpolig zum zweiten Magnetfeld bereitgestellt ist.
Anschaulich können die beiden Spulen 104a, 104b einen Wirkungsbereich 104w aufweisen, in welchem zwei gegenpolige Magnetfelder bereitgestellt sein können oder werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die beiden Spulen 104a, 104b als Zylinderspulen eingerichtet sein, welche jeweils mit deren Zylinderachse parallel zur Hauptabstrahlrichtung 102h der Elektronenstrahlkanone 102 ausgerichtet sein können. Dabei können beiden Zylinderspulen 104a, 104b derart zwischen dem Prozessierbereich 108 und der Elektronenstrahlkanone 102 positioniert sein, dass deren Zylinderachsen auf der Hauptabstrahlrichtung 102h liegen. Die Zylinderspulen 104a, 104b können jeweils mindestens einen elektrischen Leiter aufweisen, welcher auf einen zylindrischen Grundkörper aufgewickelt ist. Ferner können die beiden Spulen auf einem gemeinsamen Grundkörper aufgewickelt sein oder auf jeweils einem separaten Grundkörper. In analoger Weise können die beiden Spulen 104a, 104b zylindrische Luftspulen sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die beiden Spulen 104a, 104b einen Innendurchmesser (eine Öffnung) aufweisen, welcher (welche) größer ist, als der Prozessierbereich 108, z. B. in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 4 m, z. B. in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 3 m.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können mittels der beiden Spulen 104a, 104b jeweils gegenpolige (entgegengesetzt gerichtete) Magnetfelder erzeugt werden, z. B. jeweils mit einer magnetischen Flussdichte in einem Bereich von ungefähr 0,1 mT bis ungefähr 50 mT, gemessen an der oder nahe der Spulenachse innerhalb der Spule.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen dem Prozessierbereich 108 und der Elektronenstrahlkanone 102 in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 5 m liegen, z. B. in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 4 m. Ferner kann der Abstand zwischen dem Prozessierbereich 108 und der Elektronenstrahlkanone 102 größer sein als ungefähr 4 m, wobei der Abstand nach oben aufgrund einer auftretenden Strahlaufweitung limitiert sein kann. Eine Strahlaufweitung des Elektronenstrahls aufgrund einer inhärenten Elektronenwechselwirkung kann die erzielbare Leistungsdichte limitieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Ablenkvorrichtung 102a der Elektronenstrahlkanone 102 derart eingerichtet sein, dass der Elektronenstrahl 102e in einem Winkelbereich von ±45° bezüglich der Hauptabstrahlrichtung 102h in Richtung der Spulen 104a, 104b gelenkt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Spulen 104a, 104b derart eingerichtet sein, dass mittels der Spulen 104a, 104b rotationssymmetrische Magnetfelder bereitgestellt werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können mittels der Spulen 104a, 104b zwei gegenpolige (entgegengesetzt gerichtete) Magnetfelder 205a, 205b dadurch erzeugt werden, dass die beiden Spulen 104a, 104b von einem entsprechend gerichteten Gleichstrom durchflossen werden, wie beispielsweise in 2A und 2B veranschaulicht ist. Dazu kann beispielsweise die Steuervorrichtung 114 eine Strom-/Spannungsquelle aufweisen, zum Versorgen der beiden Spulen mit elektrischer Energie, z. B. mit Gleichspannung/Gleichstrom oder gepulster Gleichspannung bzw. gepulstem Gleichstrom.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die beiden Spulen auch mit Wechselstrom betrieben werden, wobei die Steuerung derart erfolgen kann und/oder wobei die Spulen derart eingerichtet sein können, dass ausschließlich gegenpolige Magnetfelder erzeugen werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuervorrichtung 114 einen Regelkreis aufweisen oder eine Regelvorrichtung 114 sein.
3 veranschaulicht ein schematisches Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben einer Elektronenstrahl-Prozessieranlage 100, wobei das Verfahren Folgendes aufweisen kann: in 310, das Erzeugen eines gerichteten Elektronenstrahls 102e innerhalb einer Vakuumprozesskammer 112 mittels einer Elektronenstrahlkanone 102; in 320, das Umlenken des erzeugten Elektronenstrahls 102e innerhalb der Vakuumprozesskammer 112 mittels einer ersten Spule 104a und einer zweiten Spule 104b, wobei die beiden Spulen 104a, 104b derart angeordnet sind, dass der Elektronenstrahl 102e durch die erste Spule 104a und die zweite Spule 104b hindurch in einen Prozessierbereich 108 der Vakuumprozesskammer 112 gelenkt wird, und, in 320, das Ansteuern der ersten Spule 104a und der zweiten Spule 104b mittels einer Steuervorrichtung 114 derart, dass mittels der ersten Spule 104a ein erstes Magnetfeld 205a erzeugt wird und dass mittels der zweiten Spule 104b ein zweites Magnetfeld 205b erzeugt, wobei das erste Magnetfeld 205a entgegengesetzt zum zweiten Magnetfeld 205b gepolt (gerichtet) ist.
Dabei kann das Ansteuern der ersten Spule 104a und der zweiten Spule 104b derart erfolgen, dass die beiden Spulen 104a, 104b von einem Gleichstrom durchflossen werden. Dabei kann der Richtungssinn des Stromflusses (bezogen auf die Spulenachsen und/oder auf die Hauptabstrahlrichtung 102h) in der ersten Spule 104a entgegengesetzt zum Richtungssinn des Stromflusses in der zweiten Spule 104b sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenstrahl 102e entlang verschiedener Richtungen ausgehend von der Elektronenstrahlkanone 102 mittels der Ablenkvorrichtung 102a in einem Raumwinkelbereich abgelenkt werden. Beispielsweise kann der Elektronenstrahl 102 ausgehend von der Elektronenstrahlkanone 102 in den Wirkungsbereich 104w der beiden Spulen 104a, 104b eingeschossen werden, wobei die Spulen 104a, 104b als Elektronenlinsen fungieren können. Dabei kann das Ansteuern der ersten Spule 104a und der zweiten Spule 104b derart erfolgen, dass der in die Spulen 104a, 104b eingeschossene Elektronenstrahl 102e umgelenkt wird, so dass dieser im Wesentlichen senkrecht auf eine Substratoberfläche eines in dem Prozessierbereich angeordneten zu prozessierenden Substrats auftrifft und/oder im Wesentlichen parallel zur Hauptabstrahlrichtung 102h in den Prozessierbereich 108 einfällt.
In den Figuren 4A, 4B, und 4C ist beispielhaft jeweils der Strahlenverlauf eines Elektronenstrahls 102e für verschiedene Ablenkwinkel in Ansichten aus verschiedenen Richtungen veranschaulicht, wobei der Elektronenstrahl 102e mittels der Ablenkvorrichtung 102a der Elektronenstrahlkanone 102 abgelenkt und mittels den beiden Spulen 104a, 104b in den Prozessierbereich 108 umgelenkt wird.
Wie in 4A dargestellt ist, kann mittels der Elektronenstrahlkanone 102 ein Elektronenstrahl 102e entlang einer radialen Richtung 101r abgelenkt werden. Anschaulich kann der Elektronenstrahl 102e mittels der Ablenkvorrichtung 102a der Elektronenstrahlkanone 102 um einen Ablenkwinkel gegenüber der Hauptabstrahlrichtung 102h abgelenkt werden. Anschaulich kann der Elektronenstrahl 102e aus der Hauptabstrahlrichtung 102h mit verschiedenen Winkeln ausgelenkt werden. Aufgrund der Ablenkung des Elektronenstrahls 102e um einen Winkel α ergäbe sich ohne Beeinflussung mittels der Spulenanordnung 104 rein geometrisch ein Auftreffwinkel in dem Prozessierbereich 108 von 90°-α bezogen auf die von den Richtungen 102h, 101r aufgespannte Ablenkebene.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird der Elektronenstrahl 102e, wenn dieser mit einem Winkel in die Magnetfelder der beiden Spulen 104a, 104b eingeschossen wird, auf eine Spiralbahn oder spiralförmige Bahn abgelenkt, wobei der tatsächliche Auftreffwinkel des Elektronenstrahls in dem Prozessierbereich 108 von der Spiralbahn des Elektronenstrahls 102e beeinflusst wird. Anschaulich weist der Strahlverlauf des Elektronenstrahls 102e eine Querkomponente 101q senkrecht zur radialen Richtung 101r (und senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung 102h) auf, wenn der Elektronenstrahl 102e mittels der Ablenkvorrichtung 102a der Elektronenstrahlkanone 102 in radiale Richtung 101r abgelenkt wird.
Wie in 4B veranschaulicht ist, können die beiden gegenpolig eingerichteten Spulen derart den Strahlverlauf des Elektronenstrahls 102e beeinflussen, dass im Prozessierbereich 108 die Querkomponente 101q der Elektronenstrahls 102e kompensiert ist.
Anschaulich entspricht der Verlauf des Elektronenstrahls 102e in dem Prozessierbereich 108 der mittels der Ablenkvorrichtung 102a der Elektronenstrahlkanone 102 vordefinierten Ablenkung des Elektronenstrahls 102e. Wenn der Elektronenstrahl 102e beispielsweise mittels der Ablenkvorrichtung 102a entlang einer Richtung 101r geführt wird, kann sich der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls 102e in dem Prozessierbereich 108 entlang der Richtung 101r verändern ohne eine zusätzliche Querablenkung quer zur Richtung 101r.
Anschaulich kompensiert eine derart eingerichtete Spulenanordnung 104 Abweichungen, welche bei einem quer in die Linse eingeschossenen Elektronenstrahl 102e aufgrund der resultierenden Spiralbahn entstehen. 4C veranschaulicht den Verlauf des Elektronenstrahls 102e in der Ebene 101q, 101r senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung 102h.
Herkömmliche Linsenanordnungen, welche gleichgepolte magnetische Linsen aufweisen, können die Spiralbahn des Elektronenstrahl 102e unberücksichtigt lassen. Dabei können sich Abbildungsfehler für ein vorgegebenes mit dem Elektronenstrahl 102e zu schreibendes Muster in dem Prozessierbereich 108 ergeben. Mittels der hierin beschriebenen Spulenanordnung 104 kann der Auftreffwinkel des Elektronenstrahls 102e auf ein Substrat in dem Prozessierbereich 108 beeinflusst werden, wobei die Spiralbahn (die Querablenkung) des Elektronenstrahls 102e berücksichtigt ist. Ferner kann ein homogenes Bestrahlungsfeld in dem Prozessierbereich 108 bereitgestellt sein, wobei in dem homogenen Bestrahlungsfeld der Elektronenstrahl 102e unabhängig von dessen Ablenkung parallel zu einer vordefinierten Richtung verläuft.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlkanone 102 einen Elektronenstrahl 102e mit einer Strahlleistung von mehr als einem Kilowatt bereitstellen, z. B. mit einer Strahlleistung in einem Bereich von ungefähr 1 kW bis ungefähr 1000 kW. Ferner kann die Elektronenstrahlkanone 102 derart eingerichtet sein und/oder betrieben werden, dass von der Strahlquelle 102s erzeugte Elektronen mit einer Beschleunigungsspannung in einem Bereich von ungefähr 10 kV bis ungefähr 70 KV beschleunigt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann in der Vakuumprozesskammer 102 der Elektronenstrahl-Prozessieranlage 100 während des Betriebs der Elektronenstrahl-Prozessieranlage 100 ein Hochvakuum in einem Bereich von ungefähr 10^–4 bis ungefähr 10^–7 mbar bereitgestellt sein oder werden, z. B. mittels einer angekoppelten Vakuumpumpenanordnung.
Ferner kann die Elektronenstrahl-Prozessieranlage 100 zusätzliche Spulen oder weitere Komponenten aufweisen, beispielsweise zum Optimieren des Elektronenstrahlverlaufs in der Vakuumprozesskammer 102 oder zum Beeinflussen des Verlaufs des Elektronenstrahls 102e.

Claims

Elektronenstrahl-Prozessieranlage (100) aufweisend, • eine Vakuumprozesskammer (112) mit einem Prozessierbereich (108) innerhalb der Vakuumprozesskammer; • eine Elektronenstrahlkanone (102) zum Erzeugen eines in eine Hauptabstrahlrichtung gerichteten Elektronenstrahls (102e), wobei die Elektronenstrahlkanone (102) derart mit der Vakuumprozesskammer (112) gekoppelt ist, dass sich der Elektronenstrahl (102e) in Richtung der Prozessierbereichs (108) ausbreiten kann, wobei die Elektronenstrahlkanone (102) eine Strahlquelle (102s) zum Erzeugen des in die Hauptabstrahlrichtung gerichteten Elektronenstrahls und eine Ablenkvorrichtung (102a) zum Ablenken des Elektronenstrahls (102e) aufweist, wobei die Ablenkvorrichtung (102a) der Elektronenstrahlkanone (102) derart eingerichtet ist, dass der Elektronenstrahl (102e) in einem Winkelbereich von –45° bis +45° bezüglich der Hauptabstrahlrichtung (102h) abgelenkt werden kann; • eine erste Spule (104a) und eine zweite Spule (104b) zum Beeinflussen des Elektronenstrahls innerhalb der Vakuumprozesskammer, wobei die beiden Spulen (104a, 104b) jeweils einen Innendurchmesser von mehr als 1 m aufweisen und derart zwischen der Elektronenstrahlkanone (102) und dem Prozessierbereich (108) angeordnet sind, dass der Elektronenstrahl (102e) durch die erste Spule (104a) und durch die zweite Spule (104b) hindurch in den Prozessierbereich (108) gelenkt werden kann; • eine mit den beiden Spulen (104a, 104b) gekoppelte Steuervorrichtung (114) zum Steuern eines mittels der ersten Spule (104a) erzeugten ersten Magnetfelds (205a) und eines mit der zweiten Spule (104b) erzeugten zweiten Magnetfelds (205b), wobei die beiden Spulen (104a, 104b) und die Steuervorrichtung (114) derart eingerichtet sind, dass das erste Magnetfeld (205a) gegenpolig zum zweiten Magnetfeld (205b) bereitgestellt ist.
Elektronenstrahl-Prozessieranlage gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (114) derart eingerichtet ist, dass die beiden Spulen (104a, 104b) mit Gleichstrom betrieben werden.
Elektronenstrahl-Prozessieranlage gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Spulen (104a, 104b) und die Steuervorrichtung (114) derart eingerichtet sind, dass auf der Spulenachse (102h) der beiden Spulen zwei entgegengesetzte Magnetfelder mit jeweils einer magnetischen Flussdichte in einem Bereich von ungefähr 0,1 mT bis ungefähr 50 mT bereitgestellt sind.
Elektronenstrahl-Prozessieranlage gemäß Anspruch 1, wobei die Ablenkvorrichtung (102a) mindestens eine elektromagnetische Spule aufweist zum Erzeugen mindestens eines Magnetfelds zum Ablenken des gerichteten Elektronenstrahls.
Elektronenstrahl-Prozessieranlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Spule (104a) koaxial zur zweiten Spule angeordnet (104b) ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektronenstrahl-Prozessieranlage (100), das Verfahren aufweisend: • Erzeugen eines in eine Hauptabstrahlrichtung gerichteten Elektronenstrahls innerhalb einer Vakuumprozesskammer (112) mittels einer Strahlquelle einer Elektronenstrahlkanone (102), • Ablenken des in die Hauptabstrahlrichtung gerichteten Elektronenstrahls mittels einer Ablenkvorrichtung (102a) der Elektronenstrahlkanone (102) in einen Winkelbereich von –45° bis +45° bezüglich der Hauptabstrahlrichtung (102h); • Umlenken des abgelenkten Elektronenstrahls innerhalb der Vakuumprozesskammer mittels einer ersten Spule (104a) und einer zweiten Spule (104b), wobei die beiden Spulen einen Innendurchmesser von mehr als 1 m aufweisen und derart angeordnet sind, dass der Elektronenstrahl durch die erste Spule und die zweite Spule hindurch in einen Prozessierbereich der Vakuumprozesskammer gelenkt wird, • Ansteuern der ersten Spule und der zweiten Spule mittels einer Steuervorrichtung (114) derart, dass mittels der ersten Spule ein erstes Magnetfeld erzeugt wird und dass mittels der zweiten Spule ein zweites Magnetfeld erzeugt, wobei das erste Magnetfeld entgegengesetzt zum zweiten Magnetfeld gepolt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Ablenken des in die Hauptabstrahlrichtung gerichteten Elektronenstrahls mittels mindestens einer elektromagnetischen Spule erfolgt zum Erzeugen mindestens eines Magnetfelds zum Ablenken des gerichteten Elektronenstrahls.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Ansteuern der ersten Spule und der zweiten Spule derart erfolgt, dass die beiden Spulen von einem Gleichstrom durchflossen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 8, wobei der Elektronenstrahl entlang verschiedener Richtungen ausgehend von der Elektronenstrahlkanone in einem Raumwinkelbereich abgelenkt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Ansteuern der ersten Spule und der zweiten Spule derart erfolgt, dass der in die verschiedenen Richtungen abgelenkte Elektronenstrahl umgelenkt wird, so dass der umgelenkte Elektronenstrahl im Wesentlichen senkrecht auf eine Substratoberfläche eines in dem Prozessierbereich angeordneten zu prozessierenden Substrats auftrifft.