DE102016114480B4

DE102016114480B4 - Ionenstrahlquelle und Verfahren zur Ionenstrahlbehandlung

Info

Publication number: DE102016114480B4
Application number: DE102016114480.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Teichert; Ralf Hauswald; Thomas Niederhausen
Original assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: DE102016114480A1

Abstract

Ionenstrahlquelle (1), aufweisend:ein Gehäuse (6);eine Kathode (2) und eine Anode (3) zum Erzeugen von Ionen in einem Emissionsbereich (4);eine Isolationsstruktur (5), welche das Gehäuse (6) und die Anode (3) wärmeisolierend koppelt; undeinen Isolationsbereich (7);wobei die Anode (3) einen Heizbereich (8) und einen Kühlbereich (9) aufweist, undwobei der Isolationsbereich (7) den Heizbereich (8) und den Kühlbereich (9) wärmeisolierend koppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenstrahlquelle und ein Verfahren zur Ionenstrahlbehandlung.
Im Allgemeinen können Werkstoffe oder Substrate, wie plattenförmige Substrate, Glasscheiben, Wafer oder andere Träger, mittels Ionen prozessiert, bearbeitet oder vorbehandelt werden. Dazu kann ein Substrat mit einem Ionenstrahl bestrahlt werden, welcher mittels einer Ionenstrahlerzeugungsvorrichtung (Ionenstrahlquelle) erzeugt und auf eine zu bearbeitende Oberfläche eines Substrats gerichtet werden kann. Mittels des Ionenstrahls kann das Substrat beispielsweise in einem so genannten Ionenstrahl-Ätzverfahren geätzt werden, wobei die Ionen des Ionenstrahls Substratmaterial zerstäuben und damit von dem bestrahlten Substrat abtragen (ätzen) können.
Zum Bestrahlen breiter Substrate (z. B. mit einer Breite von mehr als einem Meter) kann eine Ionenstrahlquelle verwendet werden, welche einen Ionenstrahl erzeugt, der über die gesamte Breite des Substrats erstreckt sein kann. Beispielsweise kann eine so genannte Anode-Layer-Ionenstrahlquelle verwendet werden. Anschaulich können herkömmliche Ionenstrahlquellen zum Bearbeiten breiter Substrate dazu ausgelegt sein, große Oberflächen zeiteffizient zu bestrahlen.
DE 41 20 941 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten. US 2005 / 0 248 284 A1 offenbart eine Ionenquelle. US 2006 / 0 249 376 A1 offenbart eine Ionenquelle. US 4 638 209 A offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahls.
Es wurde erkannt, dass es beim Betrieb von herkömmlichen Substratbehandlungsanlagen, z. B. beim Ionenstrahlätzen, zu einer Rückbeschichtung kommen kann, wobei sich beispielsweise vom Substrat abgetragenes Material auf der Ionenstrahlquelle, insbesondere auf der Anode, ablagern kann. Außerdem kann auch Kathodenmaterial, beispielsweise im Bereich der Pole, abgesputtert werden und sich auf der Anode ablagern. Der Bereich der Ablagerung auf der Anode kann eine ähnliche Breite wie der Emissionsspalt der Ionenstrahlquelle aufweisen und beispielsweise im Bereich weniger Millimeter liegen.
Das abgelagerte Material kann zu einer Beeinträchtigung des Betriebs der Ionenstrahlquelle, z. B. aufgrund von Kurzschlüssen, Spannungsüberschlägen und/oder einer Behinderung der elektrischen Entladung führen. Beispielsweise können durch das intensive Plasma im Entladungsraum die auf der Anode abgelagerten Schichten unter mechanischer Spannung stehen. Ebenso können negative Ionen, z. B. bei Einlass von Sauerstoff, im Raum zwischen Anode und Kathode in Richtung Anode beschleunigt werden und so durch Verdichtung der aufwachsenden Schicht die Schichtspannung erhöhen.
Ist die Haftung der auf der Anode abgelagerten Schicht nicht ausreichend, so kann es zur Ablösung dieser Schicht und in der Folge zu Kurzschlüssen kommen, die ein vorzeitiges Kampagnenende bedingen können. Weist die abgeschiedene Schicht einen hohen elektrischen Widerstand auf, d. h. ist diese hochohmig, so kann dies Bogenentladungen (Arcs) verursachen, die durch ein Abplatzen des abgelagerten Materials begleitet werden können.
Um einen störungsfreien Betrieb zu ermöglichen, kann es somit notwendig sein, die Ionenstrahlquelle häufig zu reinigen, was mit zusätzlichen Kosten verbunden sein kann (z. B. auch aufgrund von Produktionspausen während des Reinigens).
Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen beruht auf der Erkenntnis, dass eine Rückbeschichtung auf der Anode verringert werden kann, indem die Oberflächentemperatur der Anode so eingestellt wird, dass der Haftkoeffizient eines sich sonst parasitär abscheidenden Materials oder eines bereits parasitär abgeschiedenen Materials verringert wird.
Dazu kann zwischen dem Gehäuse der Ionenstrahlquelle und der Anode eine Isolationsstruktur vorgesehen sein, die Gehäuse und Anode wärmeisolierend miteinander koppelt.
Beispielsweise kann ein Bereich der Anode derart beheizbar ausgebildet sein oder werden, dass dieser Bereich während des Betriebs der Ionenstrahlquelle auf eine Temperatur erwärmt werden kann, die zumindest der Sublimations- oder Siedetemperatur eines sich sonst in diesem Bereich der Anode ablagernden Materials entspricht oder darüber liegt.
Weist ein Material keine eindeutige Sublimationstemperatur, sondern einen Temperaturbereich, in dem die Sublimation stattfindet (Sublimationsbereich), auf, so soll in diesem Fall die untere Grenze (Mindesttemperatur) als Sublimationstemperatur im Sinne der vorliegenden Anmeldung gelten.
Auch bei einer Betriebstemperatur der Anode, die unterhalb der Sublimations- oder Siedetemperatur eines sich sonst in diesem Bereich der Anode ablagernden Materials liegt, kann einen Verringerung der Rückbeschichtung eintreten, sofern der Haftkoeffizient für das sich ablagernde Material mit zunehmender Temperatur abnimmt. Der Haftkoeffizient ist dabei das Verhältnis des Anteils haftender Teilchen gegenüber der Gesamtzahl auftreffender Teilchen.
Ein Bereich der Anode kann zudem derart beheizbar ausgebildet sein oder werden, dass dieser Bereich während des Betriebs der Ionenstrahlquelle auf eine Temperatur erwärmt werden kann, deren korrespondierender Sättigungsdampfdruck für das aufwachsende Material oder eines Teils des Materials hinreichend hoch ist, um das Aufwachsen dieses Materials oder eines Teils davon durch Sublimation (Temperatur unterhalb des Tripelpunkts) oder Verdampfung (Temperatur oberhalb des Tripelpunkts)in signifikanter Weise, beispielsweise mindestens 5 % oder mindestens 10 %, teilweise oder vollständig zu verhindern.
Die erforderliche Temperatur kann aus der Aufdampfrate des aufwachsenden Materials auf der Anode abgeschätzt werden. Die Rate kann mit Hilfe der Gaskinetik in einen zugehörigen Prozesspartialdruck für das aufwachsende Material umgerechnet werden, bspw. unter der Annahme dass der Haftkoeffizient den Wert 1 hat. Die Temperatur ist nun so zu wählen, dass der zugehörige Sättigungsdampfdruck dem Prozesspartialdruck nahe kommt.
Durch die genannten Maßnahmen kann erreicht werden, dass die Abdampfrate zumindest gleich groß wie die Aufdampfrate eines jeweiligen Materials im beheizbaren Bereich (Heizbereich) der Anode ist, so dass eine Schichtablagerung auf der Anode vermieden oder zumindest verringert werden kann. Beispielsweise kann aufwachsendes Material, d. h. das Material der Rückbeschichtung, sofort wieder verdampft werden, so dass das Aufwachsen einer Schicht auf der Anode teilweise oder vollständig verhindert werden kann.
Dieser Fall sollte eintreten, wenn der Sättigungsdampfdruck größer oder gleich dem Prozesspartialdruck ist. Ist der Sättigungsdampfdruck kleiner als der Prozesspartialdruck so ergibt sich die tatsächliche Aufwachsrate als Differenz aus Prozessrate und Sublimations- bzw. Verdampfungsrate, welche in der Knudsen-Langmuir-Gleichung beschrieben werden.
Die Partialdruckdifferenz geht in diese Gleichung linear ein, während die Dampfdruckkurven häufig einem Arrhenius-Gesetz folgen, und daher eine starke T-Abhängigkeit besitzen. Dies impliziert, dass die Temperatur für den erforderlichen Sättigungsdampfdruck i.d.R. nicht weit unterschritten werden darf, um noch eine nennenswerte Reduzierung des Schichtwachstums zu bewirken, bei Materialien mit hohem Dampfdruck häufig weniger als 50 K.
Bei dem Material kann es sich beispielsweise um das mit dem Ionenstrahl zu behandelnde Material, z. B. um ein Substratmaterial oder das Material einer auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht oder vorhandenen Verunreinigung, oder um das Kathodenmaterial handeln. Es ist dabei anzumerken, dass sich bei der Rückbeschichtung die chemische Zusammensetzung oder Struktur oder Modifikation der genannten Materialien ändern kann, beispielsweise entsprechend des unter den Prozessbedingungen herrschenden Dampfdrucks oder beispielsweise durch chemische Reaktion des Substratmaterials mit einem im Prozessgas enthaltenen Reaktivgas, oder dass beispielsweise bestimmte Anteile eines zu behandelnden Substratmaterials bevorzugt abgeschieden werden können.
Beispielsweise anhand von Dampfdruckkurven und den jeweiligen Prozessbedingungen kann der Fachmann ermitteln, ob und welches Material sich auf der Anode bei einer Rückbeschichtung ablagern kann. Anhand derselben Parameter kann abgeschätzt werden, welche Temperatur an der Anodenoberfläche mindestens erreicht werden muss, um eine Ablagerung verhindern zu können.
Der beschriebene Grundgedanke kann sich bei Prozessen technisch umsetzen lassen, bei denen das aufwachsende Material, z. B. das geätzte Material, einen ausreichend hohen Dampfdruck unter den jeweiligen Prozessbedingungen aufweist, um eine Rückbeschichtung durch entsprechende Temperaturerhöhung zu verringern oder zu vermeiden.
In der praktischen Umsetzung wäre zunächst die Dicke des im Kernbereich einer gekühlten Anode aufwachsenden Materials über einen vorgegebenen Zeitraum zu ermitteln, also die tatsächliche Beschichtungsrate. Danach wird aus der angenommenen Materialdichte und einem angenommenen Haftkoeffizienten von beispielsweise 1 eine Wandstoßrate ermittelt, die der Beschichtungsrate gleichzusetzen ist. Da Wandstoßrate und Dampfdruck einander proportional sind, lässt sich somit aus der Dampfdruckkurve des Materials die erforderliche Anodentemperatur abschätzen.
Ein weiterer Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Temperatur der Anodenoberfläche beispielsweise über die Prozessleistung zum Betrieb der Ionenstrahlquelle oder die Geometrie der Anode, d. h. ihren konkreten körperlichen Aufbau, oder mittels geeigneter Einrichtungen zur Beeinflussung des Wärmestroms in der erfindungsgemäßen Ionenstrahlquelle oder die Anpassung der thermischen Eigenschaften, wie z. B. Wärmeleitfähigkeit, Emissivität, Reflexionsvermögen, der verwendeten Materialien beeinflusst werden kann.
Zur Vermeidung oder Verringerung der beschriebenen Probleme kann eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahls (Ionenstrahlquelle) gemäß verschiedenen Ausführungsformen folgendes aufweisen: eine Anode und eine Kathode zum Erzeugen von Ionen in einem Emissionsbereich und Emittieren (Aussenden) des Ionenstrahls.
Weiterhin kann eine Isolationsstruktur vorgesehen sein, welche das Gehäuse und die Anode wärmeisolierend koppelt.
Eine „Isolationsstruktur“ kann ein dreidimensionales Gebilde mit einer definierten räumlichen Ausdehnung sein, z. B. eine wärmeisolierend wirkende Aufhängung oder Halterung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Isolationsstruktur keramische thermische Isolatoren aufweisen oder aus keramischen thermischen Isolatoren gebildet sein, auf denen die Anode angeordnet ist.
Unter „koppeln“ kann dabei sowohl eine direkte als auch indirekte Verbindung zu verstehen. „Wärmeisolierend“ bedeutet, dass der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Anodenmaterials größer als der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient der Isolationsstruktur ist. Beispielsweise kann der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient der Isolationsstruktur unter 1 W/(m·K), unter 0,1 W/(m·K) oder unter 0,05 W/(m·K) liegen, während der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Anodenmaterials beispielsweise größer als 10 W/(m·K), größer als 30 W/(m·K) oder größer als 100 W/(m·K) sein kann.
Aufgrund des Unterschieds der Wärmeleitfähigkeiten kann ein Wärmefluss weg von der Anode weitgehend verhindert werden und zumindest die Temperatur der Anodenoberfläche oder auch der gesamten Anode kann einen Wert annehmen, der eine Rückbeschichtung der Anodenoberfläche verringert oder verhindert, z. B. in dem der Haftkoeffizient eines sich sonst parasitär, d. h. ungewollt, abscheidenden Materials, verringert werden kann. Beispielsweise kann die Temperatur der Anode oder der Anodenoberfläche eine Temperatur gleich oder größer als die Sublimations- oder Siedetemperatur eines sich sonst, unter den jeweiligen Prozessbedingungen, auf der Anodenoberfläche parasitär abscheidenden Materials, annehmen.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen weist die Ionenstrahlquelle weiterhin einen Isolationsbereich und die Anode einen Heizbereich und einen Kühlbereich auf, wobei der Isolationsbereich den Heizbereich und Kühlbereich wärmeisolierend koppelt.
Unter einem „Isolationsbereich“ kann dabei ein zwei- oder dreidimensionales Gebiet oder eine Zone verstanden werden, die wärmeisolierend wirkt. Beispielsweise kann es sich um einen Gebiet, in dem Vakuum vorherrscht, handeln.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen kann der Isolationsbereich als Ausnehmung des Heizbereichs ausgebildet sein, beispielsweise, indem die Anodenoberfläche Durchbrüche aufweist, in denen Vakuum herrscht.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen kann der Isolationsbereich als Spalt zwischen dem Heizbereich und dem Kühlbereich ausgebildet sein, wobei in dem Spalt beispielsweise Vakuum herrschen kann.
Zur Vermeidung oder Verringerung der beschriebenen Probleme kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen die Anode eine dem Emissionsbereich zugewandte Anodenoberfläche aufweisen, deren Temperatur in einem Heizbereich im stationären Prozessbetrieb, d. h. während des bestimmungsgemäßen Betreibens der Ionenstrahlquelle sowie nach hinreichend langer Zeit zur Einstellung eines thermischen Gleichgewichtes, einstellbar ist und zwar auf eine Temperatur, bei der der Haftkoeffizient eines sich sonst auf dem Heizbereich der Anodenoberfläche parasitär abscheidenden Materials reduziert ist, beispielsweise auf eine Temperatur, die gleich der oder größer als die Sublimations- oder Siedetemperatur unter den jeweiligen Prozessbedingungen (z. B. unter dem herrschenden Druck) eines sich sonst in diesem Bereich der Anodenoberfläche ablagernden Materials ist. Der Heizbereich der Anodenoberfläche kann insbesondere den Bereich der Anodenoberfläche umfassen, in dem eine Rückbeschichtung zu erwarten ist. Beispielhaft kann der Heizbereich als beheizbare Platte ausgebildet sein.
In verschiedenen Ausgestaltungen kann die Temperatur des Heizbereichs auf mindestens 200 °C, mindestens 300 °C oder mindestens 400 °C einstellbar sein oder eingestellt werden.
Unter Emissionsbereich wird dabei der Bereich verstanden, in welchem ein ionisierbares Gas (z. B. ein Prozessgas) zum Bereitstellen von Ionen ionisiert werden kann. Die Ionen können beispielsweise mittels eines im Emissionsbereich, z. B. aus dem ionisierbaren Gas, erzeugten Plasmas bereitgestellt werden. Zum Bilden eines fokussierten Ionenstrahls aus den bereitgestellten Ionen können die bereitgestellten Ionen in eine Richtung weg von der Anode oder in eine Richtung weg vom Emissionsbereich emittiert werden.
Dazu kann ein elektrisches Feld zwischen der Anode und der Kathode im Emissionsbereich, beispielsweise im Bereich eines Emissionsspalts, bereitgestellt sein oder werden. Zum Bereitstellen des elektrischen Feldes kann mit einer Spannungsquelle eine Spannung (Betriebsspannung) zwischen der Kathode und der Anode angelegt werden.
Die bereitgestellten Ionen können untereinander wechselwirken, sich z. B. gegenseitig abstoßen und/oder mit dem elektrischen Feld wechselwirken. Dabei kann eine Kraft auf die bereitgestellten Ionen wirken, welche die Ionen derart beschleunigt, dass diese weg von der Anode und/oder weg vom Emissionsbereich emittiert werden.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen kann in einer Ionenstrahlquelle ein Großteil der Ionen in einem Bereich in unmittelbarer Nähe zu einer Anodenoberfläche generiert (erzeugt) werden, wobei das elektrische Feld in diesem Bereich annähernd senkrecht zu der Anodenoberfläche verlaufen kann (z. B. in einer Ionenstrahlquelle vom Anode-Layer-Typ). Somit können Form und/oder Orientierung der Anodenoberfläche den elektrischen Feldverlauf und damit die Emissionscharakteristik beeinflussen.
Die Flugbahn der an einer Anodenoberfläche erzeugten und von der Anodenoberfläche weg emittierten Ionen kann zusätzlich von einem an der Anodenoberfläche bereitgestellten Magnetfeld beeinflusst werden. Beispielsweise kann eine Kathode zwei Kathodenpole aufweisen, zwischen denen ein Magnetfeld bereitgestellt werden kann. Aufgrund der im Vergleich zu Elektronen hohen Masse der Ionen kann das Beeinflussen der Flugbahn der Ionen aufgrund des Magnetfelds geringer ausfallen als beispielsweise bei Elektronen, wobei das Magnetfeld zu einer kleinen Verkippung des Strahls gegenüber der Normalenrichtung der Anodenoberfläche führen kann, z. B. mit einer kleinen Geschwindigkeitskomponente in Racetrackrichtung (Umlaufrichtung des Racetracks).
Die Anode und die Kathode können ein elektrisch leitfähiges Material, z. B. ein Metall (wie z. B. Kupfer, Eisen, Aluminium usw.), eine Metalllegierung (wie z. B. Stahl, Messing, Bronze, usw.) oder einen Träger, z. B. einen isolierenden Träger (beispielsweise eine nicht elektrisch leitfähige Keramik) mit einer elektrisch leitfähigen Schicht aufweisen. Die Kathode kann beispielsweise aus einem magnetisch permeablen Material, wie Z. B. magnetischem Stahl, gebildet sein. Wird die Anode beispielsweise wassergekühlt, können korrosionsbeständige Werkstoffe verwendet werden, z. B. Kupfer oder rostfreier Edelstahl.
In weiteren Ausgestaltungen kann die Kathode plattenförmig ausgebildet sein und einen Spalt (Emissionsspalt) aufweisen, welcher zumindest Teile der Anodenoberfläche freilegt. Anschaulich kann die Anode an dem Spalt so angeordnet sein, dass ein Teil der Anodenoberfläche nicht von der Kathode abgedeckt ist. Die Anode kann beispielsweise relativ zu der Kathode derart angeordnet sein, dass die Anode und die Kathode einen Abstand von mindestens 1 mm zueinander aufweisen. Eine Kathode kann derart eingerichtet sein, dass der Emissionsspalt eine in sich geschlossene Form aufweisen kann (z. B. ringförmig, oval oder viereckig mit abgerundeten Ecken).
Gemäß verschiedener Ausgestaltungen kann der Bereich der Rückbeschichtung, d. h. der Bereich der Anodenoberfläche, in dem eine Rückbeschichtung zu erwarten ist, eine ähnliche Breite wie der Emissionsspalt, z. B. eine Breite im Bereich weniger Millimeter wie z. B. 6 mm, aufweisen. Die Breite des Bereichs der Rückbeschichtung kann beispielsweise abgeschätzt werden, indem zur Breite des Emissionsspalts der doppelte Abstand zwischen Kathode und Anode addiert wird. Beispielsweise können die Breite des Emissionsspalts sowie der Abstand zwischen Kathode und Anode jeweils 2 mm betragen, so dass sich daraus eine abgeschätzte Breite des Bereichs der Rückbeschichtung von 6 mm ergibt.
Entsprechend kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Heizbereich der Anodenoberfläche eine entsprechende Dimensionierung, d. h. eine Ausdehnung unterhalb des Emissionsspalts, aufweisen oder auch größer sein. Selbstverständlich können auch die gesamte Anodenoberfläche, ein Teil der Anode, beispielsweise ein Teil der Anode, der durch zumindest einen Teil der Anodenoberfläche begrenzt wird, oder die gesamte Anode beheizbar ausgebildet sein.
Die gesamte Anode kann beispielsweise beheizbar ausgebildet sein, indem eine Heizung über einen Strahlungsheizer erfolgt oder indem eine Beheizung mittels Stromfluss durch die Anode erfolgt. In letzterem Fall muss der Heizstromkreis galvanisch getrennt vom Anodenstromkreis sein, z. B. unter Verwendung eines Trenntransformators, und darüber hinaus hochspannungsfest sein, d. h. eine Betriebsspannung der Ionenstrahlquelle von z. B. 3 kV aushalten. Vorteil dieser Variante ist, dass die Heizung unabhängig von der Ätzrate einstellbar ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Ionenstrahlquelle derart eingerichtet sein, dass sich entlang eines Spalts in der Kathode ein Racetrack ausbilden kann. Entlang eines Racetracks mit in sich geschlossener Form (einer in sich geschlossenen Bahn) kann beispielsweise ein geschlossener Elektronenstrom unterbrechungsfrei zirkulieren.
Eine plattenförmig ausgebildete Kathode kann zwei im Wesentlichen parallele Grundflächen und mindestens eine an die beiden Grundflächen angrenzende Seitenfläche aufweisen. Der Abstand der Grundflächen zueinander kann eine Dicke in Dickenrichtung (senkrecht zu den Grundflächen) der plattenförmig ausgebildete Kathode definieren, wobei eine Ausdehnung der plattenförmig ausgebildete Kathode senkrecht zur Dickenrichtung größer sein kann als die Dicke, z. B. größer als die dreifache Dicke.
Anschaulich kann ein hierin als plattenförmig bezeichneter Körper eine geringere Dicke (Höhe) als Breite (senkrecht zur Dicke oder Höhe) aufweisen.
In weiteren Ausgestaltungen kann die plattenförmige Kathode eine Kathodenoberfläche (z. B. eine Grundfläche) aufweisen, wobei sich der Spalt zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen (z. B. Begrenzungsflächen) der plattenförmigen Kathode von der Kathodenoberfläche aus durch die plattenförmige Kathode hindurch erstrecken kann, wobei die zwei gegenüberliegenden Flächen in einem Winkel zueinander eingerichtet sein können. Die zwei gegenüberliegenden Flächen können anschaulich eine Wandung des Spalts bilden. Beispielsweise kann der Spalt als eine längliche Durchgangsöffnung in der Kathode eingerichtet sein, wobei die längliche Durchgangsöffnung oder der Spalt einen Öffnungswinkel aufweisen kann.
Beispielsweise kann eine Spaltbreite des Spalts entlang der Dickenrichtung der Kathode (von der Anode weg) zunehmen. Der Abstand (senkrecht zur Dickenrichtung) der gegenüberliegenden Flächen kann eine Spaltbreite definieren, z. B. eine kleinste Spaltbreite, eine größte Spaltbreite und/oder eine mittlere Spaltbreite. Die mittlere Spaltbreite kann im Bereich von wenigen Millimetern liegen, z. B. kann die mittlere Spaltbreite kleiner sein als ungefähr 20 mm, z. B. kleiner als ungefähr 10 mm, z.B. kleiner als ungefähr 5 mm.
Anschaulich kann der Spalt entlang einer geschlossenen Linie verlaufen und die Kathode in einen Innenabschnitt und einen den Innenabschnitt umgebenden Außenabschnitt aufteilen.
Eine Ionenstrahlquelle kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen ferner eine Magnetanordnung zum Erzeugen eines Magnetfelds im Emissionsbereich aufweisen. Eine Magnetanordnung kann beispielsweise einen oder mehrere Magnete (z. B. Permanentmagnete oder Elektromagnete) aufweisen, wobei die Magnete eine Magnetisierung, z. B. in eine Richtung, aufweisen können. Mittels des Magnetfelds kann eine Plasmabildung an dem und/oder in dem Emissionsspalt unterstützt werden.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen kann die Temperatur des Heizbereichs der Anodenoberfläche mittels eines im Emissionsbereich erzeugten Plasmas eingestellt sein oder werden. Dies kann eine einfache Implementierung in die Ausgestaltung bisheriger Ionenstrahlquellen ermöglichen.
Allerdings ist zu beachten, dass die erzielbare Temperatur des Heizbereichs unter anderem von der Plasmaleistung abhängen kann und somit die Temperatur des Heizbereichs beispielsweise nicht unabhängig vom Arbeitspunkt des Ätzprozesses eingestellt werden kann. Dies kann dazu führen, dass bei einer niedrigen Prozessleistung (Plasmaleistung) Wärmeverluste minimiert werden sollten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Temperatur des Heizbereichs mittels Stromdurchleitung durch die Anode eingestellt sein oder werden. Dazu sollte die Anode einen geeigneten Widerstand aufweisen, beispielsweise einen Widerstand zwischen 0,1 und 50 Ohm. Die Stromzuführung kann beispielsweise über beide Enden der Anode, z. B. im Bogen des Racetracks, erfolgen.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen kann die Ionenstrahlquelle über einen Strahlungsheizer verfügen, der zur Einstellung der Temperatur des Heizbereichs geeignet ist. Somit kann die Temperatur des Heizbereichs mittels dieses Strahlungsheizers eingestellt sein oder werden. Eine solche Strahlungsheizung könnte unterhalb der Anode, d. h. der dem Emissionsbereich abgewandten Seite der Anode, angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Temperatur des Heizbereichs mittels einer indirekten Heizung eingestellt sein oder werden. Beispielsweise kann eine indirekte Heizung in Form einer unter dem Heizbereich angeordneten beheizbaren CFC-Platte ausgebildet sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Anode einen Kühlbereich (kühlbaren Bereich) aufweisen, der sich auf dem gleichen elektrischen Potential wie der Heizbereich befindet. Beispielsweise kann ein Anodenteil mit dem Heizbereich an einen weiteren Anodenteil mit dem Kühlbereich montiert werden, so dass beide Teile in elektrischem Kontakt sind. Als Stromzuführung können beispielsweise die Wasserbeine (Wasserzuführungen) des Anodenteils mit dem Kühlbereich genutzt werden.
Die Kühlung kann beispielsweise mittels eines Kühlfluids, wie z. B. einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, erfolgen. So kann anschaulich eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, die ein von einer Kühlflüssigkeit durchflossenes Rohr aufweist, welches mit der Anode oder einem bestimmten Bereich der Anode thermisch gekoppelt ist und somit einen Bereich der Anode kühlen kann.
Der Kühlbereich kann sich beispielsweise auf der dem Emissionsbereich abgewandten Seite der Anode befinden. Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen kann die Anode als ein direkt gekühltes Bauteil ausgebildet sein, dass von einem Kühlfluid durchflossen wird. An der dem Emissionsbereich zugewandten Seite der Anode kann dann der Heizbereich angeordnet sein, beispielsweise in Form einer, z. B. mittels des im Emissionsbereich erzeugten Plasmas, beheizbaren Platte, die mit dem gekühlten Bauteil zumindest elektrisch leitend verbunden ist.
Eine Ausgestaltung von Kühlbereich und Heizbereich kann beispielsweise derart erfolgen, dass zwischen beiden Bereichen im stationären Prozessbetrieb ein Temperaturunterschied von mindestens 100 K oder mindestens 200 K oder mindestens 300 K oder mindestens 400 K oder mindestens 500 K oder mindestens 600 K oder mindestens 700 K oder mindestens 800 K oder mindestens 900 K eingestellt ist oder werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen kann zumindest der Heizbereich der Anodenoberfläche Molybdän, Tantal, Graphit oder kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff (CFC) aufweisen oder aus den genannten Materialien gebildet sein. Beispielsweise kann der Heizbereich als beheizbare Platte aus einem der genannten Materialien ausgebildet sein oder zumindest eines der genannten Materialien aufweisen.
Die genannten Materialien zeichnen sich durch einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise ca. 6 × 10^-6/K für Molybdän oder Tantal, aus. Dieser Gesichtspunkt kann insbesondere bei langen Ionenstrahlquellen mit einer langen Anode, beispielsweise bei Ionenstrahlquellen mit linearer (geradliniger) Bauform mit einer Länge von 0,5 bis hin zu 4 m oder mehr von Bedeutung sein, da bei einem großen Wärmeausdehnungskoeffizienten die Prozessstabilität beeinflusst werden kann. Beispielsweise sollten zwischen Anode und einem Gehäuse Dunkelfeldräume eingehalten werden, die für Metalle bereits in der Größenordnung der zu erwartenden Wärmedehnung sein können.
CFC zeichnet sich durch einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere in Faserrichtung, aus. So weisen beispielsweise spezielle plattenförmige CFC-Fabrikate bei niedrigen Temperaturen einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten und erst ab Temperaturen von ca. 800 °C eine zu berücksichtigende Wärmeausdehnung auf und kann aufgrund seiner anisotropen Materialeigenschaften entsprechend optimiert angeordnet werden. Beispielsweise kann die laterale Wärmedehnung von CFC in Plattenform in der Größenordnung von 10^-6/K liegen, wobei die Wärmeleitfähigkeit zwischen 10 und 40 W/m/K beträgt.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften von CFC sind eine hohe Schadenstoleranz/pseudoplastisches Bruchverhalten, eine geringe Dichte, die im Bereich von 1,3 - 1,8 g/cm³ liegen kann, hohe Thermoschockbeständigkeit, geringe oder keine Versprödung bei hohen Temperaturen über die gesamte Lebensdauer, kein Verzug unter thermozyklischer Belastung, sehr gute Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen, gute chemische Beständigkeit.
Zudem können u. a. aufgrund der Anisotropie die elektrischen (z. B. elektrische Leitfähigkeit), mechanischen (z. B. Biege- und Zugfestigkeit) und thermischen Eigenschaften (z. B. Wärmeleitfähigkeit) eines CFC-Materials eingestellt werden, beispielsweise in Abhängigkeit der Faserausrichtung oder der Wärmebehandlung beim Herstellungsprozess des CFC-Materials, wobei senkrecht zur Verstärkungsrichtung eine geringere Wärmeleitfähigkeit als in Faserrichtung eingestellt werden kann. CFC ist unter Vakuum oder Inertgas bis zu Temperaturen von 2800 °C einsetzbar. Bei Temperaturen oberhalb von 350 °C kann es mit Sauerstoff reagieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Ionenstrahlquelle eine lineare (geradlinige) Bauform aufweisen, wobei die Anode eine Mindestlänge von 0,5 m, 1 m, 1,5 m, 2 m, 2,5 m, 3 m, 3,5 m oder 4 m aufweist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Ionenstrahlquelle Einrichtungen zur Beeinflussung des Wärmestroms zwischen Heizbereich und dessen Umgebung aufweisen. Die Einrichtungen können so ausgebildet sein, dass eine vorgebbare Temperaturverteilung auf der Anodenoberfläche einstellbar ist.
Beispielsweise können Einrichtungen zur Beeinflussung des Wärmestroms zwischen Heizbereich und Kühlbereich vorgesehen sein. Es kann damit z. B. die Möglichkeit bestehen, den Wärmestrom derart einzustellen oder zu steuern und ggf. Wärmeleistungsverluste soweit zu minimieren, dass für eine vorgegebene Prozessleistung eine gewünschte Zieltemperatur zumindest in einem Heizbereich der Anodenoberfläche, beispielsweise im Bereich direkt unterhalb des Emissionsspalts, eingestellt werden kann. Beispielsweise kann eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Heizbereich der Anodenoberfläche realisiert werden.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen kann dafür die Wärmeleitung zu den Befestigungspunkten der Anode angepasst werden, z. B. durch eine thermisch isolierte Aufhängung der Anode zur annähernd vollständigen Unterbindung von Wärmeleitungsverlusten, durch eine Anpassung von Querschnitt und/oder Länge und/oder Anzahl der zum Heizbereich, z. B. einer beheizbaren Platte, führenden Halterungen und/oder durch eine gezielte Auswahl des verwendeten Materials entsprechend seiner Wärmeleitfähigkeit.
Beispielsweise kann die Anode auf thermisch isolierenden, keramischen Isolatoren angeordnet sein. Dadurch kann die Wärmeableitung über Befestigungspunkte der Anode verringert werden, so dass z. B. bei einer nicht gekühlten Anode die Anodentemperatur insgesamt und somit auch die Temperatur des beheizten Bereichs einfacher erhalten werden kann, d. h. es kann eine geringere Plasmaleistung zum Temperieren des Heizbereichs ausreichend sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann eine Einrichtung zur Beeinflussung des Wärmestroms als Strukturierung des Heizbereichs ausgebildet sein, z. B. in Form von Strukturen wie Öffnungen, Durchbrüchen, Schlitzen o. ä. in einer beheizbaren Platte. Durch die Strukturierung kann die laterale Wärmeleitung zu den Befestigungspunkten der Anode reduziert werden und somit können auch die Wärmeverluste minimiert werden. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere thermisch leitfähige Verbindungen zwischen Heizbereich und Kühlbereich vorgesehen sein. Diese können beispielsweise als Verschraubungen zwischen Heizbereich und Kühlbereich, z. B. zwischen einer beheizbaren und einer kühlbaren Platte, vorgesehen sein. Der Wärmestrom kann dabei beispielsweise durch die Anzahl und die Wärmeleitfähigkeit der Verbindungen beeinflusst werden.
Durch eine gezielte Positionierung beispielweise der Strukturierungen und/oder thermisch leitfähigen Verbindungen kann gemäß verschiedenen Ausgestaltungen eine bestimmte Temperaturverteilung auf Teilen oder auf der gesamten Anodenoberfläche generiert werden. Beispielsweise kann es möglich sein, eine Temperaturverteilung derart zu wählen, dass der unter dem Emissionsspalt befindliche Teil der Anodenoberfläche so beheizt wird, dass dessen Temperatur gleich oder größer der Sublimations- oder Siedetemperatur eines sich sonst unter den herrschenden Prozessbedingungen ablagernden Materials ist.
Die Vorgabe einer Temperaturverteilung kann insbesondere dann von Bedeutung sein, wenn das Beheizen mittels des im Emissionsbereich erzeugten Plasmas erfolgen soll und die Plasmaleistung nicht ausreicht, um die gesamte Anodenoberfläche auf die notwendige Temperatur zu erwärmen. In einem solchen Fall kann es notwendig sein, beispielsweise lediglich den direkt unterhalb des Emissionsspalts liegenden Bereich der Anodenoberfläche zu beheizen und dies über eine entsprechende Temperaturverteilung vorzugeben.
Gemäß weiteren Ausgestaltungsmöglichkeiten können Wärmestrahlungsreflektoren als Einrichtungen zur Beeinflussung des Wärmestroms zwischen Anode und deren Umgebung vorgesehen sein oder kann die Ionenstrahlquelle Wärmestrahlungsreflektoren zur Beeinflussung des Wärmestroms zwischen Anode und deren Umgebung aufweisen, um den Wärmestrom aufgrund von Wärmestrahlung zu verringern. Beispielsweise kann die Wärmestrahlung zu umgebenden Teilen geringerer Temperatur, z. B. zu einem Gehäuse oder weiteren Einbauten innerhalb der Ionenstrahlquelle angepasst werden.
Dafür kann z. B. zwischen Heizbereich und Kühlbereich ein Wärmestrahlungsreflektor, z. B. in Form eines Strahlungsblechs oder eines Strahlungsschirms, angeordnet sein. Beispielsweise kann eine die Wärmestrahlung des Heizbereichs reflektierende Platte, z. B. aufweisend oder bestehend aus CFC, vorgesehen sein, die zwischen Heizbereich und Kühlbereich angeordnet sein kann.
Gemäß weiteren Ausgestaltungsvarianten ist vorgesehen, dass der Heizbereich und/oder Oberflächen, die mit diesem im Strahlungsaustauch stehen, eine Emissivität zwischen 0,05 und 1, bevorzugt zwischen 0,1 und 1, aufweisen. Dies kann beispielsweise realisiert sein, indem die entsprechenden Oberflächen mit einem Lack hoher Emissivität oder mit einer absorbierenden Farbe oder Beschichtung versehen sind oder verspiegelt sind. Es kann damit möglich sein, Wärmeverluste zu minimieren oder zu maximieren und die Temperatur zumindest im Heizbereich auch bei niedriger Plasmaleistung auf eine notwendige Höhe zu bringen.
Ein Minimieren der Wärmeverluste wäre beispielsweise günstig, wenn die Heizleistung durch das Plasma nicht ausreichend ist, um die gewünschte Temperatur zu erzielen. Ein Maximieren der Wärmeverluste wäre beispielsweise günstig, wenn die Anode nicht zu heiß werden soll, beispielsweise, wenn diese aus Metall gefertigt und die Wärmedehnung kontrolliert werden soll.
In weiteren Ausgestaltungen kann die Anode der Ionenstrahlquelle beispielsweise in einem Hohlraum oder in einer Aussparung eines Gehäuses angeordnet sein kann. Die Aussparung des Gehäuses kann ferner von der, beispielsweise plattenförmigen, Kathode abgedeckt sein oder werden, so dass der zwischen dem Innenabschnitt der Kathode und dem Außenabschnitt der Kathode gebildete Emissionsspalt über der Anode angeordnet ist.
Das Gehäuse kann beispielsweise eine elektrische und/oder magnetische Abschirmung bereitstellen, um einen Betrieb der Ionenstrahlquelle innerhalb vorgegebener Betriebsparameter (z. B. zum Erzeugen eines Ionenstrahls mit einer vorgegebenen Ionenintensität und/oder vorgegebenen Emissionsrichtung) zu ermöglichen. Ferner kann das Gehäuse beispielsweise als Stützstruktur, beispielsweise zur Vorgabe einer Steifigkeit oder Definition einer geometrischen Gestalt der Ionenstrahlquelle, als Teil des magnetischen Kreises und/oder als Abschirmung der Anode wirken.
Weiterhin kann das Gehäuse eine Versorgungsstruktur zum elektrischen Versorgen der Kathode und/oder der Anode aufweisen. Beispielsweise können die Kathode und/oder die Anode mittels der Versorgungsstruktur mit einer Spannungsversorgung zum Bereitstellen einer Spannung zwischen der Kathode und der Anode gekoppelt sein.
Des Weiteren wird eine Ionenstrahlquelle vorgeschlagen, die eine Kathode und eine Anode zum Erzeugen von Ionen in einem Emissionsbereich aufweist, wobei die Anode oder Teile der Anode, wie z. B. ein Heizbereich, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff aufweisen oder daraus gebildet sind. Zu den Eigenschaften von CFC-Materialien wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Die vorgeschlagenen Ionenstrahlquellen können beispielsweise in Substratbehandlungsanlagen angeordnet sein, die eine Anlagenkammer und in der Anlagenkammer angeordnete Mittel zum Halten und/oder Transportieren von Substraten in einer Substratebene aufweisen können, wobei mindestens eine derartige Ionenstrahlquelle in der Anlagenkammer derart eingerichtet (angeordnet und ausgerichtet) ist, dass ein von der Ionenstrahlquelle erzeugter Ionenstrahl auf eine Oberfläche des Substrats auftreffen kann.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen wird eine Vorrichtung zur Ionenstrahlbehandlung von Substraten bereitgestellt, beispielsweise zum Ionenstrahlätzen, zur Vorbehandlung, zum Bearbeiten oder zum Prozessieren von Substraten. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine einfache und robuste Anode-Layer-Ionenstrahlquelle verwendet werden, welche derart eingerichtet ist, dass ein fokussierter Ionenstrahl erzeugt werden kann.
Beispielsweise kann ein Ionenstrahl aus einem in sich geschlossenen Racetrack (ein Bereich, in dem Plasma bereitgestellt wird) erzeugt werden, wobei die dann emittierten Ionen fokussiert werden können.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen wird eine Substratbehandlungsanlage bereitgestellt, in der die Rückbeschichtung auf der Anode der Ionenstrahlquelle minimiert sein oder verringert sein kann und auf diese Art eine Verlängerung der Standzeit/Kampagnendauer (Betriebsdauer) ermöglicht werden kann.
Die Anlagenkammer kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass während des Prozessierens (oder Bearbeitens) eines Substrats in der Anlagenkammer die Umgebungsbedingungen (die Prozessbedingungen) innerhalb der Anlagenkammer, wie z. B. Druck, Temperatur, Gaszusammensetzung, eingestellt oder geregelt werden können. Dazu kann die Anlagenkammer luftdicht, staubdicht oder vakuumdicht eingerichtet sein oder werden, so dass innerhalb der Anlagenkammer eine Gasatmosphäre mit einer vordefinierten Zusammensetzung oder einem vordefinierten Druck bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann ein Gas oder können mehrere verschiedene Gase in der Anlagenkammer bereitgestellt sein oder werden. Der Druck in der Anlagenkammer kann kleiner als 2 pbar sein, der Druck in der Ionenstrahlquelle kann kleiner als 10 pbar sein.
In weiteren Ausgestaltungen kann eine Substratbehandlungsanlage mindestens eine Auffangvorrichtung neben der Ionenstrahlquelle zum Absorbieren von Material, welches mittels des fokussierten Ionenstrahls von einer Oberfläche des Substrats abgetragen (zerstäubt) wird, aufweisen. Die Auffangvorrichtung kann beispielsweise Teil einer Absorptionsvorrichtung sein, die zerstäubtes Material auffängt, um eine Rückbeschichtung zu verringern.
Die beschriebenen Ionenstrahlquellen sind besonders geeignet für Ätzanwendungen von Materialien mit hohem Dampfdruck, wie z. B. Materialien enthaltend oder bestehend aus Mg, Elementen der 2. Nebengruppe, wie Zn oder Cd, oder Elementen der 5. oder 6. Hauptgruppe, wie z. B. S, P, Se, Te.
Ein Verfahren zur Ionenstrahlbehandlung mit einer Ionenstrahlquelle, welche eine Kathode, eine Anode und ein Gehäuse aufweist, kann zur Verminderung oder Beseitigung der beschriebenen Nachteile Folgendes aufweisen: Bereitstellen eines Heizbereichs der Anode und Beheizen des Heizbereichs mittels eines bereitgestellten Plasmas und/oder mittels Stromdurchleitung durch die Anode und/oder mittels eines bereitgestellten Strahlungsheizers und/oder mittels eines Wärmeträgerfluids, das eine höhere Temperatur als das Gehäuse aufweist zur Reduzierung des Haftkoeffizienten eines auf dem Heizbereich parasitär abgeschiedenen Materials oder eines sich sonst auf dem Heizbereich der Anodenoberfläche parasitär abscheidenden Materials.
Als Wärmeträgerfluid kann beispielsweise ein Wärmeträgeröl, z. B. Therminol_HTF-66, welches z. B. oberhalb von 300 °C, z. B. bei 345 °C, verwendet werden kann, genutzt werden.
Beispielsweise kann dieses Verfahren mittels einer der zuvor beschriebenen Ionenstrahlquellen ausgeführt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten wird das Verfahren so ausgeführt, dass auf der Anodenoberfläche eine Temperatur gleich oder größer als die Sublimations- oder Siedetemperatur unter den jeweiligen Prozessbedingungen eines sich sonst auf dem Heizbereich der Anodenoberfläche parasitär abscheidenden Materials eingestellt wird.
In den im Folgenden erläuterten Beispielen 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 Figuren 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.
Die Figuren zeigen in:

1a perspektivische Darstellung einer Ionenstrahlquelle gemäß dem Stand der Technik,
1b Querschnittsdarstellung einer Ionenstrahlquelle gemäß dem Stand der Technik,
1c Anode für eine Ionenstrahlquelle gemäß dem Stand der Technik,
2a perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ionenstrahlquelle,
2b Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Ionenstrahlquelle,
2c perspektivische Darstellung einer Anode für eine erfindungsgemäße Ionenstrahlquelle,
2d Explosionsdarstellung einer Anode für eine erfindungsgemäße Ionenstrahlquelle,
3a perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ionenstrahlquelle mit Wärmestrahlungsreflektor,
3b Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Ionenstrahlquelle mit Wärmestrahlungsreflektor,
3c Explosionsdarstellung einer Anode mit Wärmestrahlungsreflektor für eine erfindungsgemäße Ionenstrahlquelle.

Die erfindungsgemäße Lösung bezieht sich insbesondere auf Prozesse, bei denen das geätzte Material einen hohen Dampfdruck aufweist.
Im Kern der Erfindung wird die Anode der Ionenstrahlquelle auf eine Temperatur gebracht, die ausreichend hoch ist, um aufwachsendes Material zu verdampfen. Idealerweise wird ein substanzieller Anteil des aufwachsenden Materials sofort wieder verdampft, so dass das Aufwachsen einer Schicht auf der Anode teilweise oder vollständig verhindert wird.
In einem beispielhaften Szenario mit einer aus CFC gefertigten Anode von 3 mm Dicke und einer Breite von 6 mm für den heißen Kernbereich dieser Anode sowie mit einer Umgebungsemissivität von 0,6 ergibt sich für eine mit Argon betriebene Quelle der in Tabelle 1 dargestellte Zusammenhang zwischen der auf die Racetracklänge bezogenen Leistungsdichte P und der angenäherten Anodentemperatur T. Tabelle 1: Zusammenhang zwischen der auf die Racetracklänge bezogenen Leistungsdichte P und der angenäherten Anodentemperatur T.

P [W/cm] T [°C]

1, 0 272

1,4 312

1,7 345

2, 6 411

3, 4 463

4,3 505

5, 1 542

6, 0 574

6, 8 603

8, 6 654

10, 3 698

12,0 736

13,7 771
Die Heizung kann beispielsweise direkt durch Stromzuführung, durch einen integrierten Strahlungsheizer oder durch das Plasma selbst erfolgen.
Im Falle der direkten Stromzuführung sollte die Anode einen nennenswerten Widerstand aufweisen. Die Stromzuführung könnte dann beispielsweise über beide Enden (im Bogen des Racetracks) erfolgen. Die technische Schwierigkeit besteht darin, dass dann der elektrische Heizkreis mit hohem Potential beaufschlagt ist. Auch eine indirekte Heizung ist möglich.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Variante beruht auf der Heizung durch das Plasma und zeichnet sich durch eine gute Kompatibilität zum bestehenden Design von Ionenstrahlquellen aus. Die Schwierigkeit besteht allerdings darin, dass die erzielbare Temperatur auch von der Plasmaleistung abhängt und somit die Temperatur der Anode nicht unabhängig vom Arbeitspunkt des Ätzprozesses eingestellt werden kann. Insbesondere für niedrige Prozessleistung müssen die Wärmeverluste minimiert werden.
Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass beim Erreichen einer geeigneten Temperatur (beispielsweise mehrere 100 °C) auch mit entsprechender Wärmedehnung zu rechnen ist. Insbesondere bei langen Quellen stellt dies ein Problem dar, da auch Dunkelfeldräume zwischen Anode und Gehäuse eingehalten werden müssen und diese für Metalle bereits in der Größenordnung der zu erwartenden Wärmedehnung sind.
Besonders vorteilhaft ist es daher, ein Material mit sehr geringer Wärmedehnung für die beheizte Anode zu verwenden. Ein solches Material kann beispielsweise CFC (kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff) sein. Produkte verschiedener Hersteller sind beispielsweise als plattenförmiges Material mit einer lateralen Wärmedehnung in der Größenordnung 1E-6 /K und einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 10 und 40 W/m/K erhältlich.
Es werden die üblichen Ansätze verfolgt um die Leistungsverluste so zu steuern, dass sich für eine vorgegebene Prozessleistung der Zieltemperaturbereich einstellt.

1. Anpassung der Wärmeleitung zu den Befestigungspunkten der Anode
1. a. Thermisch isolierte Aufhängung (zur annähernd vollständigen Unterbindung der Leitungsverluste)
2. b. Anpassung von Querschnitt und Länge der zum aktiven Teil der Anode führenden Halterung
3. c. Auswahl des Materials nach seinem Wärmeleitwert
2. Anpassung der Wärmestrahlung zu umgebenden Teilen mit geringerer Temperatur
1. a. Anpassung der Fläche des geheizten Teils der Anode
2. b. Anpassung der Emissionseigenschaften von Anode und Umgebung (z. B. Lack mit hoher Emissivität oder Verspiegeln)
3. c. Verwendung von Strahlungsschirmen zwischen Anode und Anodenumgebung

Die Erfindung ist besonders geeignet für Ätzanwendungen von Materialien mit hohem Dampfdruck, beispielsweise Zn, Mg, Cd sowie Gruppe VI-Elemente.
Eine Ionenstrahlquelle 1 gemäß dem Stand der Technik (1a, 1b) weist eine Kathode 2 und eine Anode 3, mit einer dem Emissionsbereich 4 zugewandten Anodenoberfläche 10 auf. Die Kathode 2 ist plattenförmig ausgebildet und weist einen Emissionsspalt 12 auf, wobei die Anode 3 so angeordnet ist, dass ein Teil davon nicht von der Kathode 2 abgedeckt ist. Gehäuse (6) und Anode (3) sind nicht wärmeisolierend miteinander gekoppelt. Die Anodenoberfläche 10 ist glatt ausgebildet, d. h. sie weist keinerlei Strukturierung oder Isolationsbereiche auf (1c).
Beim Betrieb der Ionenstrahlquelle 1 nach dem Stand der Technik kann es zu einer Rückbeschichtung der Anodenoberfläche 10, insbesondere im direkt unterhalb des Emissionsspalts 12 gelegenen Bereich kommen.
Um eine derartige Rückbeschichtung zu verringern oder sogar ganz zu vermeiden, kann die Ionenstrahlquelle 1 beispielsweise wie in den 2a bis 2d (Ausführungsbeispiel 1) oder wie in den 3a bis 3c (Ausführungsbeispiel 2) gezeigt, ausgebildet sein.
Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahls (Ionenstrahlquelle 1) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel (2a-d) weist eine Kathode 2 und eine Anode 3, mit einer dem Emissionsbereich 4 zugewandten Anodenoberfläche 10 auf. Die Kathode 2 ist im Beispiel plattenförmig ausgebildet und weist einem Emissionsspalt 12 auf, wobei die Anode 3 so angeordnet ist, dass ein Teil davon nicht von der Kathode 2 abgedeckt ist.
Die Ionenstrahlquelle 1 weist eine lineare Bauform auf, wobei die Anode eine Mindestlänge von 0,5 m, 1 m, 1,5 m, 2 m, 2,5 m, 3 m, 3,5 m oder 4 m besitzt.
Weiterhin weist die Ionenstrahlquelle 1 des ersten Ausführungsbeispiels eine Isolationsstruktur 5 auf, welche das Gehäuse 6 und die Anode 3 wärmeisolierend koppelt, indem die Anode 3 und das Gehäuse 6 über die Isolationsstruktur 5, die durch Durchbrüche (nicht dargestellt) im Füllkörper 12 verläuft, direkt miteinander verbunden sind.
Die Anode 3 weist einen Heizbereich 8 aus einem CFC-Material, beispielsweise mit einer Emissivität zwischen 0,85 und 0,96, auf, der als beheizbare Platte ausgebildet ist, deren Oberseite, d. h. die dem Emissionsbereich 4 zugewandte Seite, der Anodenoberfläche 10 entspricht. Die Temperatur des Heizbereichs 8 ist auf mindestens 200 °C, mindestens 300 °C oder mindestens 400 °C einstellbar.
Des Weiteren weist die Anode 3 einen Kühlbereich 9 auf der dem Emissionsbereich 4 abgewandten Seite der Anode 3 auf, der sich auf dem gleichen Potential wie der Heizbereich 8 befindet. Die Kühlung erfolgt mittels Wasser als Kühlfluid 15, welches durch den Kühlbereich 9 geleitet wird und diesen somit direkt kühlt.
Die Temperatur des Heizbereichs 8 ist oder wird mittels eines im Emissionsbereich 4 erzeugten Plasmas eingestellt. Der Temperaturunterschied zwischen Heizbereich 8 und Kühlbereich 9 bei bestimmungsgemäßen Gebrauch im stationären Prozessbetrieb kann auf mindestens 100 K, mindestens 200 K, mindestens 300 K, mindestens 400 K, mindestens 500 K, mindestens 600 K, mindestens 700 K, mindestens 800 K oder mindestens 900 K einstellbar sein.
Die Ionenstrahlquelle 1 des ersten Ausführungsbeispiels weist Einrichtungen zur Beeinflussung des Wärmestroms zwischen Heizbereich 8 und dessen Umgebung auf, die als Strukturierung 13 des Heizbereichs 8 ausgebildet sind und den Isolationsbereich 7 bilden. Die Strukturierung 13 weist mehrere Schlitze auf der Anodenoberfläche 10 auf bzw. wird der Isolationsbereich 10 durch mehrere Schlitze gebildet, die überwiegend parallel zur Hauptausdehnungsrichtung des Emissionsspalts 12 angeordnet sind.
Weiterhin weist die Ionenstrahlquelle 1 des ersten Ausführungsbeispiels einen Füllkörper 13 mit Durchbrüchen für die Isolationsstruktur 5 und Wasseranschlüsse der Anode auf. Gekühlt wird der Kühlbereich 9 der Anode 3 mittels eines Kühlfluids 13.
Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahls (Ionenstrahlquelle 1) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel (3a-c) weist im Vergleich zur Ionenstrahlquelle 1 gemäß erstem Ausführungsbeispiel zusätzlich einen Wärmestrahlungsreflektor 11 als Einrichtung zur Beeinflussung des Wärmestroms zwischen Heizbereich 8 und dessen Umgebung auf. Der Wärmestrahlungsreflektor 11, der beispielsweise aus CFC gefertigt sein kann, ist als Strahlungsblech ausgebildet und zwischen Heizbereich 8 und Kühlbereich 9 angeordnet.
Die Ionenstrahlquellen 1 der Ausführungsbeispiele eins und zwei können in einer Substratbehandlungsanlage angeordnet sein, die darüber hinaus eine Anlagenkammer und in der Anlagenkammer angeordnete Mittel zum Halten und/oder Transportieren eines Substrats aufweist. Die Ionenstrahlquelle 1 ist dabei so angeordnet, dass der erzeugte Ionenstrahl auf eine Oberfläche des Substrats auftreffen kann.
Bezugszeichenliste

1: Ionenstrahlquelle
2: Kathode
3: Anode
4: Emissionsbereich
5: Isolationsstruktur
6: Gehäuse
7: Isolationsbereich
8: Heizbereich
9: Kühlbereich
10: Anodenoberfläche
11: Wärmestrahlungsreflektor
12: Emissionsspalt
13: Strukturierung
14: Füllkörper
15: Kühlfluid

Claims

Ionenstrahlquelle (1), aufweisend: ein Gehäuse (6); eine Kathode (2) und eine Anode (3) zum Erzeugen von Ionen in einem Emissionsbereich (4); eine Isolationsstruktur (5), welche das Gehäuse (6) und die Anode (3) wärmeisolierend koppelt; und einen Isolationsbereich (7); wobei die Anode (3) einen Heizbereich (8) und einen Kühlbereich (9) aufweist, und wobei der Isolationsbereich (7) den Heizbereich (8) und den Kühlbereich (9) wärmeisolierend koppelt.
Ionenstrahlquelle (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Isolationsbereich (7) als zumindest eine Ausnehmung des Heizbereichs (8) ausgebildet ist.
Ionenstrahlquelle (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Isolationsbereich (7) als Spalt zwischen dem Heizbereich (8) und dem Kühlbereich (9) ausgebildet ist.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Temperatur des Heizbereichs (8) mittels eines im Emissionsbereich (4) erzeugten Plasmas einstellbar ist.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Temperatur des Heizbereichs (8) mittels Stromdurchleitung durch die Anode (3) einstellbar ist.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ionenstrahlquelle (1) weiterhin einen Strahlungsheizer aufweist und die Temperatur des Heizbereichs (8) mittels dieses Strahlungsheizers einstellbar ist.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Temperatur des Heizbereichs (8) mittels einer indirekten Heizung einstellbar ist.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Temperaturunterschied zwischen dem Heizbereich (8) und dem Kühlbereich (9) im stationären Prozessbetrieb von mindestens 100 K, mindestens 200 K, mindestens 300 K, mindestens 400 K, mindestens 500 K, mindestens 600 K, mindestens 700 K, mindestens 800 K oder mindestens 900 K einstellbar ist.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest der Heizbereich (8) Molybdän, Tantal, Graphit oder kohlefaserverstärkten Kohlenstoff aufweist oder aus Molybdän, Tantal, Graphit oder kohlefaserverstärktem Kohlenstoff gebildet ist.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ionenstrahlquelle (1) eine lineare Bauform aufweist und die Anode (3) eine Mindestlänge von 0,5 m, 1 m, 1,5 m, 2 m, 2,5 m, 3 m, 3,5 m oder 4 m aufweist.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Isolationsstruktur (5) keramische thermische Isolatoren aufweist oder aus keramischen thermischen Isolatoren gebildet ist, auf denen die Anode (3) angeordnet ist.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ionenstrahlquelle (1) ferner Wärmestrahlungsreflektoren (11) zur Beeinflussung des Wärmestroms zwischen der Anode (3) und deren Umgebung aufweist.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Heizbereich (8) und/oder Oberflächen, die mit dem Heizbereich (8) im Strahlungsaustausch stehen, eine Emissivität zwischen 0,05 und 1 aufweisen.
Ionenstrahlquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Temperatur des Heizbereichs (8) auf mindestens 200 °C, mindestens 300 °C oder mindestens 400 °C einstellbar ist.
Ionenstrahlquelle (1), aufweisend eine Kathode (2) und eine Anode (3) zum Erzeugen von Ionen in einem Emissionsbereich (4); und einen Isolationsbereich (7); wobei die Anode (3) oder Teile der Anode (3) kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff aufweisen oder daraus gebildet sind, wobei die Anode (3) einen Heizbereich (8) und einen Kühlbereich (9) aufweist, und wobei der Isolationsbereich (7) den Heizbereich (8) und den Kühlbereich (9) wärmeisolierend koppelt.
Ionenstrahlquelle (1) aufweisend eine Kathode (2) und eine Anode (3) zum Erzeugen von Ionen in einem Emissionsbereich (4); und einen Isolationsbereich (7); wobei die Anode (3) einen Heizbereich (8) und einen Kühlbereich (9) aufweist, und wobei der Isolationsbereich (7) den Heizbereich (8) und den Kühlbereich (9) wärmeisolierend koppelt wobei die Anode (3) eine dem Emissionsbereich (4) zugewandte Anodenoberfläche (10) aufweist und die Ionenstrahlquelle (1) derart ausgebildet ist, dass die Temperatur der Anodenoberfläche (10) im stationären Prozessbetrieb zumindest in dem Heizbereich (8) auf eine Temperatur einstellbar ist, bei der der Haftkoeffizient eines sich sonst auf dem Heizbereich (8) der Anodenoberfläche (10) parasitär abscheidenden Materials oder eines auf dem Heizbereich (8) parasitär abgeschiedenen Materials reduziert ist.
Ionenstrahlquelle (1) nach Anspruch 16, wobei die Temperatur der Anodenoberfläche (10) auf eine Temperatur gleich oder größer als die Sublimations- oder Siedetemperatur unter den jeweiligen Prozessbedingungen eines sich sonst auf dem Heizbereich (8) der Anodenoberfläche (10) parasitär abscheidenden Materials oder eines auf dem Heizbereich (8) parasitär abgeschiedenen Materials einstellbar ist.
Verfahren zur Ionenstrahlbehandlung mit einer Ionenstrahlquelle (1), welche eine Kathode (2), eine Anode (3), ein Gehäuse (6) und einen Isolationsbereich (7) aufweist, wobei die Anode (3) einen Heizbereich (8) und einen Kühlbereich (9) aufweist, und wobei der Isolationsbereich (7) den Heizbereich (8) und den Kühlbereich (9) wärmeisolierend koppelt, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen des Heizbereichs (8) der Anode (3) und Beheizen des Heizbereichs (8) mittels eines bereitgestellten Plasmas und/oder mittels Stromdurchleitung durch die Anode (3) und/oder mittels eines bereitgestellten Strahlungsheizers und/oder mittels eines Wärmeträgerfluids, das eine höhere Temperatur als das Gehäuse (6) aufweist zur Reduzierung des Haftkoeffizienten eines sich sonst auf dem Heizbereich (8) der Anodenoberfläche (10) parasitär abscheidenden Materials oder eines auf dem Heizbereich (8) parasitär abgeschiedenen Materials.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Beheizen auf eine mittlere Oberflächentemperatur von mindestens 200°C erfolgt.