DE1615187C - Ionenoptisches Bearbeitungs gerat - Google Patents

Description

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weise gewählten Ausführungsform veranschaulicht. Spannung beschleunigt die Sekundärelektronen und

Es zeigt beschleunigt die Ionen nach, wodurch die Verkleine-

F i g. 1 eine den grundsätzlichen Aufbau des Bear- rung und die Brennpunkteinstellung des ionischen

beitungsgerätes wiedergebende Skizze, Bildes sichergestellt werden.

F i g. 2 eine stark vereinfachte Darstellung des Be- 5 Infolge der verkleinerten Abbildung der Schablone

arbeitungsgerätes und ist die Ionendichte in Höhe der Schablone niedriger

F i g. 3 einen axialen Schnitt durch eine mögliche als auf dem Niveau des Werkstückes. Daraus ergibt

Ausführungsform des Bearbeitungsgerätes. sich, daß die Zerstörung der Schablone, deren volle

Nach F i g. 1 wird die Bearbeitung des Werkstük- Teile ebenfalls der kathodischen Zerstäubung ausge-

kes 1 mit dem Gerät nach der Erfindung folgender- io setzt sind, wesentlich weniger schnell vor sich geht

maßen erzielt: Eine Ionenquelle! erzeugt ein Ionen- als die Bearbeitung des Werkstückes. Außerdem er-

bündel, wovon einer der Strahlen 3 schematisch dar- folgt die erwähnte Nachbeschleunigung der Ionen

gestellt ist. Im Strahlengang des Ionenbündels liegt nach dem Durchlaufen der Schablone 11.

eine Schablone 4, die auf dem Werkstück 1 abgebil- Das elektronenoptische System besteht weiterhin

det wird. Diese Schablone ist so gewählt, daß das auf 15 aus einer magnetischen Linse 16, die als magneti-

dem Werkstück 1 abgebildete Bild genau die Form sches Projektiv wirkt und die Vergrößerung des elek-

der durchzuführenden Bearbeitung wiedergibt. Die tronischen Bildes verstärkt, um so Bearbeitungen

Schablone kann größer sein als das Bild und das ver- sehr großer Feinheit zu kontrollieren,

wendete ionenoptische System ist dann ein Ver- Schließlich ist noch ein fluoreszierender Schirm 17

kleinerungssystem. 20 vorgesehen, um eine visuelle Beobachtung des vom

Zur Justierung des Bildes der Schablone 4 auf dem Bildwandler erzeugten elektronischen Bildes zu erWerkstück 1 werden nach der Erfindung die vom möglichen. Zur Vereinfachung der Montage wurde Werkstück emittierten Sekundärelektronen zur Er- dieser Fluoreszenzschirm um die Schablone 11 zeugung eines elektronischen Bildes des bombardier- herum angeordnet. Der Fluoreszenzbildschirm wird ten Teiles des Werkstückes verwendet. Dieses Bild 25 durch ein nicht dargestelltes Beobachtungsfenster wird mit Hilfe eines geeigneten elektronenoptischen über irgendeine geeignete Optik betrachtet. Das Fen-Systems auf einem fluoreszierenden Bildschirm er- ster ist seitlich auf dem Gerätegehäuse angebracht, zeugt. Dort wird z.B. ein Elektron sichtbar gemacht, In Fig.2 sind zwei Strahlen 18 und 19 des Elektrodas der vom Auftreffpunkt des Strahles 3 auf das nenbündels dargestellt, die von dem Werkstück 13 Werkstück 1 ausgehenden Bahn 6 folgt. 30 am Aufschlagpunkt des Ionenstrahles 12 ausgehen

F i g. 2 zeigt das Prinzipschema eines Bearbei- und den Fluoreszenzschirm 17 erreichen,

tungsgerätes nach der Erfindung. Dieses Gerät weist Die magnetische Linse 16 stört das ionische Bild

eine Ionenquelle auf, die schematisch durch eine Öff- nicht, da die Brennweiten den Massen der Teilchen

nung 7 dargestellt ist. In dem hier beschriebenen Bei- proportional sind. Da diese Linse sich jedoch an

spiel werden positive Ionen verwendet. Durch leichte 35 einer Stelle befindet, wo das Ionenbündel breit ist,

Abwandlungen ist es möglich, negative Ionen zu ver- muß der Durchmesser der öffnung zwischen ihren

wenden. Jedoch ist die einfachste Anordnung dieje- Polschuhen entsprechend groß sein, was eine verhält-

nige, die mit positiven Ionen arbeitet. nismäßig hohe Erregung der Wicklung der Linse er-

Das Gerät weist weiterhin einen elektrostatischen fordert. Diese Erregung kann mittels einer geregelten Kondensor aus drei Elektroden 8, 9, 10 auf, die 40 Niederspannungsstromquelle erfolgen. In dem nacheine Schablone 11 mit einem konvergierenden Ionen- stehend beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt bündel »beleuchten«. Diese Schablone besteht bei- die Brennweite der Linse nur einige Millimeter. Der spielsweise aus einer durchbrochenen Platte, die in aus den beiden Elektroden 14, 15 und dem Werkvergrößertem Maßstab die Form der durchzuführen- stück bestehende Bildwandler erzeugt ein elektroniden Bearbeitung darstellt. 45 sches Zwischenbild in der Nähe des Gegenstands-

Durch die Abbildung des ionischen Bildes der brennpunktes dieser Linse.

Schablone 11 werden auf dem Werkstück 13 Aus- Das beschriebene Gerät gestattet beispielsweise nehmungen erzeugt, die durchbrochenen Bereichen eine vierfach vergrößerte Abbildung der Schablone der Schablone entsprechen. Demgemäß wird eine auf dem Fluoreszenzschirm 17. Es können damit bei-Positiv-Wiedergabe der Schablone in verkleinertem 50 spielsweise Gitter mit einer Gitterkonstante von 1 μ Maßstab erzielt. Die Schablone, die wesentlich grö- bearbeitet werden; dabei wird als Schablone ein Gitßer ist, als das zu bearbeitende Werkstück, kann ter mit einer Gitterkonstante von 50 μ und ein Verleicht beispielsweise durch Mikro-Gravur hergestellt kleinerungsverhältnis der Ionenoptik von 50: 1 gewerden, wählt.

Bei 12 ist einer der Strahlen des Ionenbündels 55 Fig. 3 zeigt in axialem Schnitt ein Ausführungs-

wiedergegeben. Dieses trifft, nachdem es durch die beispiel des Gerätes nach der Erfindung. Die mit der

Schablone 11 getreten ist, auf dem zu bearbeitenden Darstellung in F i g. 2 übereinstimmenden Teile sind

Werkstück 13 auf. mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das elektronenoptische System, das die Kontrolle Das im wesentlichen zylindrische Gerät enthält in

der Einstellung des Bildes der Schablone 11 auf dem 60 seinem oberen Teil die Ionenquelle, die aus einer

Werkstück 13 gestattet, umfaßt im wesentlichen Kanone mit elektronischem Bogen und heißer Ka-

einen Bildwandler, in dem das Werkstück die elek- thode besteht. Diese Ionenkanone weist einen Heiz-

tronenemittierende Kathode darstellt. Dieser Bild- faden 20 auf, der über die Klemmen 21 und 22 mit

wandler besteht aus einer Wehnelt-Kathode 14 und einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden ist.

einer Anode 15. Das Werkstück 13 und die Wehnelt- 65 Die Klemmen sind auf einer Isolierplatte 23 angeord-

Kathode 14 liegen an einer hohen negativen Span- net, die auf einem Träger 24 in Hülsenform befestigt

nung von mehreren zehn Kilovolt, um eine gute Auf- ist. Dieser Träger 24 ist mit dem unteren Teil der

lösung des elektronischen Bildes zu erzielen. Diese Kanone durch leitende Stäbe 25, 26 verbunden.

Die Stäbe 25, 26 sind mechanisch und elektrisch mit einer Elektrode 27 verbunden, die als Abschirmung für die Elektronen wirkt, die aus dem Heizfaden austreten und sich auf dem Potential des letzteren befinden. Die Zonen 28, in der die Ionisierung stattfindet, wird von zwei Hülsen 29 und 30 umgeben, die durch einen Zentrierring 31 miteinander verbunden sind. Diese Anordnung, die als Anode wirkt, ist vom übrigen Teil des Gerätes elektrisch mit Hilfe von Isolierscheiben 32 und 33 isoliert.

Unter der Elektrode 27 ist eine weitere Elektrode 34 zur Extraktion der Ionen angeordnet. Diese Elektrode liegt auf dem Massepotential des Gerätes, d. h. der Masse des Hauptteiles, der sich unter der Ionenkanone befindet. Die Elektrode 27 ist gegen Masse durch eine Isolierscheibe 35 isoliert.

Die Teile der Ionenkanone, insbesondere die Stäbe 25, 26, sowie der Träger 24 liegen an positiver Spannung in der Größenordnung von 10 kV. Der Spannungsunterschied zwischen dem Heizfaden 20 und den Hülsen 29 und 30 beträgt etwa 100 Volt.

Es entsteht somit ein elektrischer Strom zwischen dem Heizfaden 20 und den Hülsen 29, 30 unter gleichzeitiger Ionisierung des Gases in der Zone 28. Das Gas kann beispielsweise Argon sein, wobei die Zuleitung dafür in der Figur nicht dargestellt ist.

Um die Ionisierung des Gases zu erhöhen, wird ein axiales magnetisches Feld mit Hilfe von ringförmigen Permanentmagneten 36, 37, 38 erzeugt. Dieses Feld läßt die Elektronen schraubenförmige Bahnen beschreiben, wodurch sich die Weglänge für die Elektronen und damit die Ionisierung des Gases erhöht. Zur Anbringung der Magneten werden die beiden Hülsen 29 und 30 zerlegt.

Ein isolierendes Montageteil 39 dient der Befestigung der Ionenkanone auf dem unteren Teil des Gerätes.

Außerdem ist eine Luftzirkulation vorgesehen, um die in dem Heizfaden 20 sowie in den Hülsen 29 und 30 umgesetzte Wärmeenergie abzuführen.

Die in der Zone 28 erzeugten positiven Ionen werden durch die extrahierende Spannung, die im Bereich von 10 kV liegt, beschleunigt.

Diese Extraktionsspannung ist einstellbar und stellt einen der Parameter dar, die Einfluß auf die Einstellung des auf dem Werkstück abgebildeten ionischen Bildes haben.

Unter der Ionenkanone lind koaxial mit ihr sind zwei aufeinanderfolgende Zylinder 40 und 41 befestigt. Der Zylinder 41 dient als Träger für den elektrostatischen Kondensor mit den zwei scheibenförmigen, in der Mitte gelochten Elektroden 8 und 10, die mit Masse verbunden sind, d.h. die mit dem Zylinder 41 eine Einheit bilden, sowie mit der zwischen diesen beiden Elektroden angeordneten dritten, ringförmigen Elektrode 9, die elektrisch von den beiden vorhergehenden durch zwei Isolierscheiben 42 und 43 isoliert ist. Diese Elektrode 9 liegt an einer positiven Spannung etwa in Höhe der der Ionenkanone.

Unter der Elektrode 10 ist der Teil des Gerätes montiert, der sowohl die gestrichelt dargestellte Schablone 11 als auch den Fluoreszenzschirm 17 trägt. Das auf dem Fluoreszenzschirm 17 abgebildete elektronische Bild wird durch ein nicht dargestelltes Beobachtungsfenster betrachtet, das in der Wandung des zylindrischen Teils 41 angeordnet ist.

Im unteren Teil des Zylinders 41 befindet sich die magnetische Linse 16 mit ihrer Spule 44. Diese Linse dient, wie bereits erwähnt, dazu, das elektronische, durch den Bildwandler erzeugte Bild zu vergrößern, wobei dieser Bildwandler im unteren Teil des Gerätes angeordnet ist, wo er durch einen Träger 45 zwischen dem unteren Teil der magnetischen Linse 16 und dem zylindrischen Boden 46 gehalten wird, der den Unterteil des Gerätes bildet.

Das Werkstück 13 wird von dem Werkstückträger

ίο 47 gehalten, der auf einem Isolierteil 48 montiert ist. Dieser Isolierteil 48 besteht selbst aus einem Stück mit einem Zwischenzylinder 49, der ebenfalls isolierend ist und am Träger 45 befestigt ist. Auf diesem Zylinder befindet sich die Wehnelt-Kathode 14.

Über der Wehnelt-Kathode ist die Anode 15 des Bildwandlers angeordnet. Sie ist am Träger 45 befestigt und befindet sich daher auf Massepotential. Über die elektrischen Leiter 50, 51 und 52 werden das Werkstück 13 sowie die Wehnelt-Kathode 14 an geeignete negative Spannungen gelegt. Diese Spannungen liegen in der Größenordnung von etwa 50 Kilovolt. Die Spannung der Wehnelt-Kathode 14.ist einstellbar, so daß die Einstellung des auf dem Werkstück abgebildeten Ionenbildes beeinflußt werden kann. Das elektrostatische Feld in der Nähe des Werkstückes 13 ist hoch, wodurch eine gute Auflösung des elektronischen auf dem Bildschirm 17 abgebildeten Bildes erzielt wird. Dieses Feld liegt in der Größenordnung von 14kV/cm, was einer Auflösung von 1 μ entspricht. Die Brennweite des Bildwandlers beläuft sich auf ungefähr 1 cm.

Das beschriebene Gerät eignet sich vorzügglich für Mikro-Bearbeitungen. Seine Einstellung ist einfach und von großer Anpassungsfähigkeit.

Die Einstellung des ionischen Bildes hängt vom Grad der Nachbeschleunigung der Ionen, von der Vorspannung der Wehnelt-Kathode 14 und auch von der Erregung der Kondensorlinsen 8,9, 10 ab, deren elektrostatisches Feld etwas über den Bereich hinausgeht, wo sich die Schablone 11 befindet. So kann durch eine geeignete Wahl des Verhältnisses der Nachbeschleunigungsspannung zur anfänglichen Beschleunigungsspannung der Ionen die Verzerrung des Bildes ausgeschaltet werden.

Auch die Einstellung des ionischen Bildes kann durch Änderung der Vorspannung der Wehnelt-Kathode und des Kondensors vorgenommen werden.

Schließlich kann das elektronische Bild, das auf dem Fluoreszenzschirm 17 abgebildet wird, durch Änderung der Vorspannung der Wehnelt-Kathode und der Erregung der magnetischen Linse 16 eingestellt werden.

Wenn beispielsweise Ionen von 7keV Anfangsenergie um 46 keV nachbeschleunigt werden, wird bei der Geometrie des beschriebenen Bildwandlers eine Verkleinerung um den Faktor 50 zwischen der Schablone und ihrem ionischen Bild erzielt. Mit Hilfe dieses Gerätes können demgemäß Strukturen bearbeitet werden, die fünfzigmal kleiner sind als die Schablone.

Die Vergrößerung des elektronischen Bildes, das vom Bildwandler 14, 15 und der Linse 16 erzeugt wird, beläuft sich auf ungefähr 200, was einer Vergrößerung von 4 im Verhältnis zur Schablone entspricht, die durch eine Vergrößerung um den Faktor 10 vervollständigt wird, die mit einer nicht dargestellten Vergrößerungslinse erzielt wird.

Beispielsweise wurde ausgehend von einer Scha-

blone, die aus einem Gitter mit einem Linienabstand von 100 μ bestand, in einen massiven Träger aus rostfreiem Stahl ein Gitter mit einem Linienabstand von 2 μ mit einer Feinheit eingraviert, die wesentlich unter einem Mikron lag.

Das Gerät nach der Erfindung eignet sich auch vorzüglich zum Einbringen von Halbleitersubstanzen durch Ionen-Bombardement (Implantation) und gestattet dabei, die Ionen-Implantation gemäß einem einwandfrei bestimmten Muster durchzuführen, dessen Feinheit nach Belieben gesteigert werden kann. Dieses Implantieren, d. h. das Einbringen von Verunreinigungen in die Substanz, kann direkt durch die Bombardierungs-Ionen erfolgen, die gerade die genannten Verunreinigungen darstellen. Das Eindringen der Ionen, das für Polykristalle sehr gering sein kann, kann bei Einkristallen passender Orientierung

bis auf ungefähr 1 Mikron verstärkt werden, und zwar wegen des Effektes der »Kanalisation« der Ionen durch die Atome des getroffenen Ziels.

AsI ein weiteres Anwendungsgebiet des Gerätes nach der Erfindung auf dem Gebiet der Mikro-Bearbeitung ist auch die Fertigung von Linsen mit Fresnel-Zonen zu nennen, wie sie für Röntgenstrahlen verwendet werden.
Das Gerät ist auch interessant für die Herstellung

ίο elektronischer Bauelemente, insbesondere für das Mäandern von aufgedampften Dünnfilm-Widerständen um ihren Ohmwert zu erhöhen oder auch beispielsweise für das Bearbeiten von Feldeffekt-Transistoren.

is In allen aufgezählten Fällen kann die Feinheit der Behandlung sowohl bei der Mikro-Bearbeitung als auch beim Implantieren besser sein als ein Mikron.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 S. 281 bis 295, ist ein Emissions-Elektronenmikro- Patentansprüche: skop zur direkten Sichtbarmachung von Metallober flächen mit ionenausgelösten Elektronen bekannt,

1. Ionenoptisches Bearbeitungsgerät mit einem bei dem der Ionenstrahl unter einem flachen. Ein-Ionenstrahlerzeugungssystem, welches ein elek- 5 schußwinkel von vorzugsweise 5 bis 10° auf das Obtrostatisches Linsensystem zur Fokussierung jekt auffällt. Der Wahl des Einschußwinkels kommt eines Ionenstrahlbündels auf das Werkstück auf- dabei insofern besondere Bedeutung zu, als in dem weist, sowie mit einem Sekundäremissions-Elek- angegebenen Bereich die Oberflächenstruktur des tronenmikroskop mit Bildschirm zur Beobach- Objekts besonders plastisch hervortritt.

tung des Werkstücks, dessen optische Achse io Weiterhin ist aus der deutschen Auslegeschrift

senkrecht .zur Oberfläche des Werkstücks ver- 1069 792 ein Unversal-Emissions-Elektronenmikro-

läuft, dadurch gekennzeichnet, daß skop mit Schrägbeschuß des Objekts durch Ionen be-

die optische Achse des Ionenstrahlerzeugungssy- kannt. Durch eine besondere Ausbildung der Ionen-

stems (7, 8, 9, 10) und die optische Achse des Se- quelle gelingt es dabei, den Nachteil der Objektver-

. kundäremissions-Elektronenmikroskops (14, 15, 15 änderung durch Zerstäubung zu vermeiden.

16, 17) zusammenfallen und im Strahlengang des * Schließlich ist aus der »Zeitschrift für Physik«,

Ionenstrahlenbündels (12) eine Schablone (11) Bd. 171, 1963, S. 556 bis 562 ein Sekundär-Elektro-

angeordnet ist. ■ . - ■ . nen-Emissionsmikroskop bekannt, das — abgesehen

2. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1, da- von seinem Verwendungszweck—in seinen wesentdurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Pro- 20 liehen Merkmalen mit dem einleitend erwähnten jektiv zur Nachvergrößerung des Werkstückbil- ionenoptischen Bearbeitungsgerät übereinstimmt. Bei des dient. dem bekannten Emissionsmikroskop dient der Ionen-

3. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, beschuß nicht nur zur Auslösung der Sekundärelekdadurch gekennzeichnet, daß der Bildschirm (17) tronen in der Objektoberfläche sondern der Beseitiein Fluoreszenzschirm ist. 25- gung der kontrastmindemden Objekt-Kontamination.

4. Bearbeitungsgerät nach einem der An- Auch hierbei ist die Ionenquelle seitlich vom Objeksprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der tiv angeordnet und der Ionenstrahl fällt unter einem Bildschirm (17) in der Ebene der Schablone (11) Winkel von maximal 50° auf die Objektoberfläche liegt und diese konzentrisch umgibt. auf.

30 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ionenoptisches Bearbeitungsgerät der einleitend ge-

nannten Gattung zu schaffen, das besonders einfach

aufgebaut ist.

Diese Aufgabe ist bei dem hier vorgeschlagenen 35 ionenoptischen Bearbeitungsgerät erfindungsgemäß

Die Erfindung betrifft ein ionenoptisches Bearbei- dadurch gelöst, daß die optische Achse des Ionentungsgerät mit einem Ionenstrahlerzeugungssystem, Strahlerzeugungssystems und die optische Achse des welches ein elektrostatisches Linsensystem zur Fo- Sekundäremissions-Elektronenmikroskops zusamkussierung eines Ionenstrahlbündels auf das Werk- menfallen und im Strahlengang des Ionenstrahlstück aufweist, sowie mit einem Sekundäremissions- 40 bündeis eine Schablone angeordnet ist.
Elektronenmikroskop mit Bildschirm zur Beobach- Hierdurch ergibt sich ein besonders raumsparen-

tung des Werkstücks, dessen optische Achse senk- der Aufbau des Bearbeitungsgeräts. Gleichzeitig recht zur Oberfläche des Werkstücks verläuft. macht die Schablone die Verwendung eines scharf be-

Aus der Zeitschrift »Die Naturwissenschaften«, grenzten punktförmigen Ionenstrahls und eine Ein-Jg. 46, 1959, Heft 21, S. 596, ist bereits die elektro- 45 richtung zur präzisen Verschiebung des Werkstückes nenoptische Herstellung freitragender Mikrogitter be- in zwei zueinander senkrechten Richtungen in Abkannt. Hierzu wird mit Elektronen ein Maschennetz hängigkeit von der vorzunehmenden Bearbeitung mit verkleinert auf eine Lackschicht abgebildet, die eine den sich jeweils daraus ergebenden Problemen über-Kupferunterlage bedeckt. Bei der anschließenden Be- flüssig.

handlung mit einem Lösungsmittel löst sich der Lack 5° " Das Gerät nach der Erfindung kann nicht nur zur nur in den unbestrahlten Bereichen auf. Auf die frei- Bearbeitung im Sinne einer Materialabtragung songelegten Bereiche der Kupferunterlage wird dann dem auch zum Einbringen von halbleitenden SubNickel elektrolytisch abgeschieden und das so ent- stanzen in ein Substrat, d. h zur sogenannten Ionenstandene Nickelgitter durch chemische Zersetzung implantation verwendet werden,
des Kupfers und des Lackes freigelegt. 55 Eine vorteilhafte Ausführungsform des Bearbei-

Aus der Zeitschrift »Nachrichtentechnik«, tungsgerätes besteht darin, daß ein magnetisches Pro-10. Jahrgang, 1960, Heft 9, S. 427 und 428 ist weiter- jektiv zur Nachvergrößerung des Werkstückbildes hin ein Gerät zur Herstellung von Feingittern und dient.

Mikroskalen durch elektronenoptische Verkleinerung Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform be-

elektronendurchstrahlter Schablonen bestimmt. 60 steht darin, daß der Bildschirm ein Fluoreszenz-Nachteilig ist an diesem Gerät, daß einerseits für die schirm ist.

Materialabtragung hohe Elektronenstromdichten be- Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des

nötigt werden, andererseits aber für große Bearbei- Bearbeitungsgerätes zeichnet sich dadurch aus, daß tungsgenauigkeiten eine scharfe Begrenzung des der Bildschirm in der Ebene der Schablone liegt und Elektronenstrahls zu fordern ist, was auf einen gro- 65 diese konzentrisch umgibt.

ßen Gradienten der Elektronendichte hinausläuft, In der Zeichnung ist das ionenoptische Bearbeir

der jedoch in der Praxis kaum erzielbar ist. tungsgerät nach der Erfindung an Hand schematisch

Aus der »Zeitschrift für Physik«, Bd. 151, 1958, vereinfachter Darstellungen sowie einer beispiels-