DE2837594A1

DE2837594A1 - Vorrichtung zur mikro-bearbeitung mittels ionenerosion

Info

Publication number: DE2837594A1
Application number: DE19782837594
Authority: DE
Inventors: Charles Fremiot
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-09-02
Filing date: 1978-08-29
Publication date: 1979-03-15
Also published as: FR2402301A1; FR2402301B1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Mikro- oder Fein-Bearbeitung mittels Ionenerosion verwendet man für die Erzeugung eines Ionenbündels eine Ionenquelle und lenkt anschließend das IonnebündeT durch einen luftleeren Raum auf das zu bearbeitende Substrat.

Die Weiterleitung eines Bündels schwerer Ionen ist stets problematisch, und zwar besonders dann, wenn eine große Ionendichte gegeben ist, weil dann auf Grund von Raumladungseffekten das Bündel dazu neigt, auseinanderzustreben. Aus diesem Grund erhält man bei solchen IonenquelTen nur dann hohe Ionenströme, wenn man die Dichte verringert, was entweder durch Vergrößerung des Bündel-Querschnitts oder durch Anwendung von Neutralisationskunstgriffen geschieht (die beispielsweise in einem Emissionsfaden bestehen). ·

Die anfänglich auf diesem Gebiet als Ionenquelle verwendeten DuopTasmatronen wurden nach und nach wieder aufgegeben und durch Kaufmann'sehe Quellen ersetzt, weil immer dann, wenn man große Dichten haben wollte, eine Energiezunahme der Ionen auftrat. Die Kaufmännische Quelle beruht auf der elektrischen Entladung und verwendet eine Trennelektrode, die sich an dem Ausgang einer Ausdehnungskammer befindet. Eine Beschreibung dieser Quelle ist in dem Artikel "Optimization of an electro-bombardement ion source for ion machining applications" von P. D. Reader und H. R. Kaufman gegeben, der im "Journal of Vacuum Science and Technology", Bd. 12, Nr. 6, Nov./Dez. 1975, pp. 1344-1347 veröffentlicht ist.

Bei einer Vorrichtung zur Ionen-Erosion, die eine solche Quelle verwendet, hat man, um die Divergenz des Ionenbündels in dem Bereich zwischen der Ionenquelle und dem Substrat zu bekämpfen, folgende Lösungswege eingeschlagen:

- Herstellung eines Bündels von großem Querschnitt, wodurch die

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Dichte verringert wird;

- die Verwendung eines Neutrali sierungsfadens, der allerdings zerbrechlich ist, insbesondere wenn man bestimmte reaktionsaktive Gase, beispielsweise Sauerstoff verwendet;

- Betrieb bei Energien von etwa 1000 eV, wenn man einen geeigneten Strom von getrennten Ionen erhalten will - eine für manche Fälle viel zu große Energie;

- Verwendung lediglich eines Teils des Ionenbündels, um keine voluminösen Bearbeitungsräume vorsehen zu müssen und um eine mechanische Abtastung der gesamten Oberfläche des Bündels durch die Zielscheibe zu ermöglichen,

Der- Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Mikro-Bearbeitung zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schlägt also vor, die klassische Ionenquelle durch eine Quelle mit neutralem Plasma zu ersetzen und die Trennung der Ionen des Plasmas nur in unmittelbarer Nähe des zu bearbeitenden Substrats durchzuführen.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß es durch die Neutralität des Plasmas nicht notwendig ist, besondere Neutrali sierungsmittel zu verwenden und daß der Plasmastrahl durch den luftleeren Raum geleitet werden kann, ohne daß die oben genannten Nachteile auftreten. Durch die Erfindung wird außerdem vermieden, daß man mit großen Divergenzwinkeln arbeiten muß. Außerdem kommt man mit sehr geringen Energiemengen aus (wobei man bis auf 250 eV heruntergehen kann), ohne die Ionendichte zu beeinträchtigen.

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Schließlich kann man durch die Richtungsumkehrung des Trennfeldes in der Nähe des Substrats anstelle des Ionenbündels ein Elektronenbündel erhalten, das vorteilhaft dazu verwendet werden kann, das Substrat vor der Behandlung zu desorbieren.

Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Mikro- oder Feinbearbeitung mittels Ionen-Erosion, bei der ein luftleerer Raum vorgesehen ist, der eine Einrichtung zum Beschießen eines Substrats mit Ionenbündeln enthält, wobei diese Einrichtung eine Plasmaquelle aufweist, welche einen Strahl von neutralem Plasma liefert, der durch den luftleeren Raum in Richtung auf das Substrat gelenkt wird. Außerdem ist eine Spannungsquelle vorgesehen, die in der Nähe des Substrats ein elektrisches Trennfeld erzeugen kann,

Vorzugsweise kann die Spannungsquelle bezüglich ihrer Polarität umgekehrt werden; sie ist überdies mit einer Tragplatte für das Substrat oder mit einem gegenüber dem Substrat angebrachten Gitter verbunden.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels, das zur Veranschaulichung und keineswegs zur Einschränkung gegeben wird.

Für die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich jede Plasmaquelle geeignet, jedoch soll eine solche Plasmaquelle verwendet werden, die auf dem Prinzip der elektronisch-zyklotronischen Resonanz-Wechselwirkung zwischen einer UHF-Welle und einem Gas beruht. Eine ähnliche Quelle ist in dem Artikel "Plasma Acceleration by Electron Cyclotron Resonance" von H. Hendel et al. in RCA Review, Juni 1965, pp. 200-216 beschrieben, wobei diese Quelle jedoch keine Membran aufweist, da sie hauptsächlich als Raumantrieb vorgesehen war, wofür große Ionenenergien in einem Plasmastrahl von großer Dichte notwendig sind.

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Man kann auch eine Quelle verwenden, wie sie in der französischen Patentanmeldung No. 71 27 812 beschrieben ist, die vom Anmelder am 29. 7. 1971 mit der Bezeichnung "Source d'ions
utilisant une cavite hyperfrequence" angemeldet wurde, allerdings mit der Einschränkung, daß die Trennelektrode am Eingang des Ausdehnungsbehälters weggelassen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Diese Zeichnung zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Die Vorrichtung gemäß dieser Figur weist eine Plasmaquelle auf, die eine Ionisierungskammer 2 enthält, welche ihrerseits aus einem rechtwinkligen Wellenleiter (z. B. vom Typ WR 340) besteht, dessen oberes Ende von einem rechteckigen oder runden Dichtungsfenster 4 verschlossen ist, das beispielsweise aus
Aluminiumoxyd besteht. Das Fenster 4 liegt auf einem Verbindungsflansch 6, der eine ringförmige Dichtung 8 aufweist. Das untere Ende der Ionisierungskammer wird durch eine Platte 12 verschlossen, die in ihrer Mitte mit einer kreisförmigen öffnung 14 versehen ist, die einen Durchmesser von beispielsweise 18 mm bei einem Argon-Ionenbündel von 600 mA hat. Die Höhe der Ionisierungskammer 2 entspricht der halben Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz, so daß ein Kurzschluß in der Ebene des Fensters herbeigeführt wird.

Die Ionisierungskammer 2 ist um eine Ausdehnungskammer 16 verlängert , die einen runden Querschnitt hat und die mit Hilfe des Flanschs 20, der auf einer ringförmigen Dichtung 22 aufliegt, mit einem Bearbeitungsraum 18 verbunden ist. Der Raum 18 wird mit Hilfe einer Pumpvorrichtung 19 luftleer gehalten.

Um die Ionisierungskammer 2 und die Ausdehnungskammer 16 herum sind Spulen Bp B₂ und B₃ angeordnet. Diese Spulen Bp B₂ und B₃

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befinden sich in einem Behälter 24, der mit öl gefüllt ist, welches über eine Kühlschlange 26, durch welche Wasser läuft, gekühlt wird. Eine Leitung 28 mündet in die Ionisierungskammer 2. Sie wird von dem zu ionisierenden Gas, das aus einem Speicher kommt, durchlaufen.

Das elektromagnetische Erregungsfeld wird von einem Generator geliefert, bei dem es sich um ein Magnetron handelt, das beispielsweise mit einer Frequenz von 2450 MHz sendet. Um einen Argon-Ionenfluß von 600 mA auf der Höhe der Auftreffplatte zu erzeugen, beträgt die Leistung des Magnetrons ca. 1000 W. Ein Isolator 34 schützt das Magnetron; außerdem kann man verschiedene nicht dargestellt Meßvorrichtungen (Richtungskoppler etc.) vorsehen.

Das zu behandelnde Substrat, welches mit der Bezugsnummer 40 versehen ist, wird von einer beweglichen Platte 42 getragen, die über einen Polaritätswandler 48 mit einer Gleichspannungsquelle 46 verbunden ist. Eventuell kann ein Gitter 44 gegenüber von und und in unmittelbarer Nähe des Substrats angeordnet sein. In diesem Fall wird das Gitter mit dem Wandler und der Quelle verbunden sein.

Die Betriebsweise der Vorrichtung ist folgende: In dem aus den Kammern 2, 16 und dem Raum 18 bestehenden Komplex herrscht ein Ausgangsdruck von 10 Torr. Durch die Zufuhr von Gas über die Leitung 28 wird der Druck in der Ionisierungskammer 2 auf ca. 10 Torr erhöht. Das durch das Magnetron 32 erzeugte UHF-Feld durchdringt das Fenster 4, gelangt in den Hohlleiter 2 und ionisiert das in der Ionisierungskammer 2 vorhandene Gas.

Durch die Spulen B,, Bp und B₃ fließt ein solcher Strom, daß die magnetische Induktion B, die hierdurch in der Ionisierungskammer 2 erzeugt wird, der Bedingung der elektronischen Resonanz in einem Zyklotron

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B = f · 2 ir I

genügt, wobei m die Masse eines Elektrons, e seine Ladung und f die Frequenz des UHF-Feldes ist.

Was den Gasdruck betrifft, so ist er so ausgewählt, daß die mittlere freie Weglänge der Elektronen, und zwar parallel zum magnetischen Feld, weit höher als der Larmor'sche Radius der Elektronenbahn ist. Die Elektronen, die bei der Gasionisierung entstehen, bewegen sich in Richtung auf den Boden der Ionisierungskammer 2 , passieren die öffnung 14 und dringen in die Ausdehnungskammer 16 ein. Die Ionen v/erden auf Grund des Raumladungseffekts von Elektronen mitgerissen.

Die Aufgabe der Spule B- besteht nicht nur darin, in der Ionisierungskammer 2 mit Hilfe der Spulen B. und B- ein zyklotronisches Resonanzfeld für die Elektronen zu erzeugen, sondern auch darin, in der Ausdehnungskammer 16 einen Gradienten des magnetischen Feldes zu schaffen, der die radiale Energie der Elektronen in eine axiale Energie umwandeln kann, so daß in dem Raum 18 ein Plasmastrahl 21 erzeugt wird, der anschließend auf das zu bearbeitende Substrat gerichtet wird,

Das Plasma-Potential entspricht etwa dem Potential der äußeren Hülle des Raums 18, die im allgemeinen an Masse liegt. Das Potential der Auftreffscheibe wird hinsichtlich seiner Größe durch die Spannungsquelle 46 und bezüglich seines Vorzeichens von der Position des Wandlers 48 bestimmt. Wenn der Pluspol der Spannungsquelle mit der äußeren Hülle des Raums 18 ( und damit praktisch mit der Masse) und der Minuspol mit der Platte verbunden wird, was in der Figur dargestellt ist, wird das Substrat auf eine negative Spannung in Bezug auf das Plasma gebracht. Hierdurch entsteht auf der Substratoberfläche ein elektrisches Feld, das die Eigenschaft hat, die Elektronen des Plasmas abzustoßen, Ihre Energie übersteigt kaum 250 eV und sie

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könnten im allgemeinen mit einer niedrigen Spannung abgestoßen werden. In diesem Fall treffen also nur die Ionen des Plasmas auf das Substrat mit einer Energie auf, die durch die Spannung der Quelle 46 bestimmt wird.

Wenn andererseits der Minuspol der Spannungsquelle 46 mit der äußeren Hülle des Raums 18 und der Pluspol mit der Platte 42 verbunden wird, dann werden die Ionen abgestoßen und nur die Elektronen treffen auf das Substrat.

Diese Gewinnung von entv/eder Elektronen oder Ionen ist auch möglich, indem man das Trenngitter 44 verwendet, das mit der Spannungsquelle 46 von umkehrbarer Polarität verbunden ist.

Es ist festzuhalten, daß bei den beiden angegebenen Möglichkeiten das Trennfeld in unmittelbarer Nähe des Substrats erzeugt wird und nicht, wie beim bisherigen Stand der Technik, auf der Höhe der Ausdehnungskammer 16, wodurch die oben erwähnten Vorteile entstehen.

Das Elektronenbündel kann bezüglich seiner Eigenschaften durch dieselben Mittel gesteuert v/erden, die auch die Steuerung des Ionenbündels ermöglichen: durch Verändern der erzeugten UHF-Energie kann man seine Dichte variieren und durch Einwirken auf

das magnetische Feld, v/elches von der Spule B₃ erzeugt wird, kann man seinen Querschnitt verändern.

Bei dem Stand der Technik wurde die Nebenaufgabe der Aufheizung des Substrats durch Hilfsmittel (z. B. durch Heizwiderstände) gelöst. Aber diese Hilfsmittel machten die Einrichtung nur schwerer und waren darüberhinaus gegenüber bestimmten reaktionsaktiven Gasen, die man in den Raum 18 eventuell einführen konnte, nicht widerstandsfähig genug.

Die Erfindung bewirkt hier außer den wesentlichen Vorteilen, die

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mit der übertragung des Plasmastrahls verbunden sind, eine interessante Verbesserung, die die Einrichtung vielfältig verwendbar macht und ihr eine erhöhte Funktionssicherheit verleiht.

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Claims

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COMMISSARIAT-A L¹ENERGIE ATOMIQUE 31-33, rue de la Federation 75015 Paris
Frankreich

Vorrichtung zur Mikro-Bearbeitung mittels Ionen-Erosion

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Mikro-Bearbeitung mittels Ionen-Erosion, die einen luftleeren Raum aufweist sowie eine Einrichtung zum Beschießen eines Substrats mit einem Ionenbündel, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Beschießen des Substrats eine Plasmaquelle enthält, die einen neutralen Plasmastrahl liefert, welcher durch ein Vakuum hindurch in Richtung auf das Substrat läuft, sowie eine Spannungsquelle (46), welche in der Umgebung des Substrats ein elektrisches Trenn-Feld erzeugen kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (46) zwischen einer Tragplatte (42) für das Substrat und dem Raum (18) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (46) zwischen einem gegenüber und in der Nähe von dem Substrat befindlichen Gitter (44) und dem Raum (18) angeordnet ist.

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4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (46) mit einem Polaritäts-Umschalter (48) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaquelle folgende Merkmale aufweist:

- eine Ionisierungskammer (2) mit einer UHF-Einrichtung (Wellenleiter oder Resonanzraum), die von einem UHF-Generator (32) gespeist wird und mit einer Gaszufuhr-Leitung verbunden ist;

- eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Gleich-Feldes, das parallel zur Achse der UHF-Einrichtung verläuft, wobei die Stärke des Feldes und die Frequenz der UHF-Welle der zyklotronischen elektronischen Resonanz entsprechen;

- eine Ausdehnungskammer (16), die sich an die Ionisierungskammer (2) anschließt und mit dieser über eine Öffnung (14) in Verbindung steht sowie mit dem Raum (18) der Bearbeitung verbunden ist.

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