DE3703207A1 - High-frequency (radio-frequency) ion source - Google Patents

High-frequency (radio-frequency) ion source

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Abstract

The proposed high-frequency ion source has an electrically insulating plasma discharge pot (9) whose surface is charged positively and thus prevents sputtering of the inner wall. The vapour to be ionised or the gas to be ionised is supplied through holes or slots. The discharge pot (9) is surrounded by a high-frequency induction coil (6) which can be cooled. During operation of the ion source, there is no discharge between the plasma discharge pot (9) and the inner wall (2) of the discharge chamber. The extracted ions are accelerated to the desired energy by the triple or multiple extraction system which can be cooled by a cooling medium. The ion source is maintenance-free, has an unlimited operating time since no sputtering effects occur and no consumable parts, such as hot cathodes for example, are required for operation. The ion beam is absolutely free of undesired impurities. The operating pressure range in which the ion source is intended to be operated can be determined by the frequency and the dimensions of the plasma discharge pot (9) and of the discharge chamber. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrodenlose Hochfrequenzionen­ quelle für einen Druckbereich von 100 mbar bis 10-6 mbar und einem Extraktionsspannungsbereich von 20 Volt bis 200000 Volt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to an electrodeless high-frequency ion source for a pressure range from 100 mbar to 10 -6 mbar and an extraction voltage range from 20 volts to 200,000 volts according to the preamble of claim 1.

Bei den bekannten Ionenquellen werden in der Kammer der Quelle aus Heißkatoden Elektronen emittiert und in einem elektrischen Feld beschleunigt. Die Energie, die die Elektronen aus dem elektrischen Feld aufnehmen, übertragen sie durch Elektron- Atom-Stöße auf die zu ionisierenden Gas- bzw. Dampfatome, wodurch diese ionisiert werden. Es entsteht auf diese Weise ein Plasma (Kaufman, H.R., J.J. Cuomo und J.M.E. Harper: Technology and Aplications of Broad-Beam Ion Sources used in Sputtering; J.Vac.Sci. Technology, 21 (3), Sept./Oct. 1982). Als Anode wirken zylindrische Bleche vor der Entladungskammer­ innenwand oder direkt die zylindrische Kammerinnenwand, die dann gegenüber dem Deckel bzw. dem ersten Extraktionsgitter auf positivem Potential liegt. Die Ionisationswahrscheinlich­ keit wird meist durch um die Entladungskammer angeordnete magnetische Multipolanordnungen erhöht.In the known ion sources, the source is in the chamber Electrons emitted from hot cathodes and in an electrical Accelerated field. The energy that the electrons from the record electric field, transmit it by electron Atomic impacts on the gas or vapor atoms to be ionized, thereby ionizing them. It is created in this way a plasma (Kaufman, H.R., J.J. Cuomo and J.M.E. Harper: Technology and Applications of Broad-Beam Ion Sources used in Sputtering; J.Vac.Sci. Technology, 21 (3), Sept./Oct. 1982). Cylindrical plates in front of the discharge chamber act as an anode inner wall or directly the cylindrical chamber inner wall, the then opposite the lid or the first extraction grid is on positive potential. The ionization likely speed is usually arranged around the discharge chamber magnetic multipole arrangements increased.

Die Ionisierungsanordnung elektronenemittierende Heißkatode und kalte metallische Anodenwand hat den großen Nachteil, daß sich die Heißkatode verbraucht, die Betriebszeit der Quelle dadurch begrenzt ist. Ein weiterer, sehr gravierender Nachteil, vor allem auch bei der Verwendung von magnetischen Multipol­ anordnungen, ist die Zerstäubung der Innenoberfläche der Entladungskammer. Die abgestäubten Metall-Atome werden teilweise ionisiert und so aus der Entladungskammer extrahiert, zum Teil strömen sie auch als neutrale Atome durch die Extraktionsgitter­ öffnungen in den Vakuumrezipienten, in dem sich das zu behandelnde Substrat befindet.The ionization arrangement electron-emitting hot cathode and cold metallic anode wall has the major disadvantage that the hot cathode is used up, the operating time of the source is limited. Another very serious disadvantage, before especially when using magnetic multipole arrangements, is the atomization of the inner surface of the Discharge chamber. The dusted metal atoms become partial partially ionized and thus extracted from the discharge chamber they also flow through the extraction lattice as neutral atoms openings in the vacuum recipient, in which the treating substrate is located.

Zur Ionenstrahlbehandlung dünner hochreiner Schichten eignen sich daher Ionenquellen mit Heißkatode und kalter Anode aufgrund der Verunreinigung der Schichten nicht.Suitable for ion beam treatment of thin, high-purity layers ion sources with hot cathode and cold anode the contamination of the layers.

In bestimmten Anwendungsfällen ist es erforderlich, das Vakuum im Rezipienten absolut frei von Verunreinigungsatomen zu halten. So ist. z.B. bei der Herstellung von elektronischen Strukturen im Hochvakuum aufgrund der in diesem aufzubauenden bzw. abzutragenden mikrofeinen Schichten der Einbau bzw. die Anlagerung von Verunreinigungsatomen eine der Ursachen für eine das Produkt erheblich verteuernde Ausschußquote von etwa 60 Prozent. Entsprechend hohe Anforderungen in Bezug auf die Verunreinigungsfreiheit des Ionenstrahls bzw. des Vakuums gelten für die Herstellung hochreiner keramischer Bauteile.In certain applications, it is necessary to use the vacuum to keep absolutely free of impurity atoms in the recipient. So is. e.g. in the manufacture of electronic structures in a high vacuum due to the microfine layers to be removed, the installation or the  Accumulation of impurity atoms is one of the causes of a reject rate of approximately considerably more expensive for the product 60 percent. Correspondingly high requirements with regard to the No contamination of the ion beam or the vacuum apply to the production of high-purity ceramic components.

Es wurden daher auch elektrodenlose Hochfrequenz- und Mikrowellenionenquellen mit kapazitiver oder induktiver Einkopplung entwickelt, die einen geringeren Verunreinigungs­ grad im Strahl aufgrund von Zerstäubungsprozessen in der Entladungskammer aufweisen. Die Induktionsspule bzw. die Elektrode für die kapazititve Einkopplung befindet sich dabei direkt im inneren der Entladungskammer, die Spule bzw. die Elektrode wird quasi vom Plasma umhüllt, das von der Entladungskammerinnenwand begrenzt wird. Eine Zerstäubung der Induktionsspule bzw. der Elektrode und der Entladungskammer­ innenwand findet bei einem solchen inneren Aufbau der Entladungskammer ebenfalls statt. Der besondere Vorteil dieses Aufbaus ist indes eine wesentliche Verlängerung der Betriebs­ zeit.There were therefore also high frequency and electrodeless Microwave ion sources with capacitive or inductive Coupling designed to reduce pollution degree in the jet due to atomization processes in the Have discharge chamber. The induction coil or the There is an electrode for the capacitive coupling directly inside the discharge chamber, the coil or the electrode is almost enveloped by the plasma from the Discharge chamber inner wall is limited. An atomization of the Induction coil or the electrode and the discharge chamber With such an internal structure, the inner wall takes place Discharge chamber also takes place. The particular advantage of this Construction is, however, an essential extension of operations time.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Hochfrequenz- und Mikrowellenionenquellen dahingehend zu verbessern, daß keine Zerstäubung der inneren Wände der Entladungskammer auftritt, somit eine Verunreinigung des extrahierten Ionenstrahls vermieden wird und die Betriebszeit damit nicht mehr begrenzt ist.The invention has for its object the known High frequency and microwave ion sources to that effect improve that no atomization of the inner walls of the Discharge chamber occurs, thus contamination of the extracted ion beam is avoided and the operating time so that is no longer limited.

Diese Aufgabe wird bei einer Hochfrequenzionenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.This task is done with a high frequency ion source after Preamble of claim 1 by the in its characteristics mentioned features solved.

Die Vorteile der vorgeschlagenen Hochfrequenzionenquelle bestehen insbesondere darin, daß die Ionenquelle durch die eingebaute Zündfunkenstrecke bei dem gewünschten Betriebsdruck gezündet und ohne zeitliche Begrenzung aufrechterhalten werden kann, wobei im Ionenstrahl keine Verunreinigungen auftreten. The advantages of the proposed high frequency ion source consist in particular in that the ion source through the built-in spark gap at the desired operating pressure ignited and maintained without time limit can, with no impurities occurring in the ion beam.  

Ein Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenzionenquelle mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 6 ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.An embodiment of a high-frequency ion source the features of claims 1 to 6 is in the drawing shown schematically and is explained in more detail below.

Durch den Deckel (3) der doppelwandigen, gekühlten Entladungs­ kammer der Ionenquelle führen die elektrisch isolierten Zuleitungen der mit einem Kühlmedium gekühlten Hochfrequenz­ induktionsspule (6). Die Hochfrequenzinduktionsspule (6) umschließt den Plasmaentladungstopf (9) aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff, z.B. Quarzglas oder Al2O3-Keramik. Der Plasmaentladungstopf, in dem sich das Plasma bildet, steht auf einer ebenfalls aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff bestehenden Blende (11).Through the cover ( 3 ) of the double-walled, cooled discharge chamber of the ion source, the electrically insulated leads of the high-frequency induction coil ( 6 ) cooled with a cooling medium. The high-frequency induction coil ( 6 ) surrounds the plasma discharge pot ( 9 ) made of an electrically non-conductive material, for example quartz glass or Al 2 O 3 ceramic. The plasma discharge pot, in which the plasma forms, stands on an aperture ( 11 ) which is also made of electrically non-conductive material.

Zur Zündung des Plasmas im Plasmaentladungstopf (9) wird der Gas- bzw. Dampfdruck soweit angehoben, daß im gesamten Entladungstopf kurzfristig eine Plasma-Entladung auftritt. Durch Absenken des Druckes schnürt sich die Entladung ein und brennt nur noch im Plasma-Entladungstopf (9). Das zu ionisierende Gas bzw. der zu ionisierende Dampf strömt über die Bohrungen bzw. die Schlitze in den Plasma-Entladungstopf nach. Längsschlitze im Plasma-Entladungstopf erlauben auch die Verwendung von metallischen Dämpfen. Ein Eindringen des Hochfrequenzfeldes ist aufgrund der Längsschlitze gewährleistet, auch wenn die Innen- und Außenoberfläche des Plasma-Entladungs­ topfes mit einer elektrisch leitfähigen metallischen Schicht überzogen ist.To ignite the plasma in the plasma discharge pot ( 9 ), the gas or vapor pressure is raised to such an extent that a plasma discharge occurs briefly in the entire discharge pot. By lowering the pressure, the discharge constricts and burns only in the plasma discharge pot ( 9 ). The gas to be ionized or the steam to be ionized flows through the bores or the slots into the plasma discharge pot. Longitudinal slots in the plasma discharge pot also allow the use of metallic vapors. A penetration of the high-frequency field is ensured due to the longitudinal slots, even if the inner and outer surface of the plasma discharge pot is coated with an electrically conductive metallic layer.

Legt man nun an das erste Extraktionsgitter (12), das mit der Innenwand der Entladungskammer elektrisch verbunden ist, eine Spannung an, so verschiebt sich Plasmapotential ebenfalls auf diesen Spannungswert. Die Folge davon ist, daß sich die Innenwand des Plasmaentladungstopfs (6) ebenfalls positiv auflädt (Kondensatoreffekt). Die positiv geladene Grenzschicht verhindert aufgrund von Coulomb-Kräften das direkte Auftreffen von im Hochfrequenzfeld erzeugten und beschleunigten Ionen. Eine Zerstäubung der Innenoberfläche des Plasmaentladungstopfes (6) wird damit vermieden. Der aus dem Plasma extrahierte Ionenstrahl ist damit absolut frei von unerwünschten Verunreinigungen. If a voltage is now applied to the first extraction grid ( 12 ), which is electrically connected to the inner wall of the discharge chamber, the plasma potential also shifts to this voltage value. The consequence of this is that the inner wall of the plasma discharge pot ( 6 ) also charges positively (capacitor effect). The positively charged boundary layer prevents the direct impact of ions generated and accelerated in the high-frequency field due to Coulomb forces. An atomization of the inner surface of the plasma discharge pot ( 6 ) is avoided. The ion beam extracted from the plasma is therefore absolutely free of unwanted contaminants.

  • Bezugszeichenliste: 1 Äußerer metallischer Zylinder der Entladungskammer der Ionenquelle
    2 Innerer metallischer Zylinder der Entladungskammer
    3 Deckel der Entladungskammer
    4 Elektrisch isolierte Durchführung der Hochfrequenzinduktionsspule
    5 Elektrisch isolierte Durchführung der Hochfrequenzinduktionsspule
    6 Hochfrequenzinduktionsspule
    7 Gas- bzw. Dampfinjektionseinrichtung
    8 Funkenstrecke
    9 Plasmaentladungstopf
    10 Bohrungen bzw. Längsschlitze im Plasmaentladungstopf
    11 Ringblende
    12 Extraktionsgitter
    13 Extraktionsgitter
    14 Extraktionsgitter
    15 Isolatorscheibe
    16 Isolatorscheibe
    17 Isolatorscheibe    Reference symbol list: 1 Outer metallic cylinder of the discharge chamber of the ion source
    2 Inner metallic cylinder of the discharge chamber
    3 Discharge chamber cover
    4 Electrically insulated feed-through of the high-frequency induction coil
    5 Electrically insulated feed-through of the high-frequency induction coil
    6 high frequency induction coil
    7 gas or steam injection device
    8 spark gap
    9 plasma discharge pot
    10 holes or longitudinal slots in the plasma discharge pot
    11 ring aperture
    12 extraction grids
    13 extraction grid
    14 extraction grid
    15 insulator washer
    16 insulator washer
    17 insulator washer

Claims (5)

1. Hochfrequenz-Plasma- und Ionenquelle mit zwei-, drei- oder vierstufiger Extraktionsgitterkonfiguration für einen Druckbereich von 100 mbar bis 10-6 mbar, kontinuierlichem Betrieb und einem Extraktionsspannungsbereich von 10 Volt bis 200000 Volt mit den Merkmalen:
  • a) zwischen einem äußeren metallischen Zylinder (1) und einem inneren metallischen Zylinder (2) wird ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, durchgepumpt;
  • b) am Deckel (3) der Entladungskammer der Ionenquelle befinden sich zwei elektrisch isolierte Durchführungen (4), (5) einer Hochfrequenz-Induktionsspule (6), die von einem Kühlmedium durchflossen wird;
  • c) des weiteren mündet im Deckel (3) eine Gas- bzw. Dampfinjektionseinrichtung (7) und
  • d) eine Funkenstrecke (8) zur Plasmazündung;
  • e) innerhalb der Hochfrequenzspule befindet sich ein Plasmaentladungstopf (9) aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff, beispielsweise Keramik oder Quarz­ glas, der am oberen Ende Bohrungen (10) enthält;
  • f) der Topf (9) steht auf einem Ring (Blende) aus Keramik oder Quarzglas (11);
  • g) die Extraktionsgitter (12), (13), (14), die auf unter­ schiedlichem elektrostatischem Potential liegen, werden von einem Kühlmedium gekühlt und sind
  • h) durch Isolatorscheiben (15), (16), (17) elektrisch voneinander getrennt.
1. High-frequency plasma and ion source with two-, three- or four-stage extraction grid configuration for a pressure range from 100 mbar to 10 -6 mbar, continuous operation and an extraction voltage range from 10 volts to 200,000 volts with the features:
  • a) a cooling medium, for example water, is pumped through between an outer metallic cylinder ( 1 ) and an inner metallic cylinder ( 2 );
  • b) on the cover ( 3 ) of the discharge chamber of the ion source there are two electrically insulated bushings ( 4 ), ( 5 ) of a high-frequency induction coil ( 6 ) through which a cooling medium flows;
  • c) furthermore opens into the cover ( 3 ) a gas or steam injection device ( 7 ) and
  • d) a spark gap ( 8 ) for plasma ignition;
  • e) inside the high-frequency coil there is a plasma discharge pot ( 9 ) made of an electrically non-conductive material, for example ceramic or quartz glass, which contains bores ( 10 ) at the upper end;
  • f) the pot ( 9 ) stands on a ring (screen) made of ceramic or quartz glass ( 11 );
  • g) the extraction grid ( 12 ), ( 13 ), ( 14 ), which are at different electrostatic potential, are cooled by a cooling medium and are
  • h) electrically separated from one another by insulator disks ( 15 ), ( 16 ), ( 17 ).
2. Hochfrequenzionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Entladungstopf (9) keine Bohrungen (10) enthält, sondern längsgeschlitzt ist.2. High-frequency ion source according to claim 1, characterized in that the discharge pot ( 9 ) does not contain any holes ( 10 ), but is slit lengthways. 3. Hochfrequenzionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die HF-Spule (6) durch eine Mikrowellen­ antenne ersetzt wird.3. High-frequency ion source according to claim 1, characterized in that the RF coil ( 6 ) is replaced by a microwave antenna. 4. Hochfrequenzionenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) der Abstand zwischen Entladungstopf (9) und innerer Wand (2) der Ionenquelle ist so gering, daß beim Betriebsdruck der Quelle sich in diesem Zwischenraum keine Plasmaentladung ausbilden kann.
4. High-frequency ion source according to claim 1, characterized by the following features:
  • a) the distance between the discharge pot ( 9 ) and the inner wall ( 2 ) of the ion source is so small that at the operating pressure of the source, no plasma discharge can form in this space.
5. Hochfrequenzionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Deckel (3) der Ionenquelle zusätzlich ein Druckmeßsensor eingebaut werden kann.5. High-frequency ion source according to claim 1, characterized in that in the lid ( 3 ) of the ion source an additional pressure measuring sensor can be installed.
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