DE3703207C2

DE3703207C2 -

Info

Publication number: DE3703207C2
Application number: DE19873703207
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr.-Ing. 7300 Esslingen De Frey
Original assignee: Lsg Loet- und Schweissgeraete 7307 Aichwald De GmbH
Current assignee: Lsg Loet- und Schweissgeraete 7307 Aichwald De GmbH
Priority date: 1987-02-04
Filing date: 1987-02-04
Publication date: 1989-01-12
Also published as: DE3703207A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrodenlose Hochfrequenz-Plasma- und Ionenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die für einen Druckbereich von 100 mbar bis 10^-6 mbar und einem Extraktionsspannungsbereich von 20 Volt bis 200 000 Volt vorgesehen ist. The invention relates to an electrodeless high-frequency plasma and ion source according to the preamble of claim 1, which is provided for a pressure range from 100 mbar to 10 ^-6 mbar and an extraction voltage range from 20 volts to 200,000 volts.

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 Entladungskammerinnenwand oder direkt die zylindrische Kammerinnenwand, die dann gegenüber dem Deckel bzw. dem ersten Extraktionsgitter auf positivem Potential liegt. Die Ionisationswahrscheinlichkeit 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 through electron-atom collisions 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 sheets in front of the inside of the discharge chamber act as an anode or directly the cylindrical chamber inner wall, the then opposite the lid or the first extraction grid is on positive potential. The probability of ionization 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 Multipolanordnungen, 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 Extraktionsgitteröffnungen 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 as neutral atoms through the extraction lattice 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.

Es wurden daher auch elektrodenlose Hochfrequenz- und Mikrowellenionenquellen mit kapazitiver oder induktiver Einkopplung entwickelt, die einen geringeren Verunreinigungsgrad im Strahl aufgrund von Zerstäubungsprozessen in der Entladungskammer aufweisen. Die Induktionsspule der gattungsbildenden Hochfrequenzionenquelle nach W. F. Di Vergilio et. al. in Rev. Sci. Instrum. Bd. 57, Heft 7, July 1986, S. 1154-1260 befindet sich dabei direkt im Inneren der Entladungskammer, die Spule wird quasi vom Plasma umhüllt, das von der Entladungskammerinnenwand begrenzt wird. Um eine Zerstäubung der Induktionsspule zu verhindern, wird diese mit einem dielektrischen Überzug versehen. Aber eine Zerstäubung der Entladungskammerinnenwand findet bei einem solchen inneren Aufbau der Entladungskammer immer noch statt. Der besondere Vorteil dieses Aufbaus ist indes eine wesentliche Verlängerung der Betriebszeit.There were therefore also high frequency and electrodeless Microwave ion sources with capacitive or inductive Coupling developed which has a lower level of contamination in the jet due to atomization processes in the Have discharge chamber. The induction coil the generic high-frequency ion source according to W. F. Di Vergilio et. al. in Rev. Sci. Instrument. Vol. 57, No. 7, July 1986, pp. 1154-1260 is there right inside the discharge chamber, the coil is quasi enveloped by the plasma that from the Discharge chamber inner wall is limited. To prevent atomization of the induction coil, it is provided with a dielectric coating. But atomization of the inner wall of the discharge chamber takes place with such an internal structure Discharge chamber still held. The particular advantage of this Construction is, however, a significant extension of the operating time.

Aus dem Aufsatz von J. Freisinger und H. W. Loeb in Atomkernenergie-Kerntechnik, Bd. 44 (1984), S. 81-86, sind Hochfrequenzionenquellen bekannt, bei denen innerhalb der Induktionsspule ein Entladungstopf aus Quarz angeordnet ist und deren Extraktionselektroden gegeneinander isoliert und gekühlt sind.From the essay by J. Freisinger and H. W. Loeb in Nuclear Nuclear Technology, Vol. 44 (1984), pp. 81-86, high-frequency ion sources are known, in which within a quartz discharge pot is arranged in the induction coil and their extraction electrodes are insulated from each other and are chilled.

In dem Abstract zur JP 61-1 24 029 A2 ist beschrieben worden, daß in einem Teil eines Plasmaentladungstopfes ein Plasma unter hohem Gasdruck durch Induktionsspulen erzeugt wird und dieses Plasma dann durch Öffnungen in den Hauptentladungsraum strömt. Da dadurch eine Zündeinrichtung für das Plasma überflüssig wird, wird auch ein Zerstäuben der Zündeinrichtung vermieden.In the abstract for JP 61-1 24 029 A2 it was described that in part of a plasma discharge pot a plasma is generated under high gas pressure by induction coils and this plasma then through openings in the main discharge space flows. This makes an ignition device for the plasma superfluous atomization of the ignition device avoided.

In Rev. Sci. Instrum. Bd. 55, Nov. 1984, S. 1760-1762, ist von Y. Saito u. a. eine Hochfrequenzionenquelle zur Erzeugung von metallischen Ionen beschrieben worden, bei der die Metallatome oder -ionen von einer auf der Kathode in dem Entladungstopf angeordneten Metallscheibe durch Kathodenzerstäubung herausgeschlagen werden. Bei dieser Anordnung taucht das Problem auf, daß sich die Metallatome oder -ionen auf den Wänden des Entladungstopfes niederschlagen könnten und somit ein Eindringen des Hochfrequenzfeldes in dem Entladungstopf verhindert werden könnte.In Rev. Sci. Instrument. 55, Nov. 1984, pp. 1760-1762 by Y. Saito u. a. a high frequency ion source for generation of metallic ions where the metal atoms or ions from one on the cathode in the discharge pot arranged metal disc by sputtering be knocked out. With this arrangement, that plunges Problem on that the metal atoms or ions on the walls of the discharge pot could precipitate and thus penetrate of the high-frequency field in the discharge pot prevented could be.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Hochfrequenz- und Mikrowellenionenquellen dahingehend zu verbessern, daß eine Zerstäubung der inneren Wände der Entladungskammer und somit eine Verunreinigung des extrahierten Ionenstrahls vermieden wird, ohne daß die Betriebszeit durch Ablagerung vor das Hochfrequenzfeld beeinträchtigenden Metallbeschichtungen begrenzt ist.The invention has for its object the known High frequency and microwave ion sources to that effect improve that atomization of the inner walls of the Discharge chamber and thus contamination of the extracted ion beam is avoided without the operating time by deposition in front of the radio frequency field Metal coatings is 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 Entladungskammer der Ionenquelle führen die elektrisch isolierten Zuleitungen der mit einem Kühlmedium gekühlten Hochfrequenzinduktionsspule 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.The electrically insulated feed lines of the high-frequency induction coil 6, which is cooled with a cooling medium, lead through the cover 3 of the double-walled, cooled discharge chamber of the ion source. The high-frequency induction coil 6 encloses the plasma discharge pot 9 made of an electrically non-conductive material, for. B. quartz glass or Al₂O₃ 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-Entladungstopfes 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 only burns 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. The longitudinal slots guarantee penetration of the high-frequency field, 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 thus avoided. The ion beam extracted from the plasma is therefore absolutely free of unwanted contaminants.

1 outer metal cylinder of the discharge chamber of the ion source 2 inner metal cylinder of the discharge chamber 3 cover of the discharge chamber 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 in the longitudinal or plasma discharge tube 10 holes or holes 11 ring screen 12 extraction grid 13 extraction grid 14 extraction grid 15 insulator disk 16 insulator disk 17 insulator disk

Claims

Claim 1:
"High frequency plasma and ion source for continuous operation,

a) in which insulated bushings for a high-frequency induction coil ( 6 ) or microwave antenna through which the coolant flows and a device for plasma ignition are attached to the cover ( 3 ) of a discharge chamber and a gas or steam injection device leads through the cover into the discharge chamber,

characterized in that

b) a plasma discharge pot ( 9 ), which is made of ceramic or quartz glass and has longitudinal slots, is arranged inside the high-frequency induction coil ( 6 ) or inside the microwave antenna in order to ensure penetration of the high-frequency field into the plasma discharge pot ( 9 ) in any case. "

Claim 2:
"High-frequency plasma and ion source according to claim 1, characterized in that the discharge chamber has an outer metallic cylinder ( 1 ) and an inner metallic cylinder ( 2 ), between which a cooling medium is passed."

Claim 3:
"High-frequency plasma and ion source according to claim 1 or 2, characterized in that the distance between the discharge pot ( 9 ) in the inner metallic cylinder ( 2 ) is so small that no plasma discharge occurs in this space at the operating pressure."

Claim 4:
"High-frequency ion source with a multi-stage extraction grid configuration according to Claims 1 to 3, characterized in that the extraction grids ( 12, 13, 14 ) cooled by a cooling medium and isolated from one another are at different potentials."