DE4019729A1

DE4019729A1 - Ionenquelle

Info

Publication number: DE4019729A1
Application number: DE4019729A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Mueller; Roland Dr Gesche; Manfred Dipl Ing Zipf
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1990-06-21
Filing date: 1990-06-21
Publication date: 1992-01-02
Also published as: EP0462377A2; EP0462377B1; JPH06342637A; DE59107831D1; US5124526A; EP0462377A3

Description

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

Ionen- und Plasmaquellen werden für zahlreiche Anwendungsfälle benötigt, beispielsweise um bestimmte Materialien zu ätzen oder zu beschichten. In der Regel weisen die bekann ten Ionen- und Plasmaquellen eine Gaskammer auf, in der gasförmige Materie in elektrisch geladenen Teilchen aufgespalten wird, die dann aufgrund ihrer Eigenbeschleunigung oder mit Hilfe von Extraktionsgittern auf das zu ätzende oder zu beschichtende Material ge bracht werden.

Es ist bereits eine induktiv angeregte Ionenquelle bekannt, die einen Behälter für die Auf nahme von zu ionisierendem Plasma aufweist, wobei dieser Behälter von einem Wellen leiter umgeben ist, der mit einem Hochfrequenzgenerator in Verbindung steht (US-PS 48 49 675). Hierbei liegen die beiden Enden des Wellenleiters auf demselben Potential und die Länge des Wellenleiters beträgt

wobei n eine von Null verschiedene ganze Zahl, c die Phasengeschwindigkeit der elektro magnetischen Welle und f die Frequenz des Hochfrequenzgenerators ist. Die Freqenz des Hochfrequenzgenerators wird mittels besonderer Abstimmittel auf die Eigenfrequenz des Systems abgestimmt, das aus dem Wellenleiter, dem zu ionisierenden Plasma besteht, oder auf eine harmonische Frequenz zu dieser Eigenfrequenz.

Der Hochfrequenzgenerator ist relativ aufwendig aufgebaut. Außerdem sind der Hoch frequenzgenerator und die Anregungsspule der Ionenquelle räumlich voneinander getrennt und nur über ein Ankoppelkabel miteinander verbunden. Um die Arbeitsfrequenz der Ionenquelle an die Arbeitsfrequenz des Senders anzupassen, ist ein besonderes Ankoppel netzwerk erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine induktiv angeregte Ionen- oder Plasma quelle zu schaffen, bei der ein mit der Anregungsspule in Verbindung stehendes An koppelnetzwerk entfallen kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß automatisch ein Ein schwingen auf die optimale Arbeitsfrequenz erzielt wird. Außerdem läßt sich die gesamte Ionenquelle als sehr kleines Bauelement realisieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer räumlichen konstruktiven Ausführungs form einer Erfindung.

In der Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, welche eine Hochfrequenz-Anre gungsspule 1 zeigt, die aus zwei Lagen 2, 3 besteht, die um einen nicht dargestellten Plas mabehälter aus Quarz geschlungen sind. Die Hochfrequenz-Anregungsspule 1 steht mit ihrem einen Anschluß 4 über einen Koppelkondensator 5 mit dem Anode 6 einer Trioden röhre 7 in Verbindung. Der andere Anschluß 8 der Anregungsspule 1 liegt an Masse 9. An der Anode 6 steht über eine Induktivität 10 die positive Polarität einer Gleichspannung von z. B. 3 KV an. Das Steuergitter 11 der Triodenröhre 7 ist über eine Induktivität 12 mit einem π-Glied verbunden, das als Tiefpaßgrundglied wirkt und aus einer Längsinduktivität 13 und zwei Querkapazitäten 14, 15 besteht. An dieses π-Glied ist ein Potentiometer 16 angeschlossen, dessen Regelanschluß 17 zusammen mit einem normalen Anschluß des Po tentiometers 16 mit einem Amperemeter 18 verbunden ist.

Aufgabe des π-Glieds 13, 14, 15 ist es, die Beeinflussung des Potentiometers 16 und des Amperemeters 18 durch Störspannungen zu unterbinden, ohne die Vorspannungseinstel lung des Gitters 11, die mit Gleichspannung erfolgt, zu beeinträchtigen. Außerdem soll das π-Glied 13 bis 15 verhindern, daß Hochfrequenzen nach draußen gelangen.

Die bisher beschriebene Schaltungsanordnung ist von einem metallischen Gehäuse 19 um geben, daß mehrere Durchführungskondensatoren 20 bis 23 in der Gehäusewand aufweist. Diese Durchführungskondensatoren 20 bis 23 sind z. B. für Nennspannungen von 440 V Gleichspannung, 250 V Wechselspannung und 16 A Nennstrom ausgelegt. Über die Durchführungskondensatoren 21, 22 erfolgt die Versorgung mit Heizspannung U_F, die z. B. 6,3 V Wechselspannung beträgt, während über den Durchführungskondensator 20 der Steuergitterstrom I_G fließt. Zwischen dem metallischen Gehäuse 19, das an Masse 24 liegt, und den Niederfrequenzleitungen 25 bis 28, die durch die Gehäusewand 19 geführt sind, liegen Blockkondensatoren 29 bis 32, die z. B. von 4700 pF und eine Spannungsfestigkeit von 3 KV besitzen. Weitere Blockkondensatoren 33, 34 liegen zwischen einem Anschluß des π-Glieds 13, 14, 15 und der Gehäusewand 19 sowie zwischen der Anoden-Hochspannungszuführung 35 und der Gehäusewand 19. Auch zwischen den beiden Kathodenheizdrähten 26, 27 ist in unmittelbarer Nähe der Röhre 7 ein Blockkondensator 42 vorgesehen.

In der linken oberen Ecke des Gehäuses 19 ist ein Lüftermotor 36 dargestellt, von dem elektrische Anschlußleitungen 37, 38, 39 durch das Gehäuse 19 nach außen geführt sind. Die Voreinstellung des Gitters 11 der Röhre 7 erfolgt mit Hilfe des Potentiometers 16 und über den inneren Widerstand der Röhre 7. Die Stromleitung innerhalb der Röhre 7 erfolgt hauptsächlich über den Elektronenfluß zwischen Kathode 40 und Anode 6, wenn die Kathodenheizspannung U_F und die Anodengleichspannung U_a angelegt wurden. Das Röhrengitter 11, mit dem der Stromfluß gesteuert werden kann, liegt in bezug auf die Anode 6 auf negativem Potential. Je niedriger dieses Potential ist, um so weniger Elektro nen gelangen von der Kathode 40 zur Anode 6.

Die Strecke Anode 6 - Gitter 11 - Potentiometer 16 stellt einen Spannungsteiler zur Gitter vorspannungseinstellung dar. Die an diesem Spannungsteiler anliegende Spannung ist die Anodengleichspannung U_a.

Die Induktivitäten 12, 13 stellen für Gleichstrom einen Kurzschluß dar, so daß über das Amperemeter 18 der Gitterstrom gemessen werden kann.

Das Wechselspannungssignal der Hochfrequenz-Anregungsspule 1 gelangt über eine innere Röhrenkapazität 41 auf das Gitter 11, wodurch die Anordnung aus Röhre 7 und Hochfrequenz-Anregungsspule 1 beeinflußt wird. Da diese Anordnung durch immer vor handenes Spannungsrauschen zu schwingen beginnt, werden diese Schwingungen durch die Eigenfrequenz der Gesamtanordnung festgelegt.

Diese Eigenfrequenz kann sich fortlaufend verändern und wird durch die Induktivität der Spule 1, die elektrischen Eigenschaften der Plasmakammer und die Röhrenkapazität 41 be stimmt. Spule 1 und Röhre 7 bilden somit gemeinsam das Kernstück eines Oszilators, der frei schwingt und dessen Resonanzfrequenz - da Spule 1 und Röhre 7 von ihrem Aufbau her praktisch unverändert bleiben - durch die Eigenschaften der Plasmakammer geändert wird.

In der Fig. 2 ist der mechanisch konstruktive Aufbau der in der Fig. 1 gezeigten Anord nung dargestellt. Diejenigen Bauteile, welche funktionsmäßig einander entsprechen, sind in der Fig. 2 mit denselben Bezugszahlen versehen wie in der Fig. 1. Man kann aus der Fig. 2, daß die Röhre 7 und die Anregungsspule 1 gemeinsam von dem metallischen Ge häuse 19 umchlossen sind. Die Anregungsspule 1 ist um ein Glasgefäß 50 gelegt, das einen Gaszuführungsstutzen 51 aufweist, der mit einer außerhalb des Gehäuses 19 ange ordneten Gaszuführung 53 in Verbindung steht. Diese Gaszuführung 53 ist mit einer Rän delschräube 54 auf das Gehäuse 19 geschraubt. Ein Druckring 55 sitzt auf einer me tallischen Einfassung 52 des Glasgefäßes 50 und steht über einen elastischen Dichtungs ring 56 mit diesem Glasgefäß 50 in Verbindung. Die Windungen der Spule 1 sind wasser gekühlt und deshalb mit Kühlwasserzuführungen 57, 58 verbunden.

Am Boden des Glasgefäßes sind drei Extraktionsgitter 59, 60, 61 angeordnet, mit denen der Strom geladener oder ungeladener Teilchen gesteuert werden kann. Mit 62, 63 ist ein Sockel der Ionenkammer bezeichnet, der über Schrauben 64, 65 mit dem Gehäuse 19 ver bunden ist und mit einer nicht dargestellten Arbeitskammer in Verbindung steht. In dieser Arbeitskammer befinden sich die Materialien, die durch geladene Teilchen bombardiert werden.

Die Schnittstelle zur Arbeitskammer ist durch eine Dichtung 66 charakterisiert. Die Röhre 7 ist mit ihren Anschlüssen 67, 68 auf einem Sockel 69 angeordnet, der seinerseits mit dem Gehäuse 19 verbunden ist. Für die Spule 12 ist ein eigener Stützisolator 70 vorgesehen, der ebenfalls mit dem Gehäuse 19 verbunden ist.

Der Gitterwiderstand 16 kann durch ein Drehrad 71 verstellt werden. Mit 72, 73 sind Buchsen für den Anschluß der Heizspannung U_F bezeichnet. An diese Buchsen 72, 73 führen jeweils eine Leitung, von denen die eine mit der Bezugszahl 26 und die andere mit der Bezugszahl 27 versehen ist. Wichtig für die vorliegende Erfindung ist der Umstand, daß die Verbindungsleitung 74 zwischen der Anode 6 der Röhre 7 und der Anregungsspule 1 sehr kurz ist.

Der Lüftermotor 36 ist in der Fig. 2 nicht zu erkennen. Er ist jedoch wichtig, da es sich bei der verwendeten Röhre 7 um eine strahlungsgekühlte Triode handelt, bei der vor Inbetrieb nahme das Gebläse eingeschaltet werden muß. Vorzugsweise wird diese Röhre 7 im C-Be trieb gefahren, was durch eine entsprechend große negative Vorspannung erreicht wird. Ein C-Verstärker ist ein Selektivverstärker mit hohem Wirkungsgrad.

Der Plasmaraum wird zum großen Teil durch das Glasgefäß 50 realisiert, das z. B. bei einer Wandstärke von 3 mm hoch ist und einen Durchmesser von 46 mm aufweist. Im Gaseinlaßstutzen 51 kann ein dichtes Drahtgeflecht vorgesehen sein, das ein Bremsen des Plasmas in der Gaszuführung verhindert.

Statt einer Röhre kann grundsätzlich auch ein anderes Steuerelement, z. B. ein Transistor oder ein Thyristor, verwendet werden.

Claims

1. Ionenquelle mit einem Glasbehälter (50) und einer diesen Behälter (50) umgebenden HF-Anregungsspule (1) sowie mit einem Verstärkungselement (7), das eine Steuer elektrode aufweist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die HF-Anregungsspule (1) ist mit einer Elektrode (z. B. 6) des Verstärkungselements (7) verbunden, über welche der gesteuerte Strom fließt;
b) die Steuerelektrode (11) des Verstärkungselements (7) ist wechselstrommäßig (z. B. über 41) mit der HF-Anregungsspule (1) verbunden;
c) der Gasbehälter (50) mit der HF-Anregungsspule (1) und das Verstärkungselement (7) befinden sich gemeinsam in einem Gehäuse (19) mit metallischen Wänden.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der einen Elektrode (6) des Verstärkungselements (7) und der HF-Anregungsspule (1) klein ist.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand etwa gleich oder kleiner ist als die Querabmessung der HF-Anregungsspule (1).

4. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement eine Röhre (7) ist.

5. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement ein Transistor ist.

6. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (7) eine Triode ist.

7. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der durch HF-Spule (1) und Plasmaraum (50, 2) bestimmte Anordnung durch die elektrischen Eigen schaften des Plasmas wesentlich mitbestimmt wird.

8. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzröhre (7) als C-Verstärker geschaltet ist, so daß nur die Spitzen der Gitterwechselspannung verstärkt werden.

9. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Anregungsspule (1) von einem Kühlmittel durchströmt wird.

10. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Leitungen (26, 27, 35) über Durchführungskondensatoren (29 bis 32) in das Gehäuse (19) eingeführt sind.