DE4200235C1

DE4200235C1 -

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Publication number: DE4200235C1
Application number: DE4200235A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-01-08
Filing date: 1992-01-08
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2012-01-09
Also published as: AU3258693A; WO1993014250A3; WO1993014250A2; EP0620870A1; US5849093A; JPH07502863A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenreinigung und -glättung von Material mit einkristalliner, polykristalliner oder amorpher Struktur, bei der die Oberfläche bis zur kleinstmöglich mechanisch erreichbaren Rauhigkeit poliert und anschließend die Oberfläche mit Ionen definierter Ladung und kinetischer Energie zur Abtragung der an der Oberfläche befindlichen Verunreinigungen beschossen wird.

Ein eingeführtes Standardverfahren der vorbezeichneten Art mit Varianten für die Reinigung und Glättung von Oberflächen im Bereich von atomaren Dimensionen ist bekannt und wird vielfach angewandt. Dieses Verfahren geht auf eine Veröffentlichung von H. E. Farnsworth, R. E. Schlier, T. H. George und R. M. Burger in "Journal of Applied Physics", 1958, Band 29, Seiten 1150 bis 1161 zurück. Als zu bearbeitende Materialien kommen beispielsweise Silicium-Einkristalle für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen, andere Halbleiter für den Bau optoelektrischer Bauelemente, metallische oder halbleitende Einkristalle für die Entwicklung von sogenannten Nanostrukturen, Einkristalle als Unterlage für Röntgenspiegel aus Vielfachschichten, polykristalline oder amorphe metallische, halbleitende oder isolierende Oberflächen in Frage, die bei verschiedenen Produktionsprozessen atomar sauber und glatt sein müssen.

Bei dem bekannten Verfahren wird das Material mit einer vorher mechanisch bis zur kleinstmöglichen Rauhigkeit polierten Oberfläche im Ultra-Hochvakuum bis zu einer Temperatur nahe, aber deutlich unter dem Schmelzpunkt geheizt, um alle leicht flüchtigen Verunreinigungen aus dem Inneren auszuheizen und von der Oberfläche abzudampfen. Danach wird die Oberfläche einem Ionenbeschuß mit Energien zwischen 200 eV bis 10 000 eV, vorzugsweise 5000 eV, und hoher Flußdichte zwischen 10 µA/cm² bis 1000 µA/cm² ausgesetzt, wobei durch binäre Stöße und über Stoßkaskaden die Oberfläche und damit auch die Ver unreinigungen durch Zerstäuben ("Sputtern") abgetragen werden. Als Ionen werden Edelgasionen, vorzugsweise Ar⁺ =Argonionen mit einfacher Ladung, verwendet (vgl. hierzu: "Sputtering by Particle Bombardment I", Herausgeber R. Behrisch, Band 47 von "Topics in Applied Physics", Springer Verlag, New York 1981 und "Sputtering by Particle Bombardment II", Herausgeber J. Roth, Band 52 von "Topics in Applied Physics", Springer Verlag, New York 1983).

Die Behandlung nach dem bekannten Verfahren beschädigt die Oberfläche, und die verwendeten Ionen, meist Edel gasionen, dringen in das Probenmaterial ein, so daß eine Nachbehandlung der Probe durch mehrere Zyklen von Zerstäuben und Ausheilen notwendig wird, welche die Oberflächen schäden ausheilt und die eingedrungenen Edelgasatome ausgast, so daß saubere und im Falle von einkristallinen Oberflächen niedriger Indizierung auch ebene Oberflächen erhalten werden können. Die Wärmenachbehandlung führt bei polykristallinem Material durch Ausbildung von Mikrokristallen aus atomarer Sicht zu einer ausgesprochenen rauhen Oberfläche und birgt bei ursprünglich amorphen Oberflächen die Gefahr einer Rekristallisation in sich.

Der Begriff "sauber" ist dabei relativ zu den Nachweismethoden definiert, die meist beim Nachweis von einem Verunreinigungsatom pro 1000 richtigen Oberflächenatomen ihre Grenze erreichen. Beim Zerstäuben (oder "Sputtern") werden bei der Umsetzung der kinetischen Energie der Ionen in Stöße auch Rückstoßatome von Oberflächenverunreinigungen erzeugt, die in das Probenmaterial eindringen. Ein einzelner Zyklus reduziert also die Verunreinigungen an der Oberfläche, von denen aber ein Bruchteil in das Probenmaterial eingeschossen wird, der beim weiteren Abtragen wieder an der Oberfläche erscheint. Die Folge davon ist, daß die Zahl der Zyklen um so größer werden muß und die Oberfläche um so tiefer abgetragen werden muß, je sauberer die Oberfläche gefordert wird.

Es ist bekannt, die Energie der Ionen zu senken, um eine große Anzahl von Zerstäubungs- und Heizzyklen zu vermeiden. Dadurch wird einerseits die Eindringtiefe der Ionen in das Material und die Rückstoßimplantation von Verunreinigungen reduziert, aber andererseits auch die Zerstäubungsrate und damit die Reinigungseffizienz reduziert (H. Gnaser und H. Oechsner, Surface Science 251/252, Jahr 1991, S. 696-700). Die Senkung der Ionenenergie muß daher mit großem technischem Aufwand mit erhöhten Ionenstromdichten kompensiert werden, damit die Reinigungszyklen nicht verlängert werden müssen.

Bekannt ist weiterhin der Einschuß der Zerstäubungsionen unter streifenden Winkeln (typisch 10°) relativ zur Ober flächenebene. Diese Variante nutzt die Beobachtung, daß die Zerstäubungsrate zwischen 5° und 10° ein Maximum besitzt, daß der Bruchteil der eindringenden Zerstäubungsionen durch die verringerte Vertikalgeschwindigkeit v_v=v · sin(10°) reduziert ist und daß der Bruchteil der durch Rückstoß eindringenden Verunreinigungsatome ebenfalls reduziert ist (vgl. K. B. Cheney und E. T. Pitkin, J. Appl. Phys. 36, 1965, S. 3542-3544; I. N. Evdokimow and V. A. Molchanov, Can. J. Phys. 46, 1968, S. 779-782). Es sind jedoch auch bei Anwendung dieses Verfahrens meh rere Zerstäubungs- und Ausheilzyklen notwendig, um saubere und im Falle von einkristallinen Proben auch ebene Oberflächen zu erhalten.

Die Notwendigkeit mehrerer, langwieriger Zerstäubungs- und Ausheilzyklen, um zu sauberen Oberflächen zu gelangen, ist nicht nur zeitaufwendig und kostenintensiv, sondern stellt eine Produktivitätsbremse dar.

Es stellt sich damit die Aufgabe, die vorgenannten Verfahren dahingehend zu verbessern, daß die Zahl der Zerstäubungs- und Ausheilzyklen drastisch, vorzugsweise auf einen einzigen Reinigungs- und Ausheilzyklus vermindert wird. Hierdurch könnten der Zeitaufwand für das Reinigen und Glätten von Oberflächen im Bereich atomarer Dimensionen reduziert und somit die Produktivität deutlich ge steigert werden.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß die Oberfläche des zur Reinigung vorgesehenen Materials bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit wenigstens zweifach geladenen Ionen niedriger kinetischer Energie beschossen wird, wobei die potentielle Energie der Ionen entsprechend ihrer hohen Ladung eine Wechselwirkung mit den gebundenen Verunreinigungen verursacht, die diese zur Ablösung bringt, und die den Ionen gegebene kinetische Energie lediglich danach bemessen wird, daß den Ionen eine nächste Annäherung an die Atome der Oberflächen verunreinigungen, nicht jedoch ein Eindringen in die Oberfläche möglich wird.

Die Reinigung und Glättung wird gemäß Erfindung durch die Wechselwirkung hochgeladener Ionen niedriger kinetischer Energie mit der Oberfläche bewirkt, wobei, im Gegensatz zur Benutzung der relativ hohen kinetischen Energie für die Zerstäubung im bisherigen Standardreinigungsverfahren, die im hochgeladenen Ion gespeicherte po tentielle Energie für die Reinigung und Glättung Verwendung findet und die relativ niedrige kinetische Energie der hochgeladenen Ionen lediglich für die nächste Annäherung an die Oberflächenverunreinigungsatome benötigt wird.

Die elektronische Wechselwirkung hochgeladener Ionen mit der Materialoberfläche beeinflußt einerseits den elektronischen Zustand des Ions durch Elektronenaustausch zwischen der Oberfläche und dem Ion und andererseits die Trajektorie (Flugbahn) des Ions durch die anziehende Kraft der Bildladung, die bei elektrisch leitenden Oberflächen gleich der effektiven Ladung des Ions vor der Oberfläche ist. Der Elektronenaustausch von der Materialoberfläche zum hochgeladenen, anfliegenden Ion beginnt, bei Zugrundelegung atomarer Einheiten a₀=0,0529 nm, in großen Abständen z_c vor der ersten Atomlage der Oberfläche, die bei z=0 angenommen wird. Erfindungswesentlich ist, daß das hochgeladene Ion auf seinem weiteren Weg von z_c bis zu einem Abstand z=d vor der ersten Atomlage der Oberfläche resonant Elektronen von der Oberfläche in hochangeregte Zustände einfängt und so selbst neutralisiert wird, wobei d der mittlere Gitterabstand der Atome in der Oberflächenebene ist. Da diese Elektronen aus dem Leitungsband bzw. Valenzband des Oberflächen materials stammen, ist die Resonanzenergie durch die Bindungs energie dieser Bänder festgelegt. Durch dieses "Absaugen" von Elektronen aus der Oberfläche werden lokale Bindungen schwach gebundener (physisorbierter) Verunreinigungsatome oder -moleküle so stark abgeschwächt, daß sie desorbiert werden. Dadurch wird die Oberfläche von physisorbierten Verunreinigungsatomen oder -molekülen gereinigt, bevor das einfallende, ursprünglich hochgeladene Ion in unmittelbare Nähe (z<d) der Oberflächen atome gelangt.

Es kann angenommen werden, daß im Bereich 0<z<d das Ion in die exponentiell ins Vakuum abklingende Elektronendichte der Oberfläche eintaucht, so daß die elektronische Abschirmung der Oberflächenatome und des Ionenkerns reduziert werden. Dies führt zu einer abstoßenden Coulomb-Kraft zwischen dem Ionenkern und allen Oberflächenatomkernen. Für Ar⁺-Ionen im Abstand von 1.0 a₀ vor den Oberflächenatomen erreicht dieses Potential Werte im Bereich von 20 (für Mg) bis 116 eV (für Pt), im Mittel also etwa 65±55 eV für alle Oberflächenelemente von niedrigster bis zu höchster Ordnungszahl und entsprechend höhere Werte für höher geladene Ar-Ionen mit effektiver Ladung <1. Je nach seiner effektiven Ladung q_eff in diesem räumlichen Bereich vor der Oberfläche wird also ein ursprünglich hochgeladenes Ion an der Oberfläche total reflektiert, wenn seine ursprüngliche kinetische Enerie

E₀ (65 ± 55) · q_eff eV

beträgt. Da q_eff nicht bekannt ist, sind die niedrigst möglichen, kinetischen Energien der hochgeladenen Ionen zu fordern, um eine Totalreflektion des Ions an der Oberfläche zu gewährleisten. Das Erreichen von Totalreflektion am kollektiven Oberflächenpotential ist erfindungswesentlich, da praktisch keine Oberflächenatome durch Übertragung kinetischer Energie in einem Stoß zwischen dem Ion und einem einzelnen Oberflächenatom aus der Materialoberfläche herausgelöst werden können. Diese Abnahme der Zerstäubungsrate mit abnehmender kinetischer Energie einfach geladener Ionen ist eindeutig nachgewiesen worden (H. Gnaser und H. Oechsner, Surface Science 251/252, 1991, S. 696-700).

Von der definierten Grenzenergie E₀ muß bei elektrisch leitenden Oberflächen noch eine Energie E_B substrahiert werden, die durch die Bildladungsbeschleunigung des Ions entsteht. Sie setzt sich aus zwei Thermen zusammen, die geometrisch den Bereichen z<z_c und z_c<z<d entsprechen. Im ersten Bereich gilt die ursprüngliche Ladung q des Ions, so daß der Energiegewinn bis zum Abstand z_c E_B1=27,2 · q/z_c wird. Im zweiten Bereich ist die effektive Ladung des Ions unbekannt, so daß nur eine grobe Abschätzung möglich ist. Unter Annahme begrenzter Abschirmung durch hochangeregte Elektronen im eigentlich neutralisierten Ion kann man q_eff≈q/2 setzen und erhält so E_B2=27,2 · (q/2) · [d^-1-z_c ^-1] eV. Als Grenz anfangsenergie für Totalreflektion ergibt sich so im Mittel E₀(65±55) · q/2-E_B1→E_B2, was etwa E₀≈(30± 25) · q eV entspricht. Je nach Oberflächenmaterial muß also die Grenzanfangsenergie der hochgeladenen Ionen zwischen 5 · q und 55 · q eV gewählt werden, um die Totalreflexion der Ionen an der Oberfläche und damit vernachlässigbare Zerstäubung, d. h. zerstörungsarme Behandlung der Oberfläche zu gewährleisten.

Je nach Oberflächenmaterial und Wahl von E₀ werden bei Totalreflexion die Abstände nächster Annäherung z₀ zwischen Oberflächenatomen und dem Ion zwischen 0.5 und 2.0 a₀ liegen. Dies sind Abstände, bei denen das ursprüngliche hochgeladene, auf dem Weg von z_c bis zu z_o aber in äußeren Schalen neutralisierte Ion Elektronen direkt aus gefüllten, inneren Schalen der Oberflächenatome in seine eigenen, immer noch teilweise leeren, inneren Schalen einfangen kann. Dafür verantwortlich sind quasi-resonante Elektronenaustauschprozesse oder eine inter atomare Auger-Neutralisation, die mit einer Wahrschein lichkeit nahe 1 für jedes einzelne Ion beim Umkehrpunkt seiner Trajektorie auftreten, wenn das Ion nahe genug an ein Oberflächenatom herankommt. Diese letztere Bedingung ist genau so wichtig für das beanspruchte Verfahren wie die Totalreflexionsbedingung. Die zwar niedrige Energie der einfallenden Ionen darf also nicht nur nach dem Kriterium der Totalreflexion gewählt werden, sondern muß auch so angepaßt sein, daß die Ionen nahe genug an die Oberflächenatome herankommen können, wobei nahe definiert ist durch den Orbitaldurchmesser der ein zufangenden Innerschalenelektronen. Die daraus resultierenden optimalen Ionenenergien werden von der Ionensorte, dem zu reinigenden Material und den Verunreinigungen abhängen, so daß sowohl theoretische Abschätzungen als auch experimentelle Bestimmungen der optimalen Reinigungs- und Glättungsenergie von Fall zu Fall im Bereich zwischen 5 · q und 55 · q eV notwendig wird. Sobald die Ab standsbedingung für Innerschaleneinfang erfüllt ist, variiert die Zahl der aus inneren Schalen der Oberflächenatome abgezogenen Elektronen pro Ion statistisch um einen Mittelwert von ungefähr 0.4 · q.

Erfindungswesentlich ist, daß jedes niederenergetische, ursprünglich hoch geladene Ion am Umkehrpunkt seiner Tra jektorie vor der Oberfläche mindestens ein, wenn nicht mehrere Innerschalenelektronen aus einem dort befindlichen Verunreinigungsatom oder -molekül extrahiert, so daß dieses Verunreinigungsatom oder -molekül mit großer Wahrscheinlichkeit desorbiert. Quantitativ ist wenig bekannt über diese Wahrscheinlichkeit. Sie kann aber für einfallende Ionen mit einer Ladung q5 nahe 1 angenommen werden, da das Vorhandensein eines oder mehrerer Innerschalenlöcher in einem Verunreinigungsatom zur Coulombabstoßung des Verunreinigungsatoms aus dem Ober flächenatomverband führt (vgl. M. L. Knotek and P. J. Feibelman, Surf. Scl. 90, 1979, S. 778-90). Diese Coulombabstoßung kann nur durch sehr schnelle (3 · 10^-16s) Erhöhung der lokalen Bindungselektronendichte aus dem Substrat verhindert werden, die retardiert erfolgt und deshalb wegen der zeitlich befristet existierenden Coulombabstoßung zumindest zu einer starken thermischen Anregung des Atoms führt, wenn die Desorption verhindert wird. Die De sorption wird um so wahrscheinlicher, je mehr Innerscha lenlöcher in einem Verunreinigungsatom erzeugt werden.

Da aus Untersuchungen folgt, daß eine mittlere Produktion von 0.4 · q Innerschalenlöchern pro Treffer durch ein ursprünglich q-fach geladenes Ion erzielt wird, wird also die Desorptionswahrscheinlichkeit pro getroffenes Oberflächenatom gegen 1 gehen, wenn q groß genug (z. B. q<5) gewählt wird.

Da die Abregung eines Innerschalenlochs eines Verunreinigungs atoms über einen Augerprozeß abläuft, bei dem zwei Valenz-, d. h. Bindungselektronen, verloren werden, werden im Mittel 0.4 · q weitere Versuche von Coulombabstoßung eines noch nicht durch die Innerschalenlöcher desorbierten Atoms von der Oberfläche eingeleitet. Sie können wieder dadurch verhindert werden, daß das Substrat material jeweils diese beiden Elektronen in kürzerer Zeit nachliefert als die Coulombabstoßung für die Befreiung des Atoms von der Unterlage benötigt. Da das Nachliefern von Bindungselektronen von Substratmaterial (Metall, Halbleiter oder Isolator) und vom Bindungstyp des Verunreinigungsatoms an das Substratmaterial abhängt, wird die Desorptionswahrscheinlichkeit pro getroffenes Oberflächenatom vom jeweils zu reinigenden Material und von den Verunreinigungen abhängen. Metallisch gebundene Fremdatome mit einer Metalloberfläche werden demnach mit einer Wahrscheinlichkeit etwas kleiner als 1 desorbiert, während schwach gebundene Fremdatome an Halbleiter- oder Isolatoroberflächen mit einer Wahrscheinlichkeit von nahe 1 desorbiert werden.

Wenn eine Desorptionswahrscheinlichkeit von 1 angenommen wird, kann man bei einer Verunreinigung von einer Monolage mit heute technisch realisierbaren Ar⁸⁺-Ionenstrahlen eine Fläche von 1 cm² in etwa 20 s reinigen.

Die zuletzt beschriebene Konkurrenz zwischen Coulombdesorption und Nachlieferung von Bindungselektronen führt selbst im Falle einer bereits sauberen Metalloberfläche zu einer von null verschiedenen Desorptionswahrscheinlichkeit von Oberflächenmetallatomen. Im Gegensatz zum Standardverfahren sind bei Verwendung von langsamen, hochgeladenen Ionen aber nur Atome in der ersten und bestenfalls zweiten Atomlage von dieser Desorption betroffen, so daß keinerlei Beschädigung der Kristallstruktur unterhalb der zweiten Atomlage stattfinden kann. Dies ist ein ganz entscheidender Vorteil des beanspruchten Verfahrens gegenüber dem Standardverfahren.

Die Konkurrenz zwischen Coulombdesorption und Nachlieferung von Bindungselektronen hat weiter zur Folge, daß von einem Ion getroffene, aber nicht desorbierende Atome zumindest thermisch angeregt werden, da die Nachlieferung von Bindungselektronen gegenüber dem Beginn der Coulomb explosion immer etwas verzögert ist. Bei einer bereits sauberen Metalloberfläche führt das zu einer erhöhten Oberflächenbeweglichkeit der von Ionen getroffenen Atome, die also zu Fehlstellen (Löchern) wandern können und so zu einer Glättung der Oberfläche beitragen. Ebenfalls zur Glättung trägt die Kenntnis bei, daß Atome an Spitzen oder an nach außen gewölbten Positionen einer noch nicht ebenen Oberfläche weniger stark gebunden sind und deshalb nach Innerschalenionisation mit größerer Wahrscheinlichkeit desorbieren als Atome in der Idealebene oder an nach innen gewölbten Zonen der Oberfläche. Eine thermische Ausheilbehandlung einer ursprünglich ebenen Oberfläche ist also nach der Reinigung mit langsamen, hochgeladenen Ionen häufig gar nicht mehr oder nur noch sehr geringfügig notwendig. Dies ist ein weiterer wichtiger Vorteil des beanspruchten Verfahrens gegenüber dem Standardverfahren.

Das beanspruchte Verfahren kann bereits während der ersten thermischen Ausgas- und Abdampfbehandlung eingesetzt werden, da die langsamen, hochgeladenen Ionen von der Oberfläche reflektiert werden und somit keine oder eine völlig vernachlässigbare thermische Zusatzbelastung der Probe darstellen. Dies bedeutet eine weitere erhebliche Produktivitätssteigerung des beanspruchten Verfahrens gegenüber dem Standardverfahren, da die lange Zeit des Ausgasens der Probe voll für die Reinigung genutzt werden kann. Damit steht nach der Abkühlung der Probe sofort eine saubere Oberfläche und im Falle von einkristallinem Material sogar eine ebene Oberfläche für die weitere Bearbeitung zur Verfügung, da beim langsamen Abkühlen aus der Ausgasphase die geringfügigen Oberflächenschäden in den obersten Oberflächenatomlagen ausheilen.

Zusammenfassend kann also gefolgert werden, daß die aufgeführten Vorteile der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung im wesentlichen darauf beruhen, daß die zerstörungsarme Reinigung und Glättung von Oberflächen im wesentlichen durch die in hochgeladenen Ionen gespeicherte potentielle Energie erfolgt im Gegensatz zur Verwendung der kinetischen Energie im bisherigen Standardverfahren. Die im Anspruch 1 angegebene Erfindung wird in allen Produktionsverfahren, wo bereits heute saubere Oberflächen im Bereich atomarer Dimensionen gefordert werden, zu einer wesentlichen Verkürzung der Reinigungszeiten und damit zu einer entscheidenden Produktivitätssteigerung führen, welche die investiven Mehrkosten des beanspruchten Verfahrens vielfach kompensieren. Auch in allen Produktions verfahren, wo bisher aus Kostengründen auf eine Reinigung der Oberflächen verzichtet wird, kann das erfinderische Verfahren zu solchen Kostenreduktionen führen, daß die Oberflächenreinigung in diese Produktionsverfahren einbezogen werden, damit erhebliche Qualitäts steigerungen erzielt und somit Ausschußproduktionen reduziert werden.

Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Beispielen und einer Zeichnung. Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer ersten Anordnung, mit der eine Oberflächenreinigung und -glättung ausführbar ist;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform;

Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsformen;

Fig. 5 eine Spezialisierung der beiden ersten Ausführungsformen.

Beispiel 1 (vgl. Fig. 1)

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Vorrichtungsaufbau zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, wie er mit heute bekannten Mitteln aufgebaut werden kann. Aus einer Ionenquelle 1 mit einem Plasma 1′, in der bei einem Druck von 10^-2 Pa Edelgasionen (vorzugsweise Argon-Ionen) mit einer mittleren Ladung von q_m=+5 erzeugtt werden, die auf einem Potential U zwischen 0 und etwa +60 V liegt, werden mit einer Extraktionselektrode 2 und einer elektrostatischen Extraktionslinse 3, beide auf einem Potential von z. B. -20 kV, Ionen mit einem Gemisch von Ladungszuständen extrahiert und auf (20 000+U) · q eV in eine Druckzone 4 von 10^-5 Pa beschleunigt. Die Extraktionslinse 3 fokussiert diese Ionen durch eine Eintrittsblende 5 in einen doppelfukussierenden Sektormagneten 6 oder ein anderes ionenoptisches Bauelement zwecks q/m Separation, so daß Ionen eines einzigen Ladungszustandes, z. B. Ar⁺⁶ oder Ne⁵⁺, durch die Austrittsblende 7 fokussiert werden. Der Sektormagnet 6 eliminiert auch alle im Ionenstrahl vorhandenen Elektronen, die aufgrund ihrer teilweise hohen kinetischen Energie im Plasma 1′ der Ionenquelle 1 dieses Plasma gegen die Extraktionsspannung verlassen können und somit dem Ionenstrahl überlagert sind. Die Austrittsblende 7 wirkt gleichzeitig als differentielle Pumpblende, so daß die Ionen in eine Druckzone 8 von 10^-7 Pa eintreten und dort von einer ersten Abbremslinse 9 von (20 000+U) · q eV auf (1000+U) · q eV abgebremst und durch eine zweite differentielle Pumpblende 10 fokussiert werden. Dies erlaubt den Aufbau einer zweiten Abbremslinse 11 und einer zu reinigenden Oberfläche 12 im Ultrahochvakuum von 10^-9 Pa. In der Abbremslinse 11 werden die q/m-selektierten Ionen von (1000+U) · q eV auf U · q eV abgebremst und treffen mit niedriger Energie auf die Oberfläche 12, die im vorliegenden Fall ein Silicium- Einkristall für die Chipherstellung (engl. "wafer") ist. Für die thermische Behandlung der Oberfläche ist eine Heizung 13 nach einem der bekannten technischen Aus führungsformen vorzusehen. Je nach Anwendung können auch andere Vakuumbedingungen und andere Beschleunigungs- und Abbremsbedingungen verwendet werden.

Beispiel 2 (vgl. Fig. 2)

Beispiel 2 entspricht in wesentlichen Einzelheiten dem Ausführungsbeispiel 1 bis auf die Auslassung einer q/m-Separationseinheit. Demnach trifft das gesamte aus der Ionenquelle 1 extrahierte Ladungszustandsgemisch, hier z. B. Xe-Ionen, mit U · q eV auf die Oberfläche 12, die hier z. B. eine Platin (111)-Einkristalloberfläche ist. Dies erhöht den Gesamtteilchenstrom auf die Oberfläche und damit die Reinigungsleistung, erniedrigt im Mittel aber etwas die Desorptionswahrscheinlichkeit pro getroffenes Verunreinigungs- oder Oberflächenatom, da je nach Ionenquelle hohe Anteile von nur einfach und zweifach geladenen Ionen im Teilchenstrom enthalten sind.

Diese Ionen tragen weniger zur Reinigungsleistung bei als hochgeladene, da die von ihen getroffenen Oberflächenatome mit geringerer Wahrscheinlichkeit desorbieren als von hochgeladenen Ionen getroffene Oberflächenatome. Es ist daher von Bedeutung, Ionenquellen zu verwenden, die Teilchenströme mit möglichst optimalem mittleren La dungszustand produzieren können. Optimal ist hierbei öko nomisch und technisch definiert, denn der technische Aufwand der Ionenquellenkonstruktion kann an den niedrigsten Ladungszustand eines ionisierten Elements angepaßt werden, mit dem effiziente Reinigungs- und Glättungsleistungen entsprechend der Erfindung erzielt werden.

Beispiel 3

Beispiel 3 entspricht in wesentlichen Einzelheiten dem Ausführungsbeispiel 1, bis auf die Tatsache, daß der Gesamtaufbau von der Ionenquelle bis zur zu reinigenden Oberfläche in Ultrahochvakuumtechnik aufgeführt ist und deshalb die differentiellen Pumpblenden 7 und 10 entfallen. Dadurch wird größte Reinheit der Anlage bei frei wählbaren Vakuumwerten möglich.

Beispiel 4

Beispiel 4 entspricht in wesentlichen Einzelheiten dem Ausführungsbeispiel 2, bis auf die Tatsache, daß der Gesamtaufbau von der Ionenquelle bis zur zu reinigenden Oberfläche in Ultrahochvakuumtechnik ausgeführt ist und deshalb die Notwendigkeit differentieller Pumpblenden entfällt. Dadurch wird größte Reinheit der Anlage bei frei wählbaren Vakuumwerten möglich.

Beispiel 5 (vgl. Fig. 3)

Ein Ladungszustandsgemisch, hier aus z. B. As-Ionen, wird aus dem Plasma 1′ der Ionenquelle 1 mit U · q eV direkt in Richtung auf die Materialoberfläche 12, hier z. B. ein GaAs-Einkristall, extrahiert, wobei 0<U<≈60 V ist. Hierfür sind entsprechende Magnetfeldspulen oder Permanentmagnetstrukturen 14, 15 vorgesehen. Es findet also gegenüber dem Beispiel 1 keine q/m-Separation und keine ionenoptische Abbildung statt, und die differentiellen Pumpstufen entfallen ebenfalls. Vakuumtechnik und -bedingungen können an die jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Damit ist dieses Ausführungs beispiel äußerst ökonomisch. Der Gesamtteilchenstrom auf die Oberfläche und damit die Reinigungsleistung sind erhöht, im Mittel ist aber die Desorptionswahrscheinlichkeit pro getroffenes Verunreinigungs- oder Oberflächenatom erniedrigt, da je nach Ionenquelle hohe Anteile von einfach und zweifach geladenen Ionen im Teilchenstrom enthalten sind. Die von diesen Ionen getroffenen Oberflächenatome desorbieren mit geringerer Wahrscheinlichkeit als von hochgeladenen Ionen getroffene Oberflächenatome. Es ist daher von Bedeutung, Ionenquellen zu verwenden, die Teilchenströme mit möglichst optimalem mittleren Ladungszustand produzieren können. Optimal ist hierbei ökonomisch und technisch definiert, denn der technische Aufwand der Ionenquellenkonstruktion kann an den niedrigsten Ladungszustand eines ionisierten Elementes angepaßt werden, mit dem effiziente Reinigungs- und Glättungsleistungen entsprechend der Erfindung erzielt werden. Da Quellen für hochgeladene Ionen meist mit hohem Magnetfeldeinschluß der Ionen und Elektronen arbeiten, ist dieses Ausführungsbeispiel nur dort einsetzbar, wo Magnetstreufelder bei der Weiterbearbeitung der Oberfläche nicht stören. Wird Magnetfeldfreiheit für die Weiterbearbeitung der Oberfläche verlangt, muß die Ober fläche mit dem Beispiel 5 örtlich getrennt von der Weiterbearbeitung gereinigt und geglättet werden.

Beispiel 6 (vgl. Fig. 4)

Das gesamte Ladungszustandsgemisch im Plasma der Ionenquelle 1 wird mit U · q eV, wobei 0<U<≈60 V ist, direkt auf die Oberfläche 12, hier ein Ge-Einkristall, beschleunigt, die eine Wand des Plasmavolumens darstellt. Die Vakuumbedingungen können der jeweiligen Anwendung angepaßt werden. Gegenüber dem Ausführungs beispiel 5 ist also noch eine weitere Vereinfachung vorgenommen worden, so daß das Ausführungsbeispiel 6 noch ökonomischer ist als das Ausführungsbeispiel 5. Alle weiteren Erläuterungen des Ausführungsbeispiels 5 sind genau so auf das Ausführungsbeispiel 6 anzuwenden. Es ist aber im Ausführungsbeispiel 6 von Bedeutung, eine Konfiguration der Plasmaherstellung zu verwenden, die einen Gehalt an optimalen mittleren Ladungszustand gewährleistet. Optimal ist hierbei ökonomisch und technisch definiert. Dieses Ausführungsbeispiel ist dem technischen Aufbau des Plasma-Ätzens (engl. "plasma-etching") nach dem EZR-Prinzip sehr verwandt, bei dem ein Plasma niedrigen mittleren Ladungszustandes mit chemischen Substanzen gemischt wird, um über plasmaunterstützte chemische Reaktionen Oberflächen abzutragen (R. A. Haefer, "Oberflächen- und Dünnschicht-Technologie", Springer-Verlag, 1991, Kapitel 5). Versuche, solche Plasma-Ätzanlagen nach dem EZR-Prinzip mit niedrigem mittleren Ladungszustand ohne chemische Zusätze für die Reinigung von Oberflächen einzusetzen, wurden bisher nur mit bescheidenen Erfolgen durchgeführt [vgl. P. Raynand, C. Pomot, Le Vide les Couches Minces, Suppl´ment 256, 1991, S. 140-142); B. Charlet, L. Peccoud, loc. cit., 1991, S. 143-145)]. Der entscheidende Unterschied des Ausführungsbeispiels 6 ist also die Verwendung eines Plasmas mit hohem mittleren Ladungszustand (q_m << 2), das zwar auch nach dem EZR-Prinzip erzeugt werden kann, aber einen hohen magnetischen Plasmaeinschluß verlangt, wie er bisher beim Plasma-Ätzen gerade nicht verwandt wird. Die Fig. 4 zeigt deshalb explizit eine von möglichen Anordnungen mit hohem magnetischem Plasmaeinschluß nach dem EZR-Prinzip mit axialem Plasmaeinschluß in einem axialen Magnetfeld, dessen relevante magnetische Feldstärke angedeutet ist, und mit einem radialen Plasmaeinschluß durch ein möglichst hohes Multipolmagnetfeld.

Beispiel 7 (vgl. Fig. 5)

Beispiel 7 baut auf den Ausführungsbeispielen 1-4 auf und verwendet kurz vor der Oberfläche 12 ionenoptische Elemente 16, die eine scharfe Fokussierung des Ionenstrahls, hier z. B. Zr-Ionen, und ein kontrolliertes elektro- magnetisches Führen 17 dieses Fokus auf der Oberfläche oder eine scharfe Abbildung einer teildurchlässigen Maske 18 auf der Oberfläche 12, hier z. B. amorphes Rh₂₅Zr₇₅ ermöglichen. Damit kann ein vorgegebenes Reinigungsmuster auf die Oberfläche projiziert werden. Da es dafür viele Ausführungsformen gibt, werden in Fig. 5 nur je eine Möglichkeit für die elektro-magnetische Steuerung bzw. Führen 17 eines Ionenstrahlfokus und für die Abbildung einer teildurchlässigen Maske auf die Oberfläche angegeben.

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenreinigung und -glättung von Material mit einkristalliner, polykristalliner oder amorpher Struktur, mit den Verfahrensschritten:

(a) Polieren der Oberfläche bis zur kleinstmöglich mechanisch erreichbaren Rauhigkeit,
(b) Beschließen der Oberfläche mit Ionen definierter Ladung und kinetischer Energie zur Abtragung der an der Oberfläche befindlichen Verunreinigungen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit wenigstens zweifach geladenen Ionen niedriger kinetischer Energie beschossen wird, wobei die potentielle Energie der Ionen entsprechend ihrer hohen Ladung eine Wechselwirkung mit den gebundenen Verunreinigungen verursacht, die diese zur Ablösung bringt, und dadurch, daß die den Ionen gegebene kinetische Energie lediglich danach bemessen wird, daß den Ionen eine nächste Annäherung an die Atome der Oberflächenverunreinigungen, nicht jedoch ein Eindringen in die Oberfläche ermöglicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschuß der Oberfläche mit Ionen während einer thermischen Behandlung der Oberfläche, wie beispielsweise Ausgasen oder Ausheizen von Fehlstellen, stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen-Behandlung der Oberfläche fortgesetzt wird oder stattfindet bei einer Temperatur der Oberfläche des Materials, die wesentlich unter der Ausheiztemperatur, vorzugsweise im Bereich der Umgebungstemperatur, also zwischen 15 und 35°, liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung der Oberfläche mit hochgeladenen, niederenergetischen Edelgasionen, vorzugsweise Argon-Ionen der Ladungsstufe 5 bis 9 erfolgt (Ar⁺⁵ bis Ar⁺⁹).

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung einer gekühlten Oberfläche erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung der Oberfläche mit hochgeladenen, niederenergetischen Ionen beliebiger Elemente und speziell des Elementes erfolgt, aus dem das Oberflächenmaterial beschaffen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß hochgeladene Ionen in einer Ionenquelle unter Hochvakuum erzeugt und extrahiert werden, ionenoptisch zu einer Reinigungskammer transportiert und vor der zu reinigenden Oberfläche auf niedrigere Energie pro Ladung abgebremst werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen nach Extraktion nach ihrem Verhältnis q/m (Ladungs- zu Masse-Verhältnis) separiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen unter einem schrägen Auftreffwinkel auf die Materialoberfläche auftreffen, vorzugsweise von 8 bis 15°, wobei 0° die Materialoberflächenebene bezeichnet.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hochgeladenen Ionen in einem Ionenquellenplasma erzeugt und das Plasma mit den hochgeladenen Ionen niedriger kinetischer Energie direkt mit der zu reinigenden Oberfläche in Kontakt gebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Probenkammer oder Probenpräparationskammer ein Plasma hohen Gehalts an hochgeladenen Ionen niedriger kinetischer Energie gezündet und aufrechterhalten wird, das in direktem Kontakt mit der zu reinigenden Oberfläche steht.

12. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz (EZR) Ionenquelle mit magnetischem Plasmaeinschluß, eine Elektronenstrahl-Ionenquelle, eine Elektronenstrahl Ionen-Fallen-Quelle oder eine Hybrid-Quelle, kombiniert aus wenigstens zwei dieser drei Typen verwendet wird.

13. Verfahren nach Ansprüchen 1, 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mit hohem Gehalt an hochgeladenen Ionen in der Probenkammer oder Probenpräparationskammer nach dem EZR-Prinzip mit magnetischem Plasmaeinschluß vor der zu reinigenden Oberfläche erzeugt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der niederenergetische Strahl hochgeladener Ionen in Form eines scharfen, ionenoptischen Fokus auf die Oberfläche trifft, der mit elektro-magnetischen Methoden über die Oberfläche geführt wird und so eine Reinigungsbeschriftung der Oberfläche ermöglicht.

15. Verfahren nach Anspruch 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der niederenergetische Strahl hochgeladener Ionen eine teiltransparente Maske ausleuchtet, die ionenoptisch auf der Oberfläche abgebildet wird und so ein Reinigungsabbild der Maske auf der Oberfläche erzeugt.