DE4334357A1 - Sattelfeldquelle - Google Patents
SattelfeldquelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sattelfeldquelle mit einer
Kammer, die eine Austrittsöffnung aufweist und Elektroden
enthält, so daß ein elektrisches Feld mit einem Sattel in
der Kammer entsteht und ein Teilchenstrahl mit einer
Vorzugsrichtung aus der Austrittsöffnung austritt.
Eine gattungsgemäße Sattelfeldquelle, geeignet sowohl für
die Erzeugung eines Ionenstrahls als auch eines Neu
tralteilchenstrahls durch internen Ladungsaustausch, ist in
GB-Z J. Franks, Vacuum 34, no. 1-2, (1984), Seiten 259-261
beschrieben. Rein als Ionenquelle ist die gattungsgemäße
Sattelfeldquelle auch in US 3 944 873, in US 4 354 113 und
in US-Z W. Ensinger, Rev. Sci. Instrum. 63 (11), (November
1992) , Seiten 5217-5233 (Fig. 16, 17) in verschiedenen
Varianten beschrieben.
Regelmäßig haben die Sattelfeldquellen eine hohe Symmetrie,
insbesondere eine Spiegelebene, welche die Anodenanordnung
enthält, und eine dazu senkrechte Spiegelebene, welche die
Austrittsöffnung enthält, und die die Kathode bildende
Kammer und die Anodenanordnung sind zu beiden Ebenen
weitgehend spiegelsymmetrisch. Dadurch bildet das
elektrische Feld im Raum innerhalb der Anodenanordnung
einen Sattelpunkt aus. Durch die Symmetrie ergibt sich
zwangsläufig, daß dem durch die Auslaßöffnung austretenden
Ionen- oder Neutralteilchenstrom ein gleich großer Strom
auf die gegenüberliegende Wandfläche entspricht.
Dieser rückwärtige Strom ist verloren und richtet eventuell
Schaden an der Wandung der Kammer an, der Wirkungsgrad der
Ionen- oder Teilchenquelle ist reduziert. US 3 944 873
(Fig. 6) schlägt allerdings vor, ein Loch in der Rückwand
für Monitorzwecke zu nutzen.
Gegenstand der zitierten Patentschriften ist es, die
Symmetrie der Sattelfeldquellen, insbesondere hinsichtlich
des elektrischen Feldes, durch zusätzliche Schirmelektroden
zu erhöhen.
Es werden Sattelfeldquellen mit sphärischer oder
zylindrischer Kammer mit achsialer Austrittsöffnung für
kegelförmige Ionen- bzw. Teilchenstrahlen und solche mit
kreiszylindrischer Kammer und Austritts-Schlitz auf dem
Zylindermantel für einen breiten vorhangartigen Ionenstrahl
beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer
gattungsgemäßen Sattelfeldquelle mit erhöhtem Wirkungsgrad
und guter Richtungscharakteristik.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 durch gezielten Abbau der
Symmetrie. Sowohl geometrisch als auch hinsichtlich des
elektrischen Feldes wird die Spiegelsymmetrie zu der die
Elektroden der bekannten Sattelfeldquellen enthaltenden
Ebene aufgehoben, und zwar weitergehend als nur durch die
durch die Auslaßöffnung zwangsläufig herbeigeführte
Störung.
Durch diese Abkehr vom bisher stets eingehaltenen Prinzip
läßt sich der der Vorzugsrichtung entgegengesetzte
Teilchenstrom in der Quelle erheblich reduzieren und der
Anteil der durch die Austrittsöffnung durchtretenden
Teilchen erhöhen.
Dies gilt sowohl für die Erzeugung von Ionen wie auch von
energetischen Neutralteilchen mittels Ladungsaustausch in
der Kammer.
Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung wird gemäß
Anspruch 3 dadurch realisiert, daß zu der bei
Sattelfeldquellen bekannten Anodenanordnung eine
Zusatzanode, die von der Austrittsöffnung aus gesehen
hinter der Anodenanordnung angeordnet ist, hinzugefügt
wird. Die Anodenanordnung kann dabei wie bekannt aus zwei
stabförmigen Teilen oder aus einem ringförmigen Teil
bestehen, je nach der Kammerform.
Die Zusatzanode stört zwar im Prinzip die in der
Sattelfeldquelle umlaufenden Elektronen, reduziert ihre
freie Weglänge und damit die Ionisationswahrscheinlichkeit.
Durch geeignete Wahl der Abmessungen läßt sich dieser
Effekt jedoch stark unterdrücken und durch die verbesserte
Richtcharakteristik der Ionenbewegung überkompensieren.
Bevorzugt wird die Zusatzanode im Bereich der
Symmetrieachse angeordnet, da so die Richtcharakteristik
günstig beeinflußt wird.
Die Zusatzanode wird bevorzugt auf gleiches Potential wie
die Anodenanordnung gelegt. Die erfindungsgemäßen Vorteile
werden so ohne jede Änderung der Spannungsversorgung,
insbesondere ohne eine zusätzliche Mochspannung, erreicht.
Die Zusatzanode kann auch mehrteilig sein oder es können
mehrere Zusatzanoden vorgesehen werden.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Asymmetrie noch
dadurch verstärkt, daß die Anodenanordnung von der
Austrittsöffnung weg aus der Symmetrieebene der Kammer
gerückt wird, was eine weitere Verbesserung der
Richtcharakteristik ergibt.
Die erfindungsgemäße Sattelfeldquelle eignet sich wie die
bekannten zur langgestreckten Ausführung für die Erzeugung
eines Teilchenstrahl-Vorhangs. Dazu ist nach Anspruch 10
die Symmetrieachse (Anspruch 3) zu einer Symmetrieebene
ausgeweitet und die Austrittsöffnung ist entlang der
Schnittlinie einer Kammerwand mit der Symmetrieebene
schlitzförmig längs ausgedehnt oder mehrfach wiederholt
lochförmig angebracht. Für die Ausführung als Lochreihe
spricht hierbei die bessere Drosselung des Gasverlustes aus
der Kammer und die in allen Richtungen gleichmäßige
Divergenz des Teilchenstrahls.
Besonders einfach kann, gerade auch für die langgestreckte
Quelle, die Kammer mit einem quaderförmigen Hohlraum
ausgeführt sein, wodurch sie aus einfachen Platten
zusammengefügt werden kann.
Erhebungen der Kammerwände in den der Anodenanordnung und
der Zusatzanode nächstliegenden Bereichen sind für die
Formung des elektrischen Feldes nützliche Hilfsmittel.
Bevorzugter Werkstoff für die aktiven Flächen der
Elektroden und der Kammer, der natürlich auch komplett als
Konstruktionswerkstoff (außer für die nötigen Isolatoren)
dienen kann, ist Kohlenstoff, insbesondere als
pyrolytischer Graphit, Elektrographit oder glasartige
Kohle. Letztere ist besonders für stabförmige Elektroden
wegen ihrer Stabilität vorteilhaft.
Das elektrische Feld in der Kammer mit den Elektroden wird
bevorzugt so ausgestaltet, daß es den erzeugten Ionen eine
Vorzugsrichtung hin zur Austrittsöffnung aufprägt. Dies
gilt dann auch für durch Ladungsaustausch erzeugte
energiereiche Neutralteilchen.
Nach Anspruch 15 ist es ferner vorgesehen, daß das
elektrische Feld in der Kammer einen Sattel im Bereich
zwischen den Elementen der Anodenanordnung und einen
zweiten Sattel näher bei der Zusatzanode aufweist. Der im
Unterschied zum bekannten Stand der Technik eingeführte
zweite Sattel ist dabei so ausgebildet, daß die
Aufenthaltswahrscheinlichkeit für Elektronen und damit die
Ionisationswahrscheinlichkeit in diesem Bereich erhöht ist.
Da im Gegensatz zu herkömmlichen Sattelfeldquellen auch die
in diesem Bereich erzeugten Ionen zur Austrittsöffnung hin
beschleunigt werden, wird die Wirksamkeit der Quelle durch
den zweiten Sattel gesteigert.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnung.
Darin zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Sattelfeldquelle mit
Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes;
Fig. 2 das Beispiel der Fig. 1 mit eingezeichneten
Trajektorien von erzeugten Ionen bzw.
Neutralteilchen;
Fig. 3a einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel;
Fig. 3b einen Querschnitt durch dieses Ausführungs
beispiel.
Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine Sattelfeld
quelle mit einer Kammer (0), Elektroden (1, 2 ,3) und
Austrittsöffnung (4). Das ganze ist spiegelsymmetrisch zu
der Symmetrieachse (S), insbesondere liegt die
Austrittsöffnung (4) auf der Symmetrieachse (S), die
Anodenanordnung aus den Elektroden (1, 2) ist außermittig
und spiegelbildlich angeordnet und die Zusatzanode (3) ist
auf der Symmetrieachse (S) auf der der Austrittsöffnung (4)
abgewandten Seite der Kammer (0) angeordnet.
Zur Erzeugung eines rotationssymmetrischen Strahls ist die
Anordnung bevorzugt auch rotationssymmetrisch zur
Symmetrieachse (S), die Kammer (0) also ein hohler
Kreiszylinder und die Anodenanordnung (1, 2) ist
ringförmig, die Elektroden (1, 2) gehen also ineinander
über.
Den gleichen Querschnitt kann aber auch eine
Sattelfeldquelle für einen vorhangartig in der zum
Querschnitt senkrechten Richtung ausgedehnten
Teilchenstrahl haben. Die Symmetrieachse (S) ist dann zu
einer zum Querschnitt senkrechten Spiegelebene ausgedehnt,
die Kammer (0) hat Quaderform und die Austrittsöffnung (4)
ist als Schlitz oder als Reihe kleiner Löcher ausgebildet.
Die drei Elektroden (1, 2, 3) sind gemeinsam auf positive
Hochspannung (+2 kV) gelegt, die Kammer (0) ist geerdet.
Damit ergeben sich die in Fig. 1 eingezeichneten
Äquipotentiallinien im Abstand von jeweils 200 V.
Bei einer konventionellen Sattelfeldquelle fehlt die
Zusatzanode (3) und die Anodenanordnung (1, 2) liegt in der
Mitte zwischen der Wand mit der Austrittsöffnung (4) und
der unteren Wand der Kammer (0). Das elektrische Feld und
die Potentialverteilung sind daher (bis auf die geringe
Störung im Bereich der Austrittsöffnung (4), die durch die
dort fehlende leitende Wand verursacht wird) zu der
Mittelebene mit der Anodenanordnung (1, 2) symmetrisch.
Alle Ionen, die unterhalb der Mittelebene entstehen, werden
daher zwangsläufig nach unten, von der Austrittsöffnung (4)
weg beschleunigt. Auf der Mittelebene erzeugte Ionen sehen
nur Potentialgefälle innerhalb dieser Ebene und können
diese daher nicht verlassen. Die Hälfte aller durch
Elektronenstoß erzeugten Ionen ist daher schon von
vornherein für den aus der Austrittsöffnung (4) tretenden
Teilchenstrahl verloren.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Fig. 1 ist die
beschriebene Symmetrie aufgelöst und ein größerer Bereich
der Quelle hinter der Mittelebene zeigt einen
Potenialgradienten in Richtung auf die Austrittsöffnung
(4) . Insbesondere ist auf der Symmetrieachse (S) von der
Zusatzelektrode (3) an ein durchgehendes Potentialgefälle
bis zur Austrittsöffnung (4) gegeben, so daß alle in diesem
Bereich entstehenden Teilchen zur Austrittsöffnung hin
beschleunigt werden. Dies gilt auch für einen Großteil des
Raums zwischen der Zusatzelektrode (3) und der
Anodenanordnung (1, 2), wobei der Anstieg des Potentials zu
den Elektroden (1, 2) hin sogar eine fokussierende Wirkung
hin zur Austrittsöffnung (4) ergibt.
Die Anordnung der Fig. 1 hat einen Sattelpunkt etwa mittig
zwischen den drei Elektroden (1, 2, 3). Bei Verschiebungen
der Elektroden (1, 2, 3) sind auch zwei Sattelpunkte auf
der Symmetrieachse (S) möglich, einer zwischen den
Elektroden (1, 2) der Anodenanordnung und einer näher an
der Zusatzanode (3).
Fig. 2 zeigt das Ergebnis einer numerischen
Simulationsrechnung, wonach in der Anordnung der Fig. 1
alle auf der Mittellinie (M) der Kammer (0) durch
Elektronenstoß erzeugten Ionen in die obere Hälfte der
Kammer wandern. Bei der konventionellen Anordnung
verbleiben die Ionen in dieser Ebene. Darüber hinaus hat
das elektrische Feld eine fokussierende Wirkung, so daß der
überwiegende Teil der zwischen den Elektroden (1 und 2)
erzeugten Ionen auch in die Austrittsöffnung (4) gelangt.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist also offensichtlich
geeignet, einen erheblich gesteigerten Anteil der durch
Elektronenstoß in der Sattelfeldquelle erzeugten Ionen zu
der Austrittsöffnung (4) zu bringen.
In Fig. 2 sind die Teilchenbahnen dargestellt,
unterschieden nach Trajektorien (TI) der Ionen (dünn
gezeichnet) und den daran anschließenden Trajektorien (TN)
(dick gezeichnet) der durch Ladungsaustausch entstandenen
Neutralteilchen, die wegen der fehlenden Wechselwirkung mit
dem elektrischen Feld alle gerade verlaufen.
Für den Ladungsaustausch, also den Übergang vom Ion zum
energetischen Neutralteilchen, wurde von der mittleren
freien Weglänge für Argon bei einem Druck in der Kammer (0)
von 1 Pa ausgegangen und die unterschiedliche Energie der
Ionen auf verschiedenen Trajektorien (TI) berücksichtigt.
Für den Betrieb als Neutralteilchenquelle hat der
Potentialverlauf in der Nähe der Austrittsöffnung (4)
demnach keine erhebliche Bedeutung, da der Ladungsaustausch
in größerem Abstand schon stattfindet, zumindest für einen
Großteil der erzeugten Ionen.
Fig. 3 zeigt im Längsschnitt Fig. 3a und Querschnitt
Fig. 3b ein Ausführungsbeispiel mit 9 Austrittsöffnungen
(4) in einer Reihe mit jeweils 2,5 cm Abstand mit einer
Kammer (0), deren Innenabmessungen 24 cm Länge und je 6 cm
Breite und Höhe betragen. Damit wird ein breiter
vorhangartiger Teilchenstrahl erzeugt, der auf ein Target
als langgestrecktes Rechteck auftrifft.
Die Kammer (0) besteht aus 6 Graphitplatten (01, 02, 03,
04, 05, 06), die formschlüssig in einem Metallgehäuse (G)
mit Einrichtung (W) für Wasserkühlung und Anschluß (Z) für
die Gaszufuhr, die über einen Verteilkanal und Bohrungen in
der Platte (03) erfolgt, befestigt ist. Als Elektroden (1, 2, 3)
sind Stäbe aus Glaskohle mit 2 mm Durchmesser
vorgesehen, die mit Isolierhülsen (11, 31) in einer
Endplatte (06) befestigt und durch die andere Endplatte
(05) für die Wärmeausdehnung längsverschieblich
durchgeführt sind und über angeklemmte Laschen mit den
elektrischen Anschlußdrähten verbunden sind.
Die Platten (01, 02, 03) weisen nächst den Elektroden (1, 2, 3)
jeweils Erhebungen (011, 021, 031) auf, mit denen der
elektrische Feldverlauf im Bereich der Elektroden (1, 2, 3)
beeinflußt wird. Elektronen werden damit von den Elektroden
(1, 2, 3) ferngehalten und stehen vermehrt zur Ionisation
zur Verfügung. Zudem werden durch diese Maßnahme
Glimmentladungen zwischen den Elektroden (1, 2, 3) und den
Platten (01, 02, 03) unterdrückt.
Die Länge einer solchen Sattelfeldquelle kann variiert
werden, je nach dem Bedarf in einer Vakuum-
Behandlungsanlage. Die Länge kann gut das Zehnfache der
Querschnittsmaße betragen.
Es wird also eine Teilchenquelle nach dem Prinzip der
Sattelfeldquelle vorgeschlagen, bei der die
Elektrodenanordnung (1, 2, 3) in Richtung des
Teilchenstrahles unsymmetrisch ist. Die Unsymmetrie wird
primär dadurch erreicht, daß mindestens eine weitere
Elektrode an der dem Teilchenstrahl entgegengesetzten Seite
angeordnet wird.
Die vorgeschlagene Sattelfeldquelle besitzt alle Vorteile
der Sattelfeldquelle nach dem Stand der Technik d. h.:
- - Man kann sie mit Gleichspannung betreiben, wobei die gleiche Hochspannung an alle Elektroden gelegt werden kann.
- - Sie kann ganz aus Graphit gebaut werden und ist dann weitgehend resistent gegenüber Sauerstoff.
- - Sie hat keine Verschleißteile.
- - Sie kann durch Variation der Betriebsparameter als Ionenquelle oder als Neutralteilchenquelle betrieben werden.
- - Sie kann durch Aufbau und Betriebsdaten einen dünnen konzentrierten oder einen breiten aufgefächerten Teilchenstrahl liefern.
- - Sie kann durch Wahl der Betriebsbedingungen (Druck in der Kammer und Hochspannung) entweder energiereiche Teilchen (etwa 500 eV) oder energieärmere Teilchen (etwa 10 eV) hervorbringen.
Der Hauptvorteil der Sattelfeldquelle nach dieser Erfindung
ist jedoch, daß sie wesentlich effizienter arbeitet als die
bisher bekannten Sattelfeldquellen. Die Anzahl der
emittierten schnellen Teilchen läßt sich etwa um den Faktor
1,7 erhöhen.
Anwendung findet die erfindungsgemäße Quelle beispielsweise
mit Neutralteilchen im Hochenergiebereich bis ca. 500 eV
für die Substratreinigung oder das Sputter-Ätzen als Ersatz
für Glimmentladungsprozesse. Durch veringerten Druck in der
Targetkammer ist die Reinigung effektiver und die
Kontamination zwischen Reinigung und nachfolgender
Beschichtung ist verringert.
Mit niederenergetischen Neutralteilchen von einigen zehn
Elektronenvolt Energie läßt sich beispielsweise die
Struktur wachsender dünner Filme beeinflussen.
Beispielsweise kann Sauerstoff aus der Quelle auf
Metalloxidschichten gegeben werden, wodurch die Filme
dichter werden, der Brechungsindex ansteigt und die
Absorption verringert wird im Vergleich zur Zugabe von
thermischem Sauerstoff. Weil durch dieses Verfahren nur die
aufwachsende Schicht erwärmt wird, lassen sich damit auch
anspruchsvolle Schichten auf temperaturempfindlichen
Unterlagen herstellen.
Claims (15)
1. Sattelfeldquelle mit einer Kammer (0), die eine
Austrittsöffnung (4) aufweist und Elektroden (1, 2, 3)
enthält, so daß ein elektrisches Feld mit einem Sattel
in der Kammer (0) entsteht und ein Teilchenstrahl mit
einer Vorzugsrichtung aus der Austrittsöffnung (4)
austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung
sowohl geometrisch als auch hinsichtlich des
elektrischen Feldes mehr als nur durch die von der
Auslaßöffnung bedingten Störungen zu jeder zur
Vorzugsrichtung senkrechten Ebene von der
Spiegelsymmetrie abweicht.
2. Sattelfeldquelle nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Teilchenstrahl aus Ionen oder
energetischen Neutralteilchen besteht.
3. Sattelfeldquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kammer (0) als Kathode
ausgebildet ist, eine Symmetrieachse (S) aufweist und
die Austrittsöffnung (4) auf der Symmetrieachse (S)
angeordnet ist, daß die Elektroden (1, 2, 3) aus einer
Anodenanordnung (1, 2), die symmetrisch zur
Symmetrieachse (S) aufgebaut ist und eine Umgebung der
Symmetrieachse (S) freiläßt, sowie einer Zusatzanode
(3) bestehen, wobei die Zusatzanode (3) von der
Austrittsöffnung (4) aus gesehen hinter der
Anodenanordnung (1, 2) angeordnet ist.
4. Sattelfeldquelle nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anodenanordnung (1, 2) aus
zwei stabförmigen Teilen (1, 2) besteht.
5. Sattelfeldquelle nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anodenanordnung (1, 2) aus
einem ringförmigen Teil besteht.
6. Sattelfeldquelle nach mindestens einem der Ansprüche
3-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzanode (3)
die Symmetrieachse (S) berührt.
7. Sattelfeldquelle nach mindestens einem der Ansprüche
3-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzanode (3)
auf gleichem Potential wie die Anodenanordnung (1, 2)
liegt.
8. Sattelfeldquelle nach mindestens einem der Ansprüche
3-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzanode (3)
mehrteilig ist oder daß mehrere Zusatzanoden
vorgesehen sind.
9. Sattelfeldquelle nach mindestens einem der Ansprüche
3-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von der
Anodenanordnung (1, 2) zur die Austrittsöffnung (4)
tragenden Wand (04) der Kammer (0) größer ist als der
Abstand zur dieser gegenüberliegenden Wand (03) der
Kammer (0).
10. Sattelfeldquelle nach mindestens einem der Ansprüche
3-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse
(S) zu einer Symmetrieebene ausgeweitet ist und die
Austrittsöffnung (4) entlang der Schnittlinie einer
Kammerwand (04) mit der Symmetrieebene schlitzförmig
längs ausgedehnt ist oder mehrfach wiederholt
lochförmig angebracht ist.
11. Sattelfeldquelle nach mindestens einem der Ansprüche
1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (0) einen
im wesentlichen quaderförmigen Hohlraum aufweist.
12. Sattelfeldquelle nach mindestens einem der Ansprüche
1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (0) an
ihren Wänden (01, 02, 03) in den der Anodenanordnung
(1, 2) und in dem der Zusatzanode (3) nächstliegenden
Bereich Erhebungen (011, 021, 031) aufweist.
13. Sattelfeldquelle nach mindestens einem der Ansprüche
1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1,
2, 3) und die Kammer (0) an ihren aktiven Flächen aus
Kohlenstoff, insbesondere pyrolytischem Graphit,
Elektrographit oder glasartiger Kohle bestehen.
14. Sattelfeldquelle nach mindestens einem der Ansprüche
1-13, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld
in der Kammer (0) mit den Elektroden (1, 2, 3) den
Ionen eine Vorzugsrichtung hin zur Austrittsöffnung
(4) aufprägt.
15. Sattelfeldquelle nach mindestens einem der Ansprüche
3-14, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld
in der Kammer (0) einen Sattel im Bereich zwischen den
Elementen der Anodenanordnung (1, 2) und einen zweiten
Sattel näher bei der Zusatzanode (3) aufweist.
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