DE4334889A1 - Verfahren zur Steuerung des Teilchenabtrages von einem Zielobjekt - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Teilchenstrahles beim thermischen Abtrag (Sublimation, Verdampfung) von Material von einem Zielobjekt, wie es z. B. für das Elektronenstrahlverdampfen eingesetzt wird.

Für eine gezielte Prozeßführung ist es bei diesem Verfahren notwendig, sowohl die mit dem Teilchenstrahl eingebrachte Leistung als auch Auftreffpunkt und -fläche des Teilchenstrahls zu variieren. In den meisten Fällen wird die thermische Verdampfung mittels eines Teil­ chenstrahls für schmelzflüssige Materialien eingesetzt. Die Veränderung des Auftreffpunktes des Teilchenstrahls hat dabei zwei Motivationen. Mit einer konstanten Än­ derung der Position kann der Strahl auf das Zentrum des Materialvorrates justiert werden. Durch eine schnelle Änderung der Auftreffposition, schnell gegenüber der thermischen Trägheit des Zielobjektes, erreicht man eine Aufweitung der Auftrefffläche. Damit wird die für die Verdampfung notwendige Leistung großflächiger in das Verdampfungsgut einge­ bracht, was zu einer gleichmäßigeren Durchwärmung führt und sich günstig auf die Prozeß­ führung auswirkt. Das Patent DE 39 21 040 A1 und ["Elektronenstrahltechnologie", Schiller/Heisig/Panzer, Verlag Technik Berlin 1976] zeigen z. B. den dabei zur Anwendung kommenden Stand der Technik.

Für schmelzflüssige Materialien erweist sich diese Verfahrensweise oftmals ausreichend, da der Materialvorrat immer wieder zu einer sich nur geringfügig ändernden Oberfläche zu­ sammenfließt. Die Situation ist jedoch anders bei sublimierenden Materialien, da dort der Materialvorrat im festen Zustand verbleibt. Der Fluß abgetragener Teilchen wird nur von Substanz gespeist, die sich am Auftreffort des Strahles befindet. Es kommt zwangsläufig zu einer Kraterbildung, die ständig die Gestalt der Oberfläche des Materialvorrates ändert. Damit ist eine ständige Veränderung der Abtragsbedingungen verbunden, was für einen stabilen Prozeßablauf eine ständige Nachführung der Prozeßparameter, insbesondere der Verdampferleistung, bedingt. Eine Kraterbildungskompensation durch Aufweitung des Teil­ chenstrahls am Auftreffort führt bei gleicher Abdampfrate zu einer erhöhten Wärmestrah­ lung, die den Gesamtprozeß störend beeinflussen kann.

Die vorliegende Erfindung bezweckt oben genannte Nachteile dadurch zu kompensieren, daß durch eine geeignete Steuerung (in der Regel mittels Computer) ein durch eine schnelle Bewegung im oben aufgezeigten Sinne aufgeweiteter Teilchenstrahl mittels einer langsamen Bewegung, langsam gegenüber der thermischen Trägheit des Zielobjektes, ständig so nach­ geführt wird, daß im längerzeitlichen Mittel ein gleichmäßiger Abtrag der gesamten Ober­ fläche des Materialvorrates erfolgt. Gleichzeitig wird es somit, bei geeignet gewählter Ge­ schwindigkeit der langsamen Bewegung, möglich, den Strahl auf ein Maß zu fokusieren, wie es ohne ständige Nachführung des Abtragpunktes nicht gelingt. Damit verbunden ist eine bei einer gegebenen Abtragsrate verkleinerte Auftrefffläche, die sich auf Sublimations­ temperatur befindet. Das führt schließlich zu einer Verringerung der vom Materialvorrat ausgehenden Wärmestrahlung.

Die einfachste Realisierung der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine dem Stand der Technik entsprechende Verdampfereinrichtung mit einer zusätzlichen Steuerung auszurüsten, die die ständige Verschiebung der Strahlposition übernimmt.

Im Falle der Wobbelung wird ein magnetisches Ablenksystem benutzt. Dieses besteht vor­ teilhafterweise aus zwei zueinander senkrecht wirkenden Komponenten. Die Ablenksysteme werden mit einem einstellbaren Gleichstrom zur Strahlpositionierung und einem überlager­ ten Wechselstrom zur Aufweitung der Auftrefffläche angeregt. Für die obengenannte Aus­ nutzung der thermischen Trägheit reicht meist die Netzfrequenz (50 Hz) aus, so daß z. B. die Einspeisung eines netzfrequenten Wechselstromes in beide Ablenksysteme mit einer Phasenverschiebung von 90° zueinander eine ellipsen- (kreis-) förmige Aufweitung des Auftreffortes bewirkt. Erfindungsgemäß werden nun die Positionierungsgleichströme durch die zusätzliche Steuerung langsam so verändert, daß sich der gewünschte Materialabtrag ergibt. Im einfachsten Falle wird dies wiederum eine kreis- bzw. ellipsenförmige Bewegung sein.

Im Anspruch 2 ist aufgezeigt, daß sich das genannte Ziel, des im zeitlichen Mittel gleich­ mäßigen Abtrages, natürlich auch durch eine komplexere Bewegung erreichen läßt, die sich nicht durch die Überlagerung zweier einfacher Bewegungen beschreiben läßt.

Entsprechend Patent (DE 39 23 899) und (OS 3442207) sind z. B. Verfahren bekannt, die die zur Steuerung des Teilchenabtrages bestimmten Prozeßgrößen messen. Meist wird dabei eine Größe gemessen und darüber die Prozeßleistung gesteuert. Als Meßgrößen sind u. a. die erreichte Abscheiderate bei Beschichtungsprozessen, die Sekundärionenausbeute am Zielobjekt oder thermische Strahlungsmessungen üblich. In Kombination mit der vorliegenden Erfindung kann entsprechend den Ansprüchen 7 und 8 eine geregelte Steue­ rung für den Abtrag des Materialvorrates aufgebaut werden. In einem die Steuerung über­ nehmenden Computersystem kann während der langsamen Bewegung eine der Meßgrößen, oder falls ein (Rate-) Regelsystem mitläuft, die Stellgröße, an jedem Punkt der langsamen Bewegung gespeichert werden. Bei entsprechender Gestaltung des Weges der langsamen Bewegung steht dann dem Computer nach hinreichend langer Zeit ein Überblick bezüglich der gewählten Meßgröße über den gesamten Materialvorrat zur Verfügung. Da der Ab­ tragszustand (Kraterbildung) in irgendeiner Weise alle genannten Meßgrößen beeinflußt, steht damit eine indirekte Aussage über den Abtragszustand zur Verfügung, die zur Opti­ mierung des Fahrweges für den nächsten Durchlauf genutzt werden kann. Sich bildende Krater führen z. B. zu einer Vergrößerung der Oberfläche, die dann die Wärme besser ab­ führt. Daraus resultiert eine für die eigentliche Sublimation geringere Wärmezufuhr, was wiederum die Rate senkt.

Entsprechend Patent (DE 35 38 857 A1) kann über ein (Infrarot-) Bildverarbeitungssystem zu jedem Zeitpunkt der langsamen Bewegung ein Gesamtüberblick über den Materialvorrat gewonnen werden. Gemäß Anspruch 6 läßt sich natürlich auch daraus der weitere Fahrweg optimieren.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung des Teilchenabtrages von einem Zielobjekt, insbesondere durch einen Strahl geladener Teilchen, vorzugsweise einen Elektronenstrahl, gekennzeichnet da­ durch, daß der Auftreffpunkt auf dem Zielobjekt mit zwei überlagernden Bewegungen un­ terschiedlicher Geschwindigkeit geändert wird, wobei die eine Bewegung den Auftreffort schnell gegenüber der thermischen Trägheit des Zielobjektes ändert, so daß die dabei über­ strichenen Gebiete als gleichzeitig erhitzt betrachtet werden können und die zweite Bewe­ gung den Auftreffort langsam gegenüber der thermischen Trägheit des Zielobjektes ändert, so daß die dabei überstrichenen Gebiete als in zeitlicher Folge erhitzt betrachtet werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Ort des Auftreffpunktes durch mehr als zwei überlagerte Bewegungen geändert wird und deren Geschwindigkeiten in verschiedener Relation zur thermischen Trägheit des Zielobjektes liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Teilchenabtrag aus dem festen Zustand durch Sublimation erfolgt und durch die überlagerten Bewegungen ein definierter Abtrag des Materialvorrates erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Teilchenabtrag aus dem schmelzflüssigen Zustand durch Verdampfen erfolgt und durch die überlagerten Bewe­ gungen eine definierte Erwärmung des gesamten Schmelzgutes erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die schnelle Bewegung durch Überlagerung der Stellgrößen der langsamen Bewegung mit in Amplitude, Phase und Frequenz veränderlichen Wechselgrößen erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die gegenüber der ther­ mischen Trägheit schnelle Bewegung durch die Aufweitung des Teilchenstrahles mittels De­ fokussierung ersetzt wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß zur Steuerung der langsamen Bewegung(en) mit geeigneten Sensoren das Abtragsbild des Zielobjektes erfaßt wird und daraus Informationen für die weitere Bewegungsstrategie der langsamen Bewe­ gung(en) gewonnen werden.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß längs des Weges der langsamen Bewegung(en) eine oder mehrere Informationen über den aktuellen Abtragszu­ stand des Zielobjektes gewonnen werden, diese rechentechnisch gespeichert werden und so Informationen über den Abtragszustand des gesamten Zielobjektes vorliegen, die der weiteren Steuerung der langsamen Bewegung(en) dienen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß während der langsamen Be­ wegung(en) am aktuellen Abtragspunkt laufend Aussagen über die Zusammensetzung bzw. den Verunreinigungsgehalt des Dampfstromes gewonnen werden, die zur Steuerung der langsamen Bewegung(en) dahingehend genutzt werden, daß für den weiteren Prozeß die Zusammensetzung des Dampfstromes beeinflußt werden kann.