HU190855B

HU190855B - Device for working solid samples by ion beam and ion source to the device

Info

Publication number: HU190855B
Application number: HU833520A
Authority: HU
Inventors: Arpad Barna; Gyoergy Reisinger; Lehel Zsoldos
Original assignee: Mta Mueszaki Fizikai Kutato Intezete,Hu
Priority date: 1983-10-12
Filing date: 1983-10-12
Publication date: 1986-11-28
Also published as: EP0267481B1; EP0141272A1; DE3475988D1; ATE54775T1; DE3482778D1; EP0267481A3; ATE39785T1; DD220454A5; EP0267481A2; EP0141272B1; HUT36612A

Description

A találmány tárgya berendezés anyagminták ionsugaras megmunkálására, vagy felületi rétegének eltávolítására, amely kis átmérőjű (<? 1 mm) és nagy áramsűrűségű ionnyaláb előállítására alkalmas ionforrással van ellátva. Ugyancsak tárgya a találmánynak a berendezéshez alkalmazható ionforrás.

A transzmissziós elektronmikroszkópos minták előállítására az ionsugaras porlasztást az 1960-as években kezdték alkalmazni (H. Dücher und W. Schlette: Über die Herstellung von durchstrahlbaren Metallfoliden durch lonenátzung. Coll. Int. du C. N. R. S. Nr. 1113, 83-90 Bellevue [1962].). Az eljárásról és vékonyító elrendezésekről H. Bach: Die Anwendbarkeit desIonenstrahlátzens bei dér Práparation für die Elektronenmikroskopie (G. Schimmel, W. Vogell: Methodensammlung dér Elektronenmikroskopie, Wiss. Verlag. MBH, Stuttgart 1970., 2. 4. 2. 1. pont) című, illetve J. Francks: Ion Beám Technology Applied to Electron Microscopy, (Advances in Electronics and Electron Physics, Vol. 47. Ed. L. Marton: Acad. Press, New York 1978. 1-48 old.) című összefoglaló munkáiból nyerhetünk jó tájékoztatást.

Az ismert berendezések közös jellemzője, hogy a vékonyítandó anyagminta két oldalán két egymással szemben álló, egymáshoz képest rögzített elhelyezésű ionforrást alkalmaznak, amely ionforrások az ugyancsak rögzített elhelyezésű, síkjában forgó mintatartó egy érintője körül együttesen elfordíthatóak. így lehetőség nyílik arra, hogy a mintát egyidejűleg mindkét oldaláról, akár az optimális porlódási sebességgel (kb. 70° szögben), vagy az optimális polírozási szöggel (kb. 85°) vékonyítsák. A vékonyítás folyamatát egy, a porlasztó téren kívül elhelyezkedő, optikai mikroszkóppal figyelik meg. Gyakran alkalmaznak lézeres, vagy más automatikus folyamat Ieállítót is. A berendezések ionforrásaként üreges anódú forrásokat (pl. C. G. Crockett: A glow discharge ion gun fór etching, Vacuum 23, 11-13 [1973].), vagy mágneses térrel kombinált tükörkatódos forrásokat (pl. D. J. Barber: Thin Foils of Non-Metals Made fór Electron Microscopy by Sputter-Etching, J. of Materials Sci. 5, 1-8 [1970].), vagy nyeregteres elektrosztatikus forrásokat tartalmaznak (pl. J. Franks: A saddle field ion source of spherical configuration fór etching and thinning applications, Vacuum 24, 489-491 [1974].) A viszonylag nagy (^ 1 mm) ionsugárátmérő miatt, az ismert berendezésekkel elérhető porlasztási sebesség kicsiny (pl. Si-ra lO/tm/óra).

Az ionforrások egymáshoz képesti rögzített elhelyezése, valamint a mintatartó rögzített volta további hátrányos következményekkel jár.

a) A mintatartó rögzített volta azt eredményezi, hogy a hátoldal porlódásának előrehaladása a megfigyelő mikroszkóppal nem ellenőrizhető.

b) A források egymáshoz, és közös forgási síkjuknak a mintatartóhoz való rögzítettsége miatti nehézségek: - A források működése közben fellépő töltődések a kilépő ionsugarakat eltérítik a mechanikai centrálisi tengelyből, így az ionsugár nem a kívánt helyen támadja a mintát. Ezt kompenzálja az, hogy az ionsugár átmérője viszonylag nagy, de ez a megoldás károsan növeli a mintában bekövetkező sugárkárosodást és a minta hőterhelését.

- A félvezető technikában, a vékonyréteg vizsgálatoknál stb. igen gyakori az, hogy a mintát csak egyik oldala felől szabad vékonyítani. A rögzített forrás elrendezés miatt, ilyen esetben az egyik ionforrást ki kell kapcsolni, amely a vékonyítási idő megnövekedését vonja maga után.

A találmány célja a fenti hátrányok kiküszöbölése és olyan megoldás létrehozása, amely polírozási tulajdonságait tekintve előnyösebb az eddigieknél.

A találmány tehát egyrészt berendezés szilárd anyagú minták ionsugaras megmunkálására, célszerűen vékonyítására, amely berendezésnek vákuumtérben elhelyezett, a megmunkálandó mintát tartó mintatartója és legalább két ionforrása van, ahol a mintatartó és az ionforrások egymáshoz képest központi forgástengely körül elfordíthatóan vannak ágyazva. A berendezést jellemzi, hogy a mintatartó és az ionforrások egymástól függetlenül, további forgástengelyek körül elfordíthatóan és ezek mentén eltolhatóan vannak ágyazva.

A találmány segítségével az optimális üzemeltetési geometria biztonságosan és könnyen beállítható, ill. működés közben korrigálható. Ilyen körülmények között ionsugaras vékonyításnál érdemes már az ionsugár átmérőjét 0,1 mm-nél kisebbre választani úgy, hogy az a például 87°-os közel súrlódó beesés esetén se lógjon túl a vékonyítandó területen. Ezzel együtt viszont a gyorsabb vékonyítás érdekében az áramsűrűség akár 20 A/ cm²-ig is növelhető a minta és mintatartó jelentős felmelegedése nélkül.

A találmány tárgya továbbá egy javított ionforrás, amely azon a felismerésen alapul, hogy az ionforrásba bevezetett gázt ionizáló szekunder elektronok nagyon hatásosan fókuszálhatok két, egymással szembefordított, önmagában ismert, ún. Steigerwald-féle elektronágyúnak megfelelő elektródrendszerrel. (K. H. Steigerwald: Optik 5,469, [1947].)

A találmány szerinti ionforrás alkalmas nagy áramsűrűségű, kis átmérőjű ionsugár előállítására, és közepén nyílással ellátott anódja, az anód két oldalán pedig üreges katódja van, és az jellemzi, hogy az üreges katód mindkét része az anód felőli oldalán szűkülettel, másik oldalán pedig az anód felé benyúló, célszerűen kúpos résszel van ellátva.

A találmányt a továbbiakban a rajzokon szemléltetett előnyös kísérleti alakok alapján ismertetjük, ahol az

1. ábra a találmány szerinti berendezés kinematikai vázlata, a

2. ábra a berendezés forgóbevezetőjének nézeti rajza, a

3. ábra a 2. ábra A-A vonala mentén vett metszeti rajz,a

4. ábra a berendezés mintatartójának nézeti rajza, az

5. ábra a 4. ábra B-B vonala mentén vett metszeti rajz,a

6. ábra a találmány szerinti ionforrás egy kinézeti alakjának metszeti rajza.

190.855

A találmány szerinti berendezés egy lehetséges kinematikai vázlatát az 1. ábrán mutatjuk be. A vákuumtérben elhelyezkedő független 11 és 12 ionforrásokat az 1 forgóbevezető tartja a rajta elhelyezett további 2, 3 és 4 forgástengelyek közbeiktatásával. A megmunkálandó 5 minta befogadására szolgáló 6 mintatartót egy ugyancsak a vákuumtérben elhelyezett 7 motor forgatja saját síkjában, az 1 forgóbevezető forgástengelyére merőleges tengely körül, és az egész forgatható az 1 forgóbevezető forgástengelyével egybeeső 8 forgástengely körül is. A mintatartó alatt kis 9 fényforrás van elhelyezve, felette pedig 10 mikroszkóp, amellyel az ionbombázás hatása működés közben is megfigyelhető.

A mintát érő ionsugarak támadáspontjának helyét úgy lehet változtatni, hogy az II és 12 ionforrásokat a 2 és 4 tengelyek körül kissé elforgatjuk, vagy ezek mentén kissé eltoljuk, az II és 12 ionforrások hajlásszögének változtatásához pedig az 12 ionforrást mozgatjuk a 3 és 4 tengelyek körül, ellentétes irányban való forgatással. Végül az ionsugarak beesési szögének változtatása akár az 1 forgóbevezető forgatásával, akár a 6 mintatartónak a 8 forgástengely körüli forgatásával történhet meg.

Az 1 forgóbevezető egyik lehetséges kiviteli alakját a

2. és 3. ábra mutatja. Az 1 forgóbevezető 11 teste, a vákuumtömítést biztosító 12 O-gyűrű és a 13 teflon alátét közbeiktatásával, a 14 menetes gyűrű segítségével van rögzítve a vákuumkamra 15 falához, elfordíthatóan. All test két excentrikus furata közül a nagyobbikba, az előbbiekhez hasonló módon egy 16 betét van illesztve, ugyancsak forgathatóan, amelyen ismét excentrikusán egy újabb furat van. Ez a betét képezi a 3 forgástengelyt. A két kis furatban helyezkednek el az ionforrások 2 és 4 forgástengelyei, amelyek tartalmazzák a hűtővíz és az ionforrásokba juttatandó gáz bevezetésére szolgáló három-három furatot is. A 16 betét, ill. a 4, tengely végén lévő a 17., ill. 18. menetes gyűrű, a csakúgy, mint a 14 gyűrű egyben a tömítő gyűrűkre ható szorítás szabályozására is szolgál. All test, ill. a 16 betét és a 2, 4 tengelyek a 19, ill. 20 és 21,22 karok segítségével kívülről szabadon forgathatók.

A 2 tengely végén egy további 23 menetes gyűrű van, amely all testre támaszkodik. Forgatásával a 2 tengely önmagával párhuzamosan eltolható. A 4 tengely eltolását az alább ismertetendő eltolható mintatartó feleslegessé teszi.

A minta befogadására szolgáló 6 mintatartó egy lehetséges kiviteli alakját a 4. és 5. ábTán mutatjuk be. A 7 motor a 24 fészekben forgó 25 fogazott gyűrűt hajtja. Az ehhez rögzített 26 és 27 tartólemezek között helyezkedik el a 28 betétlemez a vékonyítandó 5 minta befogadására alkalmas 29 süllyesztékkel. A 26 tartólemez úgy van kialakítva, hogy a 28 betétlemez a 27 tartólemezen lévő négy 30 furaton keresztül, minden irányban eltolható, így mikroszkóp alatt a vékonyítandó 6 minta bármely pontja a forgásközéppontba beállítható.

A fenti módon kialakított lapos (kb. 1,5 mm vastag) mintatartó mindkét oldalról lehetővé teszi a normálishoz képest például 87°-os döntési szögű ionbombázást.

A 6 mintatartó 26, 27 tartólemezeinek és 28 betétlenjezének anyaga előnyösen titán, amely az ionsugár hatására csak kismértékben porlódik és további előnyös tulajdonsága, hogy láthatóvá teszi az ionok becsapódási helyét, mivel a Ti az Ar-ionsugár hatására látható fényt bocsát ki. Az ionforrás egyik lehetséges kiviteli alakjának hosszmetszetét a 6. ábra mutatja.

A földpotenciálon lévő forgásszimmetrikus fókuszáló elektródrendszer egymással szembeforduló 31 és 32 katódrészei között helyezkedik el a közös 33 anód, amelyen a.mintaoldali ionáram növelése érdekében, aszimmetrikus kúpos 34 anódfurat van.

A katódrendszer gyorsan porlódó elemei az ionforrás teljes szétszedése nélkül cserélhetők. Hasonlóképpen cserélhető az anód középső része is. Ennek 35 tartógyűrűje a 36 porcelán szigetelők közbeiktatásával van a ház 37 alaplapjához rögzítve. A ház a könnyebb karbantartás érdekében három részből van kialakítva. Ezek közül a 38 középső rész van rögzítve az egész ionforrást tartó a 39 hűtővíz csőhöz, a 40 menetes gyűrűvel, és ehhez csatlakozik a 41 gázbevezetés is. A 42 nagyfeszültségű csatlakozót is tartó 37 alaplap az anódszerelvénnyel együtt kicsavarható. Hasonlóan kicsavarható a kilépő oldali 31 katódrészt tartó 43 fedőlap is.

Az elvégzett kísérletek szerint az így előállított ionforrásban kis átmérőjű és nagy áramsűrűségű ionizált csatorna keletkezik és ennek következtében a kilépő ionsugár is kis átmérőjű, alig széttartó, és a szükséges áramsűrűség könnyen biztosítható (pl. Si-ra az 50 μηη/óra körüli sebesség eléréséhez).

A kilépő nyílás után elhelyezett, a rajzokon nem ábrázolt, eltérítő elektródákkal pásztázó ionforrás is megvalósítható. A tényleges vékonyító ionáram a szigetelt mintatartón, vagy az ezzel arányos ionáram érték a bármelyik oldalon elhelyezhető felfogó elektród segítségével mérhető.

A találmány szerinti megoldás eredményeképpen a berendezés az alábbi előnyös tulajdonságokkal rendelkezik:

a) Az II és 12 ionforrás a mintákhoz és egymáshoz képest elfordítható és egymástól függetlenül centrálható. Ez lehetővé teszi, hogy

- a két szembeforduló ionforrás akár az első és hátsó oldalról egyidejű működtetés mellett vékonyítsa a mintát;

- az ionforrásokból kilépő keskeny, nagy áramsűrűségű ionsugár célszerű felhasználásával a mintát, érintősíkjához képest kis szögben történő bombázásnál is csak a megfelelő helyen érje az ionsugár, így a nagy leporlasztási sebesség mellett kismértékű marad a minta sugárterhelése;

- a két szembeforduló ionágyúval, egy oldalról vékonyított mintánál, a mintatartó forgási középpontját az ionsugarak támadási pontjához képest eltolva, a mintába egy gyűrűtartományt marhatunk (egy forrás esetén ez felületi maratási szerkezet megjelenésével jár, amely a transzmissziós elektromikroszkópos vizsgálatra zavaróan hat).

b) A mintatartó az ionágyúra merőleges irányban eltolható. és tengelye mentéfi forgatható, továbbá a min3

190.855 tatartón belül a vékonyítandó minta forgási középpontja beállítható. Ez lehetővé teszi:

- a minta hátoldali porlódásának ellenőrzését optikai mikroszkóppal.

- az említett gyűrűtartomány maratási lehetőségével együtt, illetve az ionsugár intenzitáseloszlásának figyelembe vételével, viszonylag nagy átmérőjű (= 0,5 mm), transzmissziós elektronmikroszkópos vizsgálati tartomány kialakítását.

- a mintán nem szükségképpen középen lévő, előre kiválasztott terület vékonyítását (célpreparáció).

c) Az ionsugár hatására világító mintatartó lehetővé teszi az ionágyúk, illetve a mintatartó helyzetének pontos beállítását, illetve a töltéshatásokra bekövetkező ionsugár-elcsúszások üzem közbeni gyors korrigálását.

Claims

Szabadalmi igénypontok

1. Berendezés szilárd anyagú minták ionsugaras megmunkálásához, célszerűen ezek vékonyítására, amelynek vákuumtérben elhelyezett, a megmunkálandó mintát tartó mintatartója és legalább két ionforrása van, és ahol a mintatartó és az ionforrások egymáshoz képest központi forgástengely körül elfordíthatóan vannak ágyazva, azzal jellemezve, hogy a mintatartó (6) és az ionforrások (II és 12) egymástól függetlenül további forgástengelyek (8, illetve 2 és 4) körül elforgathatóan és ezen forgástengelyek (8, 2, 4) mentén eltolhatóan vannak ágyazva.
2. Az I. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja azzal jellemezve, hogy a mintatartónak (6) legalább a mintát (5) közvetlenül körülvevő része titánból van.
3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az ionforrások (II, 12) forgástengelyei (2, 4) párhuzamosak és a vákuumteret határoló fal egy közös forgóbevezetőjén (1) vannak ágyazva.
4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti berendezés
5 kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a mintatartó (6) a forgóbevezető (1) tengelyével egybeeső forgástengely (8) körül elfordíthatóan és annak mentén eltolhatóan van ágyazva.

10 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a mintatartót (6) saját síkjában forgató szerkezete van, és a mintatartó (6) a minta (5) forgásközéppontját változtat1 g ható módon van kialakítva.
6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az ionforrások (11,12) a kilépő ionsugarat eltérítő, vezérelhető rendszerrel vannak ellátva.

20
7. Ionforrás nagy áramsűrűségű, kis átmérőjű ionsugár előállítására, különösen az 1. igénypont szerinti berendezéshez, amely ionforrásnak közepén nyílással ellátott anódja és az anód két oldalán elhelyezett üreges katódja van, azzal jellemezve, hogy az üreges katód mindkét része (31, 32) az anód felőli nyitott oldalán szűkülettel (44), másik oldalán pedig az anód (33) felé benyúló, célszerűen kúpos résszel (45) van ellátva.

30
8. A 7. igénypont szerinti ionforrás kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az anódnak (33) a kilépő oldalon lévő katódrész (31) felé táguló kúpos középponti furata (34) van.
9. A 7. vagy 8. igénypont szerinti ionforrás kiviteli

35 alakja, azzal jellemezve, hogy az ionforrás kilépő oldalán lévő katódrésznek (31) befelé szélesedő kilépő nyílása (46) van.
10. A 7-9. igénypontok bármelyike szerinti ionforrás ki40 viteli alakja, azzal jellemezve, hogy a kilépő oldali katódrész (31) után egy, vagy több eltérítő elektród van elhelyezve.

4 db rajz

Kiadja az Országos Találmányi Hivatal A kiadásért felel: Himer Zoltán osztályvezető Megjelent a Műszaki Könyvkiadó gondozásában Készült a Borsodi Nyomdában