DE69019741T2

DE69019741T2 - Ionenstrahlkanone.

Info

Publication number: DE69019741T2
Application number: DE69019741T
Authority: DE
Inventors: Keith Bayliss; Mervyn Davis; Gary Proudfoot
Original assignee: Nordiko Ltd; UK Atomic Energy Authority
Current assignee: Nordiko Technical Services Ltd
Priority date: 1989-03-06
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2010-03-07
Also published as: JPH04504025A; EP0462165A1; JP2648235B2; WO1990010945A1; DE69019741D1; US5198718A; EP0462165B1; GB8905073D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Ionenkanone zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Ionenstrahlbehandlung und eine Vorrichtung zur lonenstrahlbehandiung, in der eine solche eingebaut ist.
Im Stand der Technik gibt es verschiedene Vorschläge zur Verwendung von Breitstrahl- Ionenquellen zur Oberflächenbearbeitung von Substraten, entweder durch Sputter- Ablagerung, Sputter-Ätzen oder Fräsen. Solche Breitstrahl-Ionenquellen verwenden eine Vielfachöffnungs-Ionenoptik, und ihr Durchmesser ist typischerweise von ungefähr 25 mm bis zu ungefähr 500 mm.
Bei einer typischen Ionenstrahlquelle (oder lonenkanone) wird eine Plasma durch Einlaß eines Gases oder Dampfes in eine Unterdruck-Entladungskammer erzeugt, die eine geheizte Kathode und eine Anode enthält, die zum Entfernen von Elektronen von dem Plasma und zum Erzeugen eines Überschusses an positiv geladenen Ionen dient, die durch ein Abschirmgitter oder mehrere Gitter in eine Target-Kammer gelangen, die auf einen niedrigeren Unterdruck als die Entladungskammer abgepumpt ist. In der Entladungskammer werden Ionen durch Elektronen-Aufprallionisation gebildet und bewegen sich innerhalb des Gehäuses der Ionenkanone durch die thermische Zufallsbewegung. Das Plasma weist somit ein positives Plasmapotential auf, das höher ist als das Potential von jeder anderen Fläche, mit der es in Berührung kommt. Verschiedene Gitteranordnungen können verwendet werden, wobei deren Potentiale individuell gesteuert sind. Bei einem Vielfachgitter-System weist das erste Gitter, auf das die Ionen treffen, gewöhnlicherweise eine positive Vorspannung auf, während das zweite Gitter eine negative Vorspannung aufweist. Ein weiteres Gitter kann verwendet werden, um die Ionen, die von der Ionenquelle her kommen, so abzubremsen, daß ein gebündelter Ionenstrahl mit mehr oder weniger einheitlicher Energie geschaffen wird. Hochstrom-Ionenkanonen, die Ionenenergien in dem Bereich bis zu 1.500 V (Volt) liefern, finden als Gattungsart weite Anwendung in der Dünnfilm-Technologie. Zum Ionen-Sputtern wird ein Target in der Targetkammer dort angebracht, wo es durch den Ionenstrahl gewöhnlich tangential getroffen werden kann, und das Substrat, auf dem Material aufgesputtert werden soll, wird in einer Position angeordnet, in der das gesputterte Material auf es auftreffen kann. Wenn Sputter-Ätzen oder Fräsen durchgeführt werden soll, wird das Substrat in dem Ionenstrahl-Weg angeordnet.
Daher trifft ein Ion in einer typischen Ionenkanone, das eine Vielfachöffnungs- Extraktionsgitteranordnung erreicht, zuerst ein Gitter mit positiver Vorspannung. Dem Gitter ist eine Plasmaumhüllung zugeordnet. über diese Umhüllung fällt die Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und dem Gitter ab. Dieses Beschleunigungspotential zieht Ionen in den Umhüllungsbereich zu dem ersten Gitter an. Jedes sich durch eine Öffnung in diesem ersten Gitter bewegende Ion, das den Raum zwischen dem ersten, positiv vorgespannten Gitter und dem zweiten, negativ vorgespannten Gitter eintritt, wird in dem starken elektrischen Feld kräftig beschleunigt. Wenn das Ion durch die Öffnung in dem zweiten Gitter hindurchtritt und auf das geerdete Target zufliegt, bewegt es sich durch ein Abbremsfeld. Das Ion erreicht dann ein geerdetes Target mit einer Energie gleich der Spannung des ersten, positiven Gitters plus dem Umhüllungspotential.
Auch wenn solche bekannten Ionenstrahlquellen in zufriedenstellenderweise mit Inertgasen arbeiten, ist die Lebensdauer der Kathode stark begrenzt, wenn ein reaktives Gas, beispielsweise Sauerstoff, Fluor oder Chlor, dem Inertgas, das zur Erzeugung des Plasma verwendet wird, zugesetzt wird oder dieses ersetzt. Aus diesem Grund ist die Verwendung von solchen Ionenstrahlquellen mit reaktiven Gasen unbefriedigend.
Eine Übersicht über Breitstrahl-Ionenquellen ist enthalten in "Technology and applications of broad-beam ion sources used in sputtering. Part I. Ion Source technology" by H.R. Kaufman, J.J. Cuomo, and J.M.E. Harper, J. Vac. Sci. Technol, 21(3), Sept./Okt. 1982, Seiten 725 bis 736. Der zweite Teil dieses überblicks, nämlich "Part II. Applications" by J.M.E. Harper, J.J. Cuomo, and H.R. Kaufman erschien in dem gleichen Journal direkt folgend auf den Teil I, auf Seiten 737 bis 755. Die gleichen Autoren veröffentlichten eine weitere Veröffentlichung "Developments in broad-beam, ion-source technology and application" in der gleichen Ausgabe des gleichen Journals auf Seiten 764 bis 767. Ein neuerer Bericht von Harold R. Kaufman erschien unter dem Titel "Broad-beam ion sources : Present status and further directions", J.Vac. Sci Technol. A 4(3), Mai/Juni 1986 auf Seiten 764 bis 771.
Die Verwendung eines kapazitiv angekoppelten Hochfrequenz-Entladungsplasma zur Erzeugung von Ionenstrahlen wurde durch C. Lejeune et al vorgeschlagen in einer Veröffentlichung "RF multipolar plasma for broad and reactive ion beams", Vacuum, Band 36, Nrn. 11/12 (1986), Seiten 837 bis 840 und in der EP-A-0200651.
Eine weitere Form von Hochfrequenz-Breitbandionenquellen mit magnetischer 5Einschnürung unter Verwendung einer Multipol-Anordnung mit Magneten, die mit abwechselnden Nord- und Südpolen in Richtung des Plasmas angeordnet sind, wurde durch R. Lessy und J. Engemann in Veröffentlichungen beschrieben, mit dem Titel "Rf-broad-beam ion source for reactive sputtering", Vacuum, 36, Nrn. 11/12, Seite 973 bis 976 (1986) und "Characterization of a reactive broad beam radion frequency ion source", J. Vac. Sci. Technol. B6 (1), Jan/Feb 1988, Seiten 284 bis 287.
Plasmaerzeugung mittels Hochfrequenz-Erregung beruht auf der Fähigkeit von Elektronen, auf das Hochfrequenzfeld zu reagieren, und der Unfähigkeit dazu für Ionen aufgrund ihrer verhältnismäßig hohen Trägheit. Daraus resultierend werden Elektronen von den Gasmolekülen abgestreift. Die Elektronen werden dann durch die magnetischen Einschnürungsspitzen eingefangen, die durch die abwechselnden Nord- und Südpole gebildet werden, die in Richtung des Plasmas weisen, wodurch ein positiv geladenes Plasma in dem Mittenabschnitt der Plasma-Erzeugungskarnmer zurückbleibt. Da bekannte Konstruktionen unter Verwendung von Hochfrequenz-Kapazitätserregung hohe Plasmapotentiale in der Größenordnung 200 bis 300 V erzeugen, werden die Ionen sehr schnell in Richtung des ersten Gitters beschleunigt und treffen mit hoher Energie auf dieses, wodurch es aufgeheizt wird und möglicherweise ein Sputtern des Gittermaterials verursacht, was wiederum eine Kontamination in dem herausgeführten Ionenstrahl verursachen kann.
Die JP-A-62-63179 zeigt eine Hochfrequenz-Ionenquelle mit einer Plasmakammer 2 die mit einer spiralgewickelten Spulen umgeben ist. Die Kammer 2 muß zur Funktionsfähigkeit der Ionenquelle vollständig aus einem dielektrischen Material gefertigt sein. Es sind auch drei Elektroden 3,4 und 5 gezeigt, wobei die Elektrode 3 mit einem positiven Batterie-Anschluß und die Elektrode 4 mit einem negativen Anschluß verbunden ist und die Elektrode 5 auf ein Potential zwischen den Potentialen der Elektroden 3 und 4 vorgespannt ist.
Der Zweck des Einbaus der Hochfrequenz-Spule 11 in der Vorrichtung gemäß der JP- A-62-63179 soll folgender sein: "Um die in der Mitte einer Elektrode erzeugte Plasmamenge zu vergrößern und die Homogenität des Plasmas zu verbessern,...". Indessen wäre die Verwendung solch einer HF-Induktionsspule alleine kein wirksamer Weg der Ionisierung des Gases in der Plasmakammer und würde eine Erzeugung großer Mengen "heißer" Elektronen ergeben. Diese würden gegen die Wände der Plasmakammer stoßen, die daher sehr heiß werden würde. Daher könnte sie nicht über größere Zeitdauern betrieben werden. Darüberhinaus wäre die Wartung der Vorrichtung schwierig.
Eine andere Konstruktion von Ionenstrahlquellen, bei denen eine induktiv gekoppelte Hochfrequenz-Spannungsquelle zur Erregung eines Gasmediums in einen Plasmazustand und zur Erzeugung von atomaren Ionen anstatt molekularen Ionen verwendet wird, ist in der GB-A-2162365 beschrieben. Bei dieser Konstruktion ist eine Quarzkammer in Form eines Glockengefäßes von einer Spule umgeben, die sowohl mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle als auch mit einer zweiten Spannungsquelle verbunden ist, die mittels Spulen von der Hochfrequenz-Spannungsquelle isoliert ist und ein gleichförmiges Solenoidmagnetfeld in dem Bereich des größeren Abschnitts der Kammerwand erzeugt. Eine Metallplatte verschließt das normalerweise offene Ende des Glockengefäßes mit Ausnahme eines kleines Austrittsloches für Ionen, die durch die Quelle erzeugt wurden, und dient als eine Extraktions-Elektrode. Im Betrieb kann die Kammerwand eine Temperatur von ungefahr 600ºC erreichen. Auch wenn diese Ionenquelle vernünftigerweise in zufriedenstellender Weise bei Frequenzen von ungefähr 2 MHz arbeitet, eignen sie sich nicht zum Betrieb bei höheren, kommerziell erwünschten Frequenzen, wie beispielsweise 13,56 MHz oder ein Vielfaches davon.
Eine weitere Form einer Ionenquelle mit einer Solenoidspule, die die Kammer umgibt, in der ein Plasma erzeugt werden soll, wird in der GB-A-2180686 beschrieben.
Auch wenn herausgeführte Ionenstrahlen von allen Ionenquellen natürlicherweise raumladungsneutralisiert sind, kann indessen eine Stromneutralisierung bei einem isolierten Target nicht gewährleistet werden. Daher ist es bei Ionenstrahl-Verfahren die Schaffung eines überschusses an gemäßigt beschleunigten Elektronen neben den thermischen Elektronen wünschenswert, die immer vorhanden sind, um den notwendigen Elektronenfluß zu einem isolierten Target zu bringen, um eine Strom- Neutralisierung zu vollziehen. Somit wird eine Aufladung des Targets oder des Substrats vermieden. Mehrere Konstruktionen von Neutralisatoren wurden vorgeschlagen. Ein typischer Neutralisator verwendet eine Entladung in einer Hohlkathode, die entweder mit Quecksilberdampf gefüllt ist (für Raumausbreitungsanwendung) oder mit Argon (für andere Anwendungen) um eine Plasmabrücke zu bilden, die als eine Elektronenquelle dient. Diese Plasmabrücke breitet sich aus der Hohlkathode durch eine Öffnung mit kleinem Durchmesser aus, die in einer heißen Wolframspitze gebohrt ist, die normalerweise bei ungefähr 1.000ºC betrieben wird. Eine weitere Konstruktion eines Neutralisators, die ebenso eine heiße Kathode zur Erzeugung eines Plasmas mit Argon als plasmabildendem Gas verwendet, wurde in einer Veröffentlichung vorgeschlagen mit dem Titel "Electrostratic reflex plasma source as a plasma bridge neutralizer" durch C. Lejeune, J.P. Grandchamp und O. Kessi, Vacuum, Band 36, Nrn. 11/12, Seiten 857 bis 860 (1986). Eine weitere Beschreibung der Verwendung von Neutralisatoren findet man in den anderen oben zitierten Veröffentlichungen.
Ein Nachteil der Verwendung der herkömmlichen Konstruktion eines Neutralisators besteht darin, daß aufgrund der Verwendung von heißen Kathoden zur Erzeugung eines Plasmas ein inertes Gas oder ein Dampf verwendet werden muß, aus dem das Plasma erzeugt wird. Für gewisse Anwendungen, die die Verwendung eines reaktiven Gases beinhalten, kann die Einführung eines inerten plasmabildenden Gases, beispielsweise Argon, von Nachteil sein. Wenn indessen ein Neutralisator mit einer heißen Kathode mit einem reaktivem Gas versorgt wird, wird dies bald zu einer Zerstörung der Kathode führen.
Bei den bekannten hochfrequenzerregten Ionenkanonen wird ein Plasma in der magnetischen Einschlußkammer erzeugt. Zum optimalen Betrieb der Ionenkanone ist es wichtig, daß das Plasma, aus dem die Ionen beschleunigt werden, von hoher Dichte und so einheitlich wie möglich, sowie auf einem möglichst niedrigen Potential ist. Indessen können diese Ziele nicht mit den bekannten Konstruktion in zufriedenstellender Weise erfüllt werden.
Es ist wünschenswert, eine Ionenkanone zu schaffen, bei der das Plasma, von dem die Ionen durch das Beschleunigungsgitter beschleunigt werden, auf einem niedrigen Potential von nicht mehr als ungefähr 500 V und von gleichmäßiger Dichte ist, so daß hohe Stromdichten in der Größenordnung von 2 bis 5 mA/cm² in dem Ionenstrahl bei niedrigem Potential (d.h. weniger als 500 V) und mit möglichst geringem Zerstörungsrisiko des Beschleunigungsgitters beim Betrieb erreicht haben können.
Es ist wünschenswert, eine Ionenkanone zu schaffen, bei der das Plasma effizient unter Verwendung einer kommerziell annehmbaren Hochfrequenz erzeugt wird, beispielsweise 13,56 MHz oder ein Vielfaches davon, und bei dem das sich ergebende Plasma die gewünschten Eigenschaften aufweist, nämlich hohe Dichte, gute Gleichförntigkeit und ein verhältnismäßig niedriges Plasmapotential.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Ionenkanone zu schaffen, die so betrieben werden kann, daß die obigen Ziele im wesentlichen erreicht werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Ionenkanone vorgesehen zur Verwendung bei der Ionenstrahl-Behandlung, aufweisend (i) eine Plasmakammer, einer dielektrischen Wand an ihrem einen Ende und mit Elektroden an ihrem zweiten dem ersten Ende abgewandten Ende, wobei die Elektroden ein erstes Gitter, das zum Anschluß an eine positive Spannungsquelle angeordnet ist, und ein zweites Gitter aufweisen, das zum Anschluß an Masse oder eine negative Spannungsquelle angeordnet ist, so daß ein Beschleunigungsfeld zur Beschleunigung von Ionen in Richtung auf und durch das zweite Gitter erzeugt wird, und (ii) eine Hochfrequenz-Induktionsvorrichtung aufweisend eine im wesentlichen flache Spule, die in der Nähe der dielektrischen Wand liegt zur induktiven Erzeugung eines Plasmas in der Plasmakammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer einen leitfähigen, nichtmagnetischen Körper mit offenem Ende aufweist, dessen eines Ende durch ein flaches oder ein kaum gewölbtes dielektrisches Element verschlossen ist, und daß die Ionenkanone weiterhin eine erste Magnetvorrichtung aufweist, die um den Körper herum angeordnet ist, um beim Betrieb der Ionenkanone Elektronen in der Nahe der Wand der Plasmakammer einzufangen.
Die Erfindung sieht weiterhin vor eine Vorrichtung zur Ionenstrahlbehandlung mit:
(1) einer Vakuumkammer,
(2) einer Ionenkanone, die einen Ionenstrahl in die Vakuumkammer aussendet,
(3) einem Ionenstrahl-Neutralisator zur Aussendung von Elektronen in den Ionenstrahl, und
(4) einer Halterung bzw. einem Träger für ein Target oder ein Substrat in dem Ionenstrahlweg, wobei die Ionenkanone aufweist (i) eine Plasmakammer mit einer dielektrischen Wand an ihrem einen Ende und mit Elektroden an ihrem zweiten, dem ersten Ende abgewandten Ende, wobei die Elektroden ein erstes Gitter, das zum Anschluß an eine positive Spannungsquelle angeordnet ist, und ein zweites Gitter aufweisen, das zum Anschluß an Masse oder eine negative Spannungsquelle angeordnet ist, so daß ein Beschleunigungsfeld zur Beschleunigung von Ionen in Richtung auf und durch das zweite Gitter erzeugt wird, und (ii) eine Hochfrequenz-Induktionsvorrichtung aufweisend eine im wesentlichen flache Spule, die in der Nähe der dielektrischen Wand liegt zur induktiven Erzeugung eines Plasmas in der Plasmakammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer einen leitfähigen, nichtmagnetischen Körper mit offenem Ende aufweist, dessen eines Ende durch ein flaches oder kaum gewölbtes dielektrisches Element verschlossen ist, und daß die Ionenkanone weiterhin eine erste Magnetvorrichtung aufweist, die um den Körper herum angeordnet ist, um beim Betrieb der Ionenkanone Elektronen in der Nahe der Wand der Plasmakammer einzufangen.
Bei der erfindungsgemäßen Ionenkanone wird induktive Hochfrequenz-Kopplung zur Erzeugung eines Plasmas in der Plasmakammer verwendet. Das sich ergebende Plasma weist typischerweise ein Plasmapotential auf, das nicht mehr als einige 10 V über dem Potential der Plasmakammer oder dem höchsten Potential ihrer Innenfläche liegt. Dies steht im Gegensatz zu vielen bekannten Konstruktionen von Ionenkanonen, die kapazitive Hochfrequenz-Kopplung zur Erzeugung des Plasmas erzeugen und ein Plasma mit einem Plasmapotential von einigen 100 V erzeugen.
Die Wandeinrichtung kann aus einem elektrisch leitfahigen Material gebaut sein. Wenn es indessen beispielsweise zur Vermeidung jeglicher Kontamination des Ionenstrahls durch metallische Ionen-Kontamination erwünscht ist, kann die Wandvorrichtung aus einem dielektrischen Material gebaut sein.
Die erste Magneteinrichtung kann eine Magnetanordnung aufweisen zur Erzeugung von magnetischen Flußlinien innerhalb der Plasmakammer, die sich in einer Kurve von der Wand der Plasmakammer und zu dieser zurück erstrecken, um einen Bogen über jeweils einen von mehreren Wandbereichen der Plasmakammer zu bilden, beispielsweise Wandbereichen, die sich im wesentlichen in Längsrichtung der Wand der Plasmakammer erstrecken. Seltenerde-Magnete werden vorzugsweise verwendet.
In einer Ausführungsform weist die erste Magneteinrichtung eine gerade Anzahl von Magneten in einer Anordnung auf, aufweisend wenigstens eine Reihe, die sich um den Umfang der Plasmakammer herum erstreckt, wobei jeder Magnet in der Anordnung so angeordnet ist, daß sich seine magnetische Achse im wesentlichen in einer Querebene erstreckt und einem Pol von entgegengesetzter Polarität zu dem der angrenzenden Magnete in Richtung der Plasmakammer aufweist. Es kann eine einzelne Reihe von Stabmagneten vorgesehen sein, deren größte Abmessung sich im wesentlichen in Längsrichtung der Plasmakammer erstreckt und vorzugsweise im wesentlichen parallel zu der Achse der Kammer, und deren magnetische Achse bezüglich der kürzesten Abmessung des Magneten ausgerichtet ist. Solch eine Anordnung erzeugt Magnetfelder innerhalb der Plasmakammer, bei denen die magnetischen Flußlinien Bögen von einem Nordpol eines Magnets zu einem Südpol eines angrenzenden Magnets und so weiter erzeugen, wobei sich jeder Bogen über einen entsprechenden Längswandabschrntt der Plasmakammer erstreckt, der sich im wesentlichen parallel zu der Kammerachse erstreckt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Magnetanordnung mehrere Reihen von Magneten auf, die sich um den Umfang der Plasmakammer herum erstecken, wobei jeder Magnet in einer Reihe einen Pol von entgegengesetzter Polarität zu dem von jedem angrenzenden Magnet in einer weiteren angrenzenden Reihe in Richtung der Plasmakammer aufweist. Solch eine Anordnung kann ähnlich einem Schachbrett mit abwechselnden schwarzen und weißen Quadraten veranschaulicht werden, die durch abwechselnde Nord- und Süd-Pole ersetzt werden. Bei einer typischen Anordnung dieses Typs können beispielsweise etwa 3 bis etwa 15 Magnetreihen, vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 10 Magnetreihen vorgesehen sein.
Die Anzahl der ersten Magnete in der Anordnung ist normalerweise geradzahlig. Daher ist die Anzahl der Magnete in der Reihe gewöhnlich geradzahlig, oder wenn es mehr als eine Reihe ist, in jeder Reihe. Typischerweise enthält die Reihe oder jede Reihe etwa 10 bis etwa 60 Magnete. Die Anzahl der Magnete ist normalerweise abhängig von der Größe der Plasmakammer gewählt. Einer kleinen Plasmakammer ist normalerweise eine geringere Anzahl von ersten Magneten zugeordnet als einer großen Plasmakammer.
Vorteilhafterweise wird ein möglichst flaches dielektrisches Element verwendet. Daher ist eine möglichst geringe Wölbung des dielektrischen Elements bevorzugt. Indessen kann in der Praxis nicht jegliche Wölbung des dielektrischen Elements vermieden werden, da die Unversehrheit der Vakuumanlagen aufrechterhalten werden muß und jegliches Risiko eines Bruchs des dielektrischen Elements aufgrund von Druckunterschieden im wesentlichen vermieden werden muß, die quer zu ihr während dem Betrieb wirken.
Die Hochfrequenz-Sendeeinrichtung, die dem dielektrischen Element zugeordnet ist, weist eine im wesentlichen flache spiralgewickelte Spule auf, die vorzugsweise angrenzend an das dielektrische Element liegt oder in dieses eingebettet ist. Daher ist die Spule vorzugsweise flach oder so flach wie möglich. Solch eine Spule kann die Form eines Rohr aus leitfähigem Material, beispielsweise Kupfer, aufweisen, durch das ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, hindurchgeführt werden kann.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, effizient verhältnismäßig hohe Hochfrequenzsignale, beispielsweise Signale von 13,56 MHz zu verwenden. Eine Optimierung der Plasmadichte innerhalb der Plasmakammer, wenn das Plasma in einer mit Hochfrequenz-Induktion angetriebenen Plasmakammer erzeugt wird, ist von der Spannungsversorgungs-Frequenz und der Konstruktion der verwendeten Erregerspule abhängig. Bei der im wesentlichen flachen spiralgewickelten Sendespule sind die Vorteile folgende:
1. Die Leitfähigkeit im Zusammenhang mit dem Plasma-Schleifenstrom aus ionisierenden Elektronen kann in einem vernünftigen Maße niedrig gehalten werden. Dies verhindert, daß die induzierten elektrischen Felder Werte erreichen, bei denen die Energie, die durch die Elektronen zwischen Gaskollisionen aufgenommen wird, so ist, daß ihr Ionisations-Querschnitt weit jenseits des Maximums liegt.
2. Verluste auf die Wände werden minimiert.
3. Hochenergie-Ionisierungselektronen, die spiralförmig aus der Plasmaschleife herausfliegen, werden in der Elektroden-Konstruktion gehalten. Diese Wirkung kann weiter durch ein überlagertes magnetisches Dipolfeld erhöht werden, das in die Erregerspule eindringt.
4. Es besteht eine elektrodynamische Kraft, die den gesamtem Plasma- Schleifenstrom in Richtung der Ionenextraktionsgitter drückt.
5. Der Q-Faktor der Ansteuerspule ist vernünftig hoch, was wiederum einen hohen Leistungs-Wirkungsgrad bedeutet.
Typischerweise ist die Hochfrequenz-Sendeeinrichtung, die dem dielektrischen Element zugeordnet ist, mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle verbunden, die bei einer Frequenz in der Größenordnung von ungefähr 1 MHz bis zu ungefähr 45 MHz betrieben wird, beispielsweise bei ungefahr 2 MHz oder vorteilhafter bei einem der industriell zugeordneten Wellenband innerhalb dieses Frequenzbereichs, beispielsweise bei 13,56 MHz oder 27,12 MHz oder 40,68 MHz.
Bei der Ionendichte, die für eine ausreichende Stromdichte des herausgeführten Strähls ausreicht, verhält sich die Plasmamasse wie ein guter Leiter und weist daher eine niedrige Eindringtiefe für elektromagnetische Hochfrequenzfelder auf. Dies bedeutet für die induktive Kopplung, daß die induzierten Ströme in Stromfäden fließen, die über die Plasmaoberfläche weit verbreitet sind und nahe der Steuerspule liegen. Die Impedanz, die das Plasma für die induzierten Ströme darstellt, kann als eine Reihenschaltung einer Induktivität und eines Widerstands dargestellt werden, und daher ist das Plasmaschleifen-Ansteuerpotential, d.h. das Linienintegral des induzierten elektrischen Felds, die Summe von zwei Vektoren, die im Zeitbereich zueinander um 90º versetzt sind. Primär ionisierende Elektronen innerhalb der Plasma-Eindringtiefe werden durch dieses Feld beschleunigt, und im Idealfall ist die aufgenommene Durchschnittsenergie so, daß der elektronische Ionisierungs-Querschnitt, der von ihrer Energie abhängig ist, seinen Maximalwert erreicht. Wenn das induzierte elektrische Feld zu groß ist als Ergebnis einer nachteiligen Geometrie usw., nehmen die Elektronen so viel Energie vor dem Zusammenstoß auf, daß ihr Wirkungsquerschnitt auf einen niedrigen Wert abfällt und sich eine geringe Ionisation nahezu unabhängig von der eingespeisten Leistung ergibt. Ein passendes Gleichgewicht zwischen dem Widerstand- und dem Induktionsanteil des elektrischen Felds für die speziellen Betriebsbedingungen muß gefunden werden, da die induktive Komponente nicht zu groß sein darf. Bei 13,56 MHz unter Verwendung einer Solenoid-Erregerspule wird die induktive Plasma-Reaktanz zu hoch, jedoch ist die Plasma-Reaktanz für eine verhältnismäßig kleine spiralförmige Spule geringer.
Die flache Spiralspule weist weitere Vorteile darin auf, daß sie eine beträchtliche Verringerung der Gesamtfläche, die dem Plasma ausgesetzt ist, erlaubt und dies den Verlust von Elektronen auf die Wände der Plasmakammer verringert.
Weiterhin kann gezeigt werden, daß der Gesamtwirkungsgrad des Koppeltransformators, der durch die Erregerspule als Primärspule und den Plasmakreis als Sekundärspule gebildet wird, gegeben ist durch
wobei k der Koppelkoeffizient ist und die Q-Terme den Qualitätsfaktor des primären und des sekundären Kreis darstellen, d.h. Qp = wLp/ p das Verhältnis der induktiven Spulenreaktanz zu ihrem Widerstand. Ein maximaler Wirkungsgrad wird erreicht für beliebige Plasmabedingungen, wenn k²Qp so hoch wie möglich ist; k wird dadurch optimiert, daß die Spule so nah wie möglich im Rahmen anderer Beschränkungen an dem Plasma angebracht ist, und weiterhin darf das Qp der Erregerspule nicht auf so niedrige Werte fallen, daß ein thermisches "Weglaufen" so erzeugt wird. Dieser Fall kann auftreten, wenn eine Spule nicht optimal gewickelt ist oder nicht wassergekühlt ist, wodurch aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten von Kupfer ein Anstieg der Spulentemperatur einen Anstieg ihres Wechselspannungs-Widerstands ( p) verursacht und daher ein weiteres Ansteigen der Temperatur. Der Wirkungsgrad des Ansteuertransformators fällt dann ab, da Qp mit ansteigendem p abfällt, und der größte Anteil der eingespeisten Leistung bewirkt ein Aufheizen der Spule anstatt einer Erregung des Plasmas. Einfache Spulenkonstruktionen erzielen immer die größten Q- Werte, und die Spirale ist keine Ausnahme, obwohl sie einen niedrigeren Q-Wert aufweisen kann als ein großes Solenoid.
Weitere Vorteile der spiralgewickelten Spule im Vergleich zu einem Solenoid sind zuerst, daß die elektrodynamischen Kräfte, die auf das Plasma durch den in der Ansteuerspule fließenden Strom ausgeübt werden, das Plasma in Richtung der Strahl- Extraktionsgitter drücken, und daß unter der Annahme, daß die Plasmakammer größer ist als die Spule, hochenergetische Elektronen, die spiralförmig aus der Plasmastrom- Schleife herausfliegen, besser innerhalb des Systems gehalten werden.
Durch geeignete Wahl der Geometrie der spiralförmigen Erregerspule und durch Veränderung der Magnetfeldstärke und/oder der Verteilung innerhalb der Plasmakammer ist es möglich, die Erregung der Entladung auf eine große Anzähl von Gasen, beispielsweise Ar, O&sub2; oder N&sub2; abzustimmen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Ionenkanone gemaß der Erfindung weiterhin eine zweite Magneteinrichtung auf, die der Hochfrequenz-Sendeeinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Dipolfeldes zugeordnet ist, das in die Hochfrequenz- Erregerspule eindringt, oder eine andere Form einer Hochfrequenz-Sendeeinrichtung.
Es ist ebenso möglich, eine weitere Magneteinrichtung vorzusehen, im folgenden eine dritte Magneteinrichtung genannt, um ein axiales Feld mit größerer Reichweite dem oberen Ende des Felds zu überlagern, das durch die multipolare Anordnung der ersten Magneteinrichtung erzeugt ist. Solch eine dritte Magneteinrichtung kann beispielsweise die Form eines Elektromagneten einnehmen, der die Plasmakkmmer umgibt und dessen Achse im wesentlichen mit oder parallel zu der Plasmakammer ausgerichtet ist.
Bei einer Ionenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung wird die Verwendung eines Ionenstrahl-Neutralisators bevorzugt, der durch eine Hochfrequenz-Energiequelle betrieben ist, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, der in den Ionenstrahl hineingeführt werden kann. Vorteilhafterweise wird eine solche Hochfrequenz- Energiequelle mit der selben Frequenz wie die der Hochfrequenz- Erzeugungseinrichtung der Ionenquelle betrieben.
Die Erfindung kann somit einen Ionenstrahl-Neutralisator verwenden mit einer Plasmaquellenkammer mit offenem Ende, einer Einrichtung zum Einlaß eines plasmabildenden Gases in die Plasmaquellenkammer, einer Hochfrequenz- Erzeugungsspule, die die Plasmaquellenkammer zum Erzeugen eines Plasmas in dieser umgibt, und einem Extraktionsgitteraufbau quer zu dem offenen Ende der Plasmaquellenkammer einschließlich einem ersten Gitter zur Verbindung mit einer negativen Spannungsquelle und einem zweiten Gitter zur Verbindung mit einer positiven Spannungsquelle, um ein Beschleunigungsfeld zur Beschleunigung von Elektronen in Richtungen durch das zweite Gitter des Extraktionsgitter-Aufbaus zu erzeugen. Solch ein Ionenstrahl-Neutralisator kann als plasmabildendes Gas ein inertes Gas, ein reaktives Gas oder eine Mischung aus einem inerten Gas und einem reaktiven Gas verwenden.
Zum leichteren Verständnis der Erfindung und ihrer Wirkungsweise werden im folgenden beispielsweise und bezugnehmend auf die begleitenden schematischen Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen für eine Vorrichtung für Ionenstrahlverfahren beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Vorrichtung für einen Ionenstrahl, Figur 2 eine Aufsicht des oberen Endes der Ionenkanone der Vorrichtung von Figur 1,
Figur 3 eine horizontale Teilschnittansicht durch die Plasmakammer der Vorrichtung von Figuren 1 und 2,
Figur 4 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Figur 3,
Figur 5 eine Ansicht der ersten Magnetanordnung der Vorrichtungen von Figuren 1 bis 4,
Figur 6 ein Vertikalschnitt im vergrößerten Maßstab durch die Steuergitterkonstruktion der Vorrichtung von Figuren 1 bis 5,
Figur 7 das Magnetfeld, das durch die Sekundärmagneten der Ionenkanone, die in Figur 1 und 2 gezeigt ist, erzeugt wird,
Figur 8 einen Vertikalschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemaßen Ionenkanone,
Figur 9 eine Aufsicht von oben der Ionenkanone von Figur 8,
Figuren 10 und 11 Querschnitte gemäß der Linien A-A bzw. B-B von Figur 9,
Figuren 12 und 13 eine teilgeschnittene Seitenansicht bzw. eine Ansicht von oben des Gehäuses der Ionenkanone von Figur 8,
Figuren 14 und 15 Querschnitte längs der Linien C-C bzw. D-D von Figur 12,
Figur 16 einen vergrößerten Schnitt eines Teils des Gehäuses der Ionenkanone von Figur 8,
Figur 17 eine schematische Ansicht der Achse des Rohrs, aus dem die Hochfrequenz-Emitterspule gebildet ist, und
Figuren 18 und 19 eine Schnittansicht bzw. eine Seitenansicht der Hochfrequenz- Emitterspule.
Bezugnehmend auf Figuren 1 bis 7 der Zeichnungen weist eine Vorrichtung 1 der Ionenstrahlen eine Vakuumkammer (allgemein mit 2 bezeichnet) auf, über der eine Ionenkanone 3 liegt. Die Ionenkanone 3 weist einen Plasmagenerator 4 auf, der an dem oberen Ende einer Plasmakammer 5 mit offenem Ende angebracht ist, deren unteres Ende durch einen Steuergitteraufoau 6 geschlossen ist. Ein Plasmaneutralisator 7 ist innerhalb der Vakuumkammer 2 zur Neutralisierung des Ionenstrahles 8 angebracht, der von dem unteren Ende der Ionenkanone 3 herkommt. Ein Target 9 ist in dem Weg des Ionenstrahls 8 angebracht.
Der Plasmagenerator 4 weist ein dielektrisches Element 10 auf, das das obere offene Ende der Plasmakammer 5 verschließt. Mehrere Gaseinlaßstutzen sind vorgesehen, wie durch Pfeile 11 angezeigt ist, durch die ein plasmabildendes Gas, beispielsweise Argon, oder eine Mischung eines plasmabildenden Gases und eines reaktiven Gases, beispielsweise Sauerstoff, in die Plasmakammer 5 eingelassen werden kann. Eine Hochfrequenzspule 12 liegt oberhalb des Elements 10 und ist mit einer geeigneten Hochfrequenz-Spannungsquelle verbunden, die beispielsweise bei 13,56 MHz betrieben wird. Magnete 13 und 14 sind zu einem weiter unten beschriebenen Zweck vorgesehen.
Die Plasmakammer 5 weist ein metallisches Gehäuse 15 mit offenem Ende auf, das aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder einem anderen leitfähigen metallischen Material gefertigt ist, in dem mehrere erste Stabmagnete 16 angebracht sind. Zur Montageerleichterung ist das Gehäuse 15 in zwei Teilen ausgeführt, d.h. einem inneren Teil 17 und einem äußerem Teil 18, zwischen denen die ersten Magnete 16 liegen.
Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, gibt es zweiunddreißig erste Stabmagnete 16, die in Längsrichtung mit der zylindrischen Außenfläche des Innenteils 17 verbunden sind. Vorzugsweise werden die stärksten verfügbaren Magnete verwendet, d.h. Seltenerde- Magnete wie beispielsweise Samarium-Cobalt Magnete. Typischerweise weisen solche Magnete eine Feldstärke in der Größenordnung von 1 bis 2 kGauss auf. Wie in Figur 3 dargestellt, gibt es zweiunddreißig erste Magnete 16. Indessen kann eine größere oder geringere Anzahl von ersten Magneten, beispielsweise 30 oder weniger (beispielsweise 24) oder bis zu 40 oder mehr (beispielsweise 48) verwendet werden, immer unter der Voraussetzung, daß die Anzahl der ersten Magnete geradzählig ist. Solche ersten Magnete 16 sind in gleichmäßigen Abständen um den äußeren Umfang des inneren Teils 17 angeordnet, wobei ihre größte Ausdehnung im wesentlichen parallel zu der Achse der Plasmakammer 5 angeordnet ist. Wie in Figur 4 gezeigt ist, sind indessen die magnetischen Achsen der ersten Magnete 16 radial bezüglich der Plasmakammer 5 angeordnet, so daß ihre jeweiligen Nord- und Südpole (mit N bzw. S in Figur 4 bezeichnet) in der Richtung ihrer kürzesten Ausdehnung getrennt sind, wobei die ersten Magnete 16 mit abwechselnder magnetischer Polaritat um den Umfang des inneren Teils 17 angeordnet sind.
Oberhalb der ersten Magnete 16 befindet sich eine Ringnut 19 und unterhalb von ihnen eine entsprechende Ringnut 20. Die Nuten 19 und 20 sind miteinander mittels Räumen 21 zwischen benachbarten ersten Magneten 16 verbunden. Die Nuten 19 und 20 und die Räume 21 bilden Kanäle für eine Kühlflüssigkeit (bspw. Wasser), durch die die ersten Magnete 16 und das Gehäuse 15 im Betrieb gekühlt werden können. Die Bezugszeichen 22 und 22a bezeichnen eine Kühlwasserversorgungs- und -rückfühileitungen, die in einem ringförmigen Element 23 vorgesehen sind. Leiteinbauten 24, 25 sind in den Nuten 19, 20 vorgesehen, wie aus Figur 5 ersichtlich ist, um das Kühlfluid in einem vorbestimmten Weg zu führen.
Figur 4 zeigt die magnetischen Kraftlinien 26, die durch die ersten Magnete 16 erzeugt wurden. Diese Kraftlienien erstrecken sich von der Innenseite des Gehäuses 15 in einen Hohlraum 27 in der Plasmakammer 5 und zurück zu der Hohfraumwand 27 in einem Bogen über Bereiche 28, die sich parallel zu der Achse des Gehäuses 5 erstrecken.
Wiederum bezugnehmend auf Figur 1, ist das untere Ende der Plasmakammer 5 durch eine Steuergitterkonstruktion 6 verschlossen, die detaillierter in Figur 6 in vergrößertem Maßstab gezeigt ist. Die Gitterkonstruktion 6 weist zwei Gitter 29 und 30 auf, die jeweils mit ausgerichteten Löchern 31 und 32 gebildet sind. Das Gitter 29 weist eine positive Vorspannung auf, während das Gitter 30 eine negative Vorspannung aufweist, um ein Beschleunigungsfeld zwischen den Gittern 29 und 30 aufzubauen und Ionen in Richtung und durch das Gitter 30 zu beschleunigen. Solche Gitter können aus Molybdän oder einer Molybdän-Legierung oder aus einem Kohlenstoffbogen gefertigt sein. Typischerweise wird an das Gitter 29 eine positive Spannung von bis zu 1.000 V angelegt, während eine negative Spannung von 0 bis ungefähr 2.000 V an das Gitter 30 angelegt wird.
Bezugnehmend nun auf den Ionenstrahl-Neutralisator 7, wird ein Gas, beispielsweise Argon oder Sauerstoff durch eine Leitung 34 wie durch Pfeil 33 angezeigt in eine isolierte Hohlelektroden-Anordnung 35 gegeben. Das offene Ende der Elektroden- Anordnung 35 ist durch ein Gitterpaar 36 und 37 verschlossen. Eine Hochfrequenz- Erzeugungsspule 38 umgibt die Elektronenanordnung 35. Vorteilhafterweise ist diese mit der selben Frequenz betrieben wie die Hochfrequenzerzeugungsspule 12 d.h. 13,56 MHz. Das Gitter 36 weist eine negative Vorspannung auf, während das Gitter 37 eine positive Vorspannung aufweist, um ein Beschleunigungsfeld zwischen den Gittern 36 und 37 zur Beschleunigung von Elektronen in Richtung und durch das Gitter 37 aufzubauen.
Figur 2 zeigt eine ebene Ansicht der Positionen der wahlweise vorhandenen zweiten der Sekundär-Magnete 13 und 14 bezüglich der Hochfrequenz-Erzeugungsspule 12. Diese Sekundärmagnete erzeugen ein magnetisches Dipolfeld, das in die Erregerspule 12 eindringt. Die Form dieses Magnetfelds ist schematisch in Figur 7 gezeigt. Wie in Figur 7 gesehen werden kann, sind die Magnetisierungsachsen der Magnete 13 und 14 so angeordnet, daß entweder ein Nordpol oder ein Südpol in Richtung des dielektrischen Elements 10 weist und die Kraftlinien 47 in die Hochfrequenz- Erzeugungsspule eindringen und einen Bogen über die Innenseite des dielektrischen Elements 10 bilden.
Das Referenzzeichen 48 bezeichnet eine Hochfrequenz-Spannungsquelle, die mit der Spule 12 verbunden ist; sie kann ebenso mit der Spule 38 verbunden sein. Alternativ kann die Spule 38 eine eigene Hochfrequenz-Spannungsquelle aufweisen. Die Linien 49 und 50 bezeichnen positive Versorgungsleitungen für eine Elektrode 17 bzw. Gitter 29. Vorteilhafte?weise liegen die Elektrode 17 und das Gitter 29 auf dem gleichen positiven Potential. Das Bezugszeichen 51 bezeichnet eine negative Versorgungsleitung zum Vorsehen der negativen Vorspannung an dem Gitter 30.
Die Vakuumkammer 2 kann mittels eines geeigneten Vakuum-Pumpsystems 52 evakuiert werden, das mittels einer Leitung 53 mit der Vakuumkammer 2 verbunden ist.
Beim Betrieb der Vorrichtung 1 für Ionenstrahlen wird die Vakuumkammer 2 durch einen Druck von typischerweise 10&supmin;³ Pa (10&supmin;&sup5; mbar) bis zu ungefähr 10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup7; mbar) evakuiert. Ein plasmabildendes Gas, beispielsweise Argon, ein reaktives Gas oder eine Mischung eines plasmabildendes Gases und eines reaktiven Gases, beispielsweise O&sub2;, Cl&sub2;, SF&sub6;, CF&sub4;, C&sub2;F&sub6; oder eine C&sub2;F&sub6;/CHF&sub3; Mischung wird mittels Einlässen 11 eingelassen. Die Hochfrequenzspule 12 wird dann zur Erzeugung eines Plasmas erregt. Dieses Plasma weist ein Plasmapotential von wenigstens einigen 10V auf, beispielsweise ungefähr +10 V (Volt) über dem Potential des Gitters 29, das normalerweise auf dem gleichen Potential wie die Elektrode 17 liegt. Freigegebene Elektronen werden innerhalb Bereichen 28 durch die magnetischen Kraftlinien 26 eingefangen. Das Gitter 29 liegt auf einer positiven Vorspannung von ungefähr 100 V, während das Gitter 30 auf einer negativen Vorspannung von ungefähr 1.000 V liegt. Die Ionen in dem Hohlraum 28 werden in Richtung des Gitters 29 beschleunigt und gehen durch dieses hindurch, und werden dann weiterhin durch das elektrische Feld zwischen dem Gitter 29 und Gitter 30 beschleunigt, um in Form eines gebündelten Ionenstrahls 8 festgelegter Energie auszutreten. Nach dem Durchgang durch das Gitter 30 bewegen sich auf das geerdete Target 9 zufliegende Ionen in einem Abbremsfeld. Die Ionen erreichen das geerdete Target 9 mit einer Energie gleich oder ungefähr gleich der Spannung des ersten positiven Gitters 29 plus dem Abschirmpotential. Wenn also eine Vorspannung von +100 V an das Gitter 29 angelegt ist, das in das Plasma eingetaucht ist, dann erreichen die Ionen das Target 9 mit einem Potential von ungefähr 110 V unabhängig von der negativen Spannung an dem zweiten Gitter 30.
Ein plasmabildendes Gas, beispielsweise Argon, ein reaktives Gas oder eine Mischung eines plasmabildendes Gases und eines reaktiven Gases wird zu dem Neutralisator 7 durch ein Rohr 34 eingelassen mit einer Durchflußrate von ungefähr 1 cm³/min bis ungefahr 5 cm³/min, gewöhnlich an dem oberen Ende dieses Bereichs. Die Hochfrequenz-Erzeugungsspule 38 wird zum Starten der Elektronenentladung eingeschaltet. Sobald die Elektronenentladung gestartet ist, kann sie unter Verwendung eines Haltepotentials von ungefähr 20 V bis ungefähr 40 V nach einer Verringerung der Gasflußrate in dem Rohr 33 auf ungefähr 1 cm³/min gehalten werden.
Unter der Einwirkung des Hochfrequenzsignals von der Spule 12 dissoziiert das mittels Einlässen 11 zugeführte Gas und bildet in der Plasmakammer 5 ein Plasma aus Ionen und freien Elektronen, wobei die Ionen den mittleren Teil der Kammer 5 füllen, während die Elektronen angrenzend an die Wände der Kammer 5 durch die magnetischen Kraftlinien 26 eingefangen werden. Aufgrund der geometrischen Trennung der Hochfrequenz-Erzeugungsspule 12 von den Bereichen 28 des magnetischen Einschnittsbereichs in die Plasmakammer 5 ist das Plasma in dem mittleren Abschnitt der Kammer 5 im wesentlichen gleichförmig und weist ein verhältnismäßig niedriges Plasmapotential auf. Dies bedeutet wiederum, daß nur ein verhältnismäßig niedriges Beschleunigungspotential zum Herausführen der Ionen aus diesem Plasma und zur Beschleunigung von diesen in Richtungen durch die Steuergitterkonstruktion 6 nötig ist. Somit wird das Risiko einer überhitzung und einer Beschädigung der Steuergitterkonstruktion 6 und insbesondere des Gitters 29 minimiert.
Der Neutralisator 7 bringt einen Elektronenstrahl in den Weg eines Ionenstrahls 8 und sorgt für eine Stromneutralisierung bei dem Target 9.
Da keine geheizte Kathode zur Erzeugung des Plasmas verwendet wird, kann die dargestellte Vorrichtung mit jeglicher Art eines inerten oder reaktiven Gases verwendet werden. Typische verwendbare Gase sind Argon, O&sub2;, Cl&sub2;, SF&sub6;, CF&sub4;, C&sub2;F&sub6;, CHF&sub3; und Mischungen von zweien oder mehreren von diesen.
Wie dargestellt ist die Vorrichtung 1 für Ionenstrahlverfahren für Ionenstrahl-Fräsen eingestellt. Es ist eine einfache Maßnahme, die Vorrichtung für eine Sputter- Ablagerung abzuändern; in diesem Fall ersetzt ein Target das Substrat 9 und ist so angeordnet, daß es von dem Ionenstrahl 8 tangential getroffen wird, während ein Target in dem Weg des sich ergebenden gesputterten Materials, aber außerhalb des Ionenstrahlwegs angeordnet wird.
Figur 8 ist ein Vertikalschnitt für eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenkanone 100. Diese weist ein Gehäuse 101 aus einem rostfreien Austenit-Stanl auf, um das zwanzig Stabmagnete 102 angebracht sind, die symmetrisch um den Umfang der Ionenkanone angeordnet sind. (In diesem Ausführungsbeispiel gibt es weniger Magnete als in dem von Figuren 1 bis 7, da der Durchmesser des Gehäuses 101 kleiner ist als der der Ionenkanone von Figuren 1 bis 7). Typischerweise sind die Magnete 102 Seltenerde-Magnete, beispielsweise Samarium-Cobalt-Magnete, mit einer Feldstärke in dem Bereich von ungefähr 0,1 Tesla bis ungefähr 0,2 Tesla (1 kgauss bis ungefähr 2 kgauss). Wie aus Figur 8 zu sehen ist, ist die magnetische Achse jedes Magneten 102 so ausgerichtet, daß sie bezüglich der Achse der Ionenkanone 100 radial liegt und der kürzesten Abmessung des Magneten 102 entspricht. Die Magnete 102 sind mit abwechselnder Polarität um den Umfang der Ionenkanone 100 angeordnet, so daß die Magnete angrenzend an den in Figur 8 gezeigten Magnet Nordpole (nicht Südpole) aufweisen, die in Richtung der Achse der Ionenkanone 100 zeigen, die darauffolgenden angrenzenden Magnete zu diesen weisen Südpole in Richtung der Achse der Ionenkanone 100 auf, und so weiter. Ein Polstück 103 aus Weicheisen oder einem weichmagnetischem Material umgibt das Gehäuse 101 und die Magnete 102.
Das Gehäuse 101 weist ein offenes oberes Ende auf, das durch eine dielektrische Abschlußplatte 104 aus Aluminium verschlossen ist. Alternativ kann sie aus einem anderen dielektrischen Material, beispielsweise Siliziumoxid sein.
Oberhalb der Abschlußplatte 104 befindet sich eine Hochfrequenz-Erzeugungsspule 105 in Form einer spiralgewickelten Kupferröhre mit vier vollständigen Windungen (zur besseren Klarheit sind die Spulen der Hochfrequenz-Erzeugungsspule in Figur 9 weggelassen, indessen ist der Aufbau der Spule 105 detaillierter in Figuren 17 bis 19 gezeigt, wie weiter unten beschrieben).
Wasser kann zur Kühlung durch die Spule 105 gepumpt werden. Die Endabschnitte der Spule 105 sind durch Bezugszeichen 106 und 107 bezeichnet.
Ein Endring 108 hält die Abschlußplatte 104 in ihrer Position und sorgt weiterhin für eine Halterung für eine Klammer 109 für die Spule 105. Der Endring 108 ist durch Bolzenschrauben 110 in seiner Stellung gehalten. Ein O-Ring 111 dient zur Dichtung zwischen der Abschlußplatte 104 und dem Endring 108.
Die Ionenkanone 100 ist in einer Vakuumkammer angebracht, ähnlich der Vakuumkammer 2 der Vorrichtung von Figuren 1 bis 8, die durch Bezugszeichen 112 bezeichnet ist, und ist im allgemeinen ähnlich der Vakuumkammer 2. Insbesondere ist sie mit Verbindungen zu einer Vakuumpumpe versehen (nicht gezeigt) und ist mit einem Ionenstrahl-Neutralisator (nicht gezeigt) und mit einem Target (ebenso nicht gezeigt) ausgestattet. Die Kanone 100 ist an einem Gehäuse der Vakuumkammer 112 mittels eines Abstandsstücks 113, einer Klammer 114 und Schrauben 115 befestigt. Ein O-Ring 116 sorgt für eine Vakuumdichtung zwischen dem Polstück 103 und dem Abstandsstück 113.
Figuren 12 bis 15 zeigen den Aufbau des Gehäuses 101 detalllierter. Dieses weist in seiner Außenfläche zwanzig Schlitze 117 auf, die jeweils zur Aufnahme des entsprechenden Stabmagneten 102 geeignet sind. An dem unteren Ende des Gehäuses 101 sind eine Anzahl von insgesamt fünf kurzen Vertiefungen 118 eingearbeitet, fünf insgesamt, die gleichmäßig um den Umfang des Gehäuses 101 herum angebracht sind. Weiterhin gibt es vier Vertiefungen 119 an dem unteren Ende des Gehäuses 101, jedoch sind diese bezüglich der Vertiefungen 118 versetzt. Senkrechte Bohrungen 120 verbinden die Vertiefungen 118 und 119. Bohrungen 121 und 122 sorgen für einen Einlaß und einen Auslaß zu dem gekrümmten Pfad, der durch die Vertiefungen 118 und 119 sowie Bohrungen 120 geschaffen ist. Wie von Figur 8 ersichtlich ist, sind die Vertiefungen 118 mittels eines Spaltrings 123 verschlossen, der an das untere Ende des Gehäuses 101 geschweißt ist, während Einsatzplatten 124 (in Figur 13 gezeigt) in das obere Ende des Gehäuses zum Verschließen der Vertiefungen 119 geschweißt sind. Somit wird eine Durchführung für ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, durch das Gehäuse 101 gebildet, die einem gekrümmten Weg folgt, der zwischen angrenzenden Paaren von Magneten 102 hindurchgeht. Einlaß- und Auslaßverbindungen 125 und 126 dienen zur Verbindung mit den Bohrungen 121 und 122.
Das Gehäuse 101 zeigt an seinem unteren Ende eine Steuergitterkonstruktion, die ein erstes Gitter 127 und ein zweites Gitter 128 umfaßt. Das Gitter 127 ist direkt mit dem Gehäuse 101 verschraubt und steht mit diesem in elektrischem Kontakt. Das Gitter 128 ist an drei Stellen um den Umfang des Gehäuses 101 durch geeignete Isolierträger 121 (von denen nur einer gezeigt ist) gehalten. Es ist mit einem Anschluß 130 durch eine Leitung 131 verbunden, die durch eine Isolierstrebe 132 hindurchgeht und dann durch eine Isolierröhre 133, die in einer Bohrung 134 angebracht ist und elektrisch mit dem Gitter 128 mittels einer Durchführung 135 verbunden ist, die durch ein Abstandsstück 136 hindurchgeht, das in einem Loch in dem Gitter 127 liegt. Eine Mutter 137 und eine Unterlagscheibe 138 vervollständigen die Verbindung mit dem Gitter 128. Bei dieser Anordnung nimmt das Gitter 127 die Spannung des Gehäuses 101 an, während das Gitter 128 unabhängig durch Anlegen einer geeigneten negativen Spannung an den Anschluß 130 vorgespannt werden kann.
Wie aus Figuren 8, 10, 11 und 12 gesehen werden kann, weist das Gehäuse 101 eine Vertiefung 139 auf, die unter dem Rand des dielektrischen Elements 104 liegt. Dieses steht mittels einer querliegenden Schrägbohrung 140 (siehe Figur 16) mit einer weiteren Bohrung 141 in Verbindung. Das Bezugszeichen 142 bezeichnet einen Stopfen, der das äußere Ende der Bohrung 140 verschließt. Eine Verbindung 143 für eine Plasmagas- Zuführung (in Figur 9 gezeigt) ist in die Bohrung 140 geschraubt. Solch ein Plasmagas kann in die Plasmakammer 145 in dem Gehäuse 101 durch Eindringen von einer Vertiefung 139 durch eine Zwischenlücke 145 (die besser in Figur 16 zu sehen ist) unter dem dielektrischen Element 104 gelangen.
Das Bezugszeichen 146 in Figuren 8 und 9 bezeichnet einen Anschluß, durch den eine geeignete Spannung, gewöhnlich eine positive Spannung, an das Gehäuse 101 und somit an das Gehäuse 127 angelegt werden kann.
Figuren 17 bis 19 zeigen detaillierter den Aufbau der spiralförmigen Hochfrequenzspule 105. In Figur 17 ist nur die Achse des Mittenohrs der Spule 105 dargestellt. Die Spule weist vier vollständige Windungen zwischen Abschnitten 106 und 107 auf.
Im Betrieb der Ionenkanone von Figuren 8 bis 19 wird Wasser durch die Spule 105 und durch den gekrümmten Weg in Gehäuse 101 mittels eines Einlaß 125 und eines Einlaß 126 gegeben, und die Vakuumkammer 112 wird auf einen geeigneten niedrigen Druck, beispielsweise 10&supmin;³ Pa bis 10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup5; mbar bis 10&supmin;&sup7; mbar) evakuiert. Das Gehäuse 101 wird auf eine geeignete Spannung, beispielsweise + 100 V vorgespannt, während das Gitter 128 auf beispielsweise - 500 V vorgespannt wird. Dann wird ein plasmabildendes Gas, beispielsweise Argon oder eine Mischung von Argon und einem reaktivem Gas (beispielsweise Sauerstoff) in die Vakuumkammer 112 durch den Einlaß 143 geblasen, während ein Druck in dem Bereich von ungefahr 10&supmin;¹ Pa bis ungefähr 10&supmin;³ Pa (10&supmin;³ mbar bis 10&supmin;&sup5; mbar) gehalten wird. Durch Anlegen einer geeigneten Hochfrequenz, beispielsweise 13,56 MHz, an die Spule 105 wird ein Plasma in der Plasmakammer 144 erzeugt. Dieses pendelt sich typischerweise bei einem Plasmapotential von ungefähr 10 V oberhalb dem des Gehäuses 101 und des Gitters 127 ein. Es wird angenommen, daß Ionen durch thermische Diffusion, wie man es erklärt, in die Nähe des Gitters 127 und werden beim Durchgang durch das Gitter 127 in Richtung und durch das Gitter 128 durch das elektrische Feld wandern, das durch die Potentialdifferenz zwischen den beiden Gittern 127 und 128 (beispielsweise ungefähr 600 V) verursacht wird. Nach Durchgang durch das Gitter 128 wandern die Ionen weiter in der Vakuumkammer 112 in Richtung eines Targets (ähnlich dem Target 9 von Figur 1, aber nicht gezeigt), das typischerweise geerdet ist. Ein Ionenstrahl- Neutralisator (nicht gezeigt) ähnlich dem Neutralisator von Figur 1 kann sich innerhalb der Vakuumkammer 112 befinden. Das Gitter 128 dient weiterhin zur Erzeugung eines Abbremsfeldes, durch das die Ionen, die durch das Gitter 128 hindurchgegangen sind, hindurchgehen müssen, bevor sie auf das Target treffen. Somit wird ein Ionenstrahl mit einer geeigneten Strahlspannung erzeugt, die normalerweise ungefähr die gleiche Spannung ist wie die des Gehäuses 101 in der beschriebenen Anordnung.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß die dargestellten Ionenkanonen zum Ionenstrahlätzen mit inertem Gas, zum Ionenstrahlätzen mit reaktivem Gas oder in chemisch unterstütztem Ionenstrahlätzen verwendet werden können durch geeignete Wahl des Gases oder der Gase, die in die Plasmakammer und zu dem Ionenstrahl- Neutralisator gegeben werden.

Claims

1. Ionenkanone (3; 100) zur Verwendung bei der Ionenstrahl-Behandlung, aufweisend (i) eine Plasmakkmmer (5) mit einer dielektrischen Wand an ihrem einen Ende und mit Elektroden (29;30) an ihrem zweiten dem ersten Ende abgewandten Ende, wobei die Elektroden (29;30) ein erstes Gitter (29; 127), das zum Anschluß an eine positive Spannungsquelle angeordnet ist, und ein zweites Gitter (30; 128) aufweist, das zum Anschluß an Masse oder eine negative Spannungsquelle angeordnet ist, so daß ein Beschleunigungsfeld zur Beschleunigung von Ionen in Richtung auf und durch das zweite Gitter (30; 128) erzeugt wird, und (ii) eine Hochfrequenz-Induktionsvorrichtung aufweisend eine im wesentlichen flache Spule (12; 105), die in der Nähe der dielektrischen Wand liegt zur induktiven Erzeugung eines Plasmas in der Plasmakammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer (5) einen leitfahigen, nicht magnetischen Körper (15; 101) mit offenem Ende aufweist, dessen eines Ende durch ein flaches oder kaum gewölbtes dielektrisches Element (10; 104) verschlossen ist, und daß die Ionenkanone (3; 100) weiterhin eine erste Magnetvorrichtung (16; 102) aufweist, die um den Körper (15; 101) herum angeordnet ist, um beim Betrieb der Ionenkanone (3; 100) Elektronen in der Nähe der Wand der Plasmakammer (5) einzufangen.

2. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Element (10; 104) flach ist.

3. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (12; 105) außerhalb und angrenzend zu dem dielektrischen Element (10; 104) liegt oder in dieses eingebettet ist.

4. Ionenkanone (3; 100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (12; 105) in einem Frequenzbereich von ungefähr 1 MHz bis ungefähr 40 MHz betreibbar ist.

5. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Magnetvorrichtung eine Anordnung von Magneten (16; 102) zur Erzeugung von magnetischen Flußlinien innerhalb der Plasmakammer (5) aufweist, die sich in einer Kurve von der Wand der Plasmakammer (5) wegerstrecken und zu dieser zurückkehren, so daß ein Bogen über jeweils einen von mehreren Wandbereichen der Plasmakammer (5) gebildet wird.

6. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wandbereiche in Längsrichtung der Wand der Plasmakammer (5) von einem Ende der Kammer (5) zu einem anderen erstrecken.

7. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Magnetvorrichtung eine geradzahlige Anzahl von Magneten (16; 102) aufweist, die in einer Anordnung angeordnet sind, aufweisend wenigstens eine Reihe, die sich um den Umfang der Plasmakammer herum erstreckt, wobei jeder Magnet (16; 102) in der Anordnung so angeordnet ist, daß sich seine magnetische Achse im wesentlichen in einer Querebene erstreckt und einen Pol mit entgegengesetzter Polarität zu dem der an ihn angrenzenden Magnete (16; 102) in Richtung der Plasmakammer (5) aufweist.

8. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Magnete (16; 102) mehrere Reihen von Magneten (16; 102) aufweist, die sich um den Umfang der Plasmakammer herum erstrecken, wobei jeder Magnet (16; 102) in einer Reihe einen Pol mit entgegensetzter Polarität zu dem von jedem angrenzenden Magnet (16; 102) in einer anderen Reihe in Richtung der Plasmakammer (5) aufweist.

9. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine zweite Magnetvorrichtung (13; 14) aufweist, die der Hochfrequenz-Sendespule (12) zur Erzeugung eines magnetischen Dipolfelds, das in die Hochfrequenz-Sendespule (12) eindringt, zugeordnet ist.

10. Vorrichtung (1) zur Ionenstrahlbehandlung aufweisend:

1) eine Vakuumkammer (2),

2) eine Ionenkanone (3), die einen Ionenstrahl in die Vakuumkammer (2) aussendet,

3) einen Ionenstrahl-Neutralisator (7) zur Aussendung von Elektronen in den Ionenstrahl, und

4) eine Halterung für ein Target (9) oder ein Substrat in dem Ionenstrahlweg,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Ionenkanone (3) eine Ionenkanone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.

11. Vorrichtung zur Ionenstrahlbehandlung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl-Neutralisator (9) durch eine Hochfrequenz-Energiequelle (38) gespeist wird.

12. Vorrichtung zur Ionenstrahlbehandlung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl-Neutralisator (9) aufweist, eine Plasmaquellenkammer (35) mit offenem Ende, eine Einrichtung (34) zum Einlaß eines plasmabildenden Gases in die Plasmaquellenkammer (35), eine Hochfrequenz-Erzeugungsspule (38), die die Plasmaquellenkammer (35) zur induktiven Erzeugung eines Plasmas in dieser umgibt, und eine Extraktionsgitter-Konstruktion (36;37) quer durch das offene Ende der Plasmaquellenkarnmer (35) aufweisend ein erstes Gitter (36) zum Anschluß an eine negative Spannungsquelle und ein zweites Gitter (37) zum Anschluß an eine positive Spannungsquelle, um ein Beschleunigungsfeld zur Beschleunigung von Elektronen in Richtung auf und durch das zweite Gitter (37) der Extraktionsgitter-Konstruktion zu erzeugen.