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Dokumentenidentifikation DE69732364T2 29.12.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000934600
Titel IONENQUELLE
Anmelder Nordiko Technical Services Ltd., Havant, Hampshire, GB
Erfinder PROUDFOOT, Gary, Oxfordshire OX12 8PS, GB
Vertreter Schwabe, Sandmair, Marx, 81677 München
DE-Aktenzeichen 69732364
Vertragsstaaten CH, DE, DK, FR, GB, IT, LI, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.10.1997
EP-Aktenzeichen 979094919
WO-Anmeldetag 23.10.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/GB97/02923
WO-Veröffentlichungsnummer 0098018150
WO-Veröffentlichungsdatum 30.04.1998
EP-Offenlegungsdatum 11.08.1999
EP date of grant 26.01.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.12.2005
IPC-Hauptklasse H01J 27/02
IPC-Nebenklasse H01J 27/18   H01J 37/08   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Strahls von geladenen Partikeln, insbesondere eine Ionenkanone für den Einsatz in einer Ionenstrahlverarbeitungsvorrichtung sowie eine Ionenstrahlverarbeitungsvorrichtung, die eine solche enthält.

Ionenstrahlen werden bereits seit vielen Jahren für die Produktion von Komponenten in der Mikroelektronikindustrie und von magnetischen Dünnschichtbauelementen in der Speichermedienindustrie eingesetzt. Ein Ionenstrahl, wie z. B. ein Argonionenstrahl, muss typischerweise eine große Fläche, einen starken Strom und eine Energie zwischen 100 eV und 2 keV haben. Der Strahl kann auf eine Reihe verschiedener Weisen verwendet werden, um die Oberfläche eines Substrats zu modifizieren, z. B. durch Aufstäubungsbeschichtung, Zerstäubungsätzen, Abtastung oder Implantation.

In einer typischen Ionenstrahlquelle (oder Ionenkanone) wird ein Plasma durch Einlassen von Gas oder Dampf in eine Niederdruckauslasskammer erzeugt, die eine erhitzte Kathode und eine Anode enthält, die dazu dient, Elektronen aus dem Plasma zu beseitigen und einen Überschuss an positiv geladenen Ionen zu geben, die durch (ein) Schirmgitter in eine Zielkammer passieren, die auf einen Druck gepumpt wird, der niedriger ist als der in der Auslasskammer. Ionen werden in der Auslasskammer durch Elektronenstoßionisierung gebildet und bewegen sich innerhalb des Körpers der Ionenkanone durch zufallsmäßige thermische Bewegung. Das Plasma hat somit ein positives Plasmapotenzial, das höher ist als das Potenzial jeder Fläche, mit der es in Kontakt kommt. Es können verschiedene Gitteranordnungen verwendet werden, deren Potenziale individuelt geregelt werden. In einem Mehrgittersystem ist das erste Gitter, auf das die Ionen treffen, gewöhnlich positiv und das zweite Gitter negativ vorgespannt. Ein weiteres Gitter kann verwendet werden, um die aus der Ionenquelle austretenden Ionen zu verlangsamen, so dass ein kollimierter Strahl von Ionen mit mehr oder weniger gleichmäßiger Energie entsteht. Zum Ionenzerstäuben wird ein Target dort in die Target-Kammer gelegt, wo die Ionenstrahlen, gewöhnlich in einem schrägen Winkel, darauf auftreffen können, und das Substrat, auf das Material aufgestäubt werden soll, wird in einer Position platziert, in der zerstäubtes Material darauf auftreffen kann. Wenn mit Zerstäubungsätzen, Abtasten oder Implantieren gearbeitet werden soll, dann wird das Substrat im Pfad des Ionenstrahls platziert.

Somit trifft bei einer typischen Ionenkanone ein Ion, das an einer Mehrloch-Absauggitterbaugruppe ankommt, zunächst auf ein positiv vorgespanntes Gitter. Das Gitter ist mit einer Plasmahülle assoziiert. An dieser Hülle fällt das Potenzialdifferential zwischen Plasma und Gitter ab. Dieses Beschleunigungspotenzial zieht Ionen in der Hüllenregion zum ersten Gitter an. Ionen, die sich durch ein Loch in diesem ersten Gitter bewegen und in den Raum zwischen dem ersten, positiv vorgespannten Gitter und dem zweiten, negativ vorgespannten Gitter eintreten, werden in einem intensiven elektrischen Feld stark beschleunigt. Während der Passage der Ionen durch das Loch im zweiten Gitter auf ihrem Weg zu dem geerdeten Target bewegen sie sich durch ein Verlangsamungsfeld. Die Ionen kommen dann an einem geerdeten Target mit einer Energie an, die gleich dem Potenzial des ersten, positiven, Gitters plus dem Hüllenpotenzial ist.

Somit umfasst eine konventionelle Ionenkanone eine Quelle von geladenen Partikeln, die durch ein extern angelegtes elektrisches Feld beschleunigt werden, das zwischen einem Paar Gitter entsteht. Herkömmlicherweise werden für die Produktion von energiearmen Ionenstrahlen drei Gitter verwendet, von denen das erste auf einem positiven Potenzial, das zweite auf einem negativen Potenzial, das auf die beste Divergenz eingestellt ist, und das dritte ggf. auf Erdpotenzial, d. h. auf dem Potenzial der Kammer gehalten wird, in der der Strahl erzeugt wird. Strahlen dieser Art werden in der öffentlichen Literatur bereits seit mehr als 25 Jahren beschrieben.

In einigen Anwendungen ist es wünschenswert, einen Ionenstrahl mit maximalem Strom zu erhalten. In anderen Anwendungen ist jedoch die Divergenz der den Strahl umfassenden Ionen, oder eher ihr relatives Fehlen, für die Erzielung einer geeigneten Prozessleistung kritisch.

USP 4447773 offenbart ein Ionenstrahlbeschleunigungssystem zum Absaugen und Beschleunigen von Ionen aus einer Quelle. Das System beinhaltet ein Paar beabstandeter paralleler Absauggitter mit einem Abstand von 1,524 mm (60 mil), mit ausgerichteten Paaren von Löchern zum Absaugen von Ionen-Beamlets. Die Löcherpaare sind so positioniert, dass die Beamlets konvergieren und die zusammengeführten Beamlets von einer Beschleunigerelektrode beschleunigt werden, die sich 15,24 mm (0,6 Zoll) unterhalb des Absauggitterpaares befindet. Die Absauggitter werden mit zahlreichen kleinen Löchern ausgebildet, durch die Beamlets von Ionen passieren können, und werden auf einer Potenzialdifferenz von ein paar hundert Volt gehalten. Die Beschleunigerelektrode hat ein einzelnes Loch, das etwas höher ist als die Matrix von Löchern in den Absauggittern, und wird auf einem viel niedrigeren Potenzial gehalten, um den aus dem Absauggitterpaar austretenden konvergierten Ionenstrahl zu beschleunigen.

Die EP-B-0462165 enthält eine umfangreiche Einführung in die sowie ein Review des Standes der Ionenstrahltechnik. Die EP-B-0462165 selbst beschreibt eine Ionenkanone, in der das Plasma, von dem die Ionen durch das Beschleunigergitter beschleunigt werden, auf einem niedrigen Potenzial von nicht mehr als 500 V ist und eine gleichmäßige Dichte hat, so dass beim Betrieb höhere Stromdichten in der Größenordnung von 2 bis 5 mA/cm2 im Ionenstrahl bei niedrigem Potenzial (d. h. weniger als etwa 500 V) mit minimalem Schadensrisiko für das Beschleunigergitter erzielt werden können. Dieses System stellt eine Ionenkanone bereit, in der das Plasma unter Anwendung kommerziell akzeptabler hoher Funkfrequenzen von z. B. 13,56 MHz oder einem Vielfachen davon effizient erzeugt werden kann und in der das resultierende Plasma die wünschenswerten Eigenschaften von hoher Dichte, guter Gleichförmigkeit und einem relativ niedrigen Plasmapotenzial hat.

Ein ständiges Problem mit den im Stand der Technik beschriebenen Ionenstrahlquellen ist jedoch die große Divergenz, für die der Strahl anfällig ist. Während das System der EP-B-0462165 viele der Probleme in Verbindung mit anderen Ionenstrahlquellen des Standes der Technik löst, wäre es weiterhin äußerst wünschenswert, dieses System zu verbessern, um ein geringeres Maß an Ionenstrahldivergenz zu erzielen. Es besteht wachsender Bedarf an ultraniedriger Divergenz bei niedriger bis mittelgroßer Strahlenenergie. In dieser Rolle wird der Strahl typischerweise als Ionenätzer beschrieben, der selektiv tiefe Gräben mit einer Skalenlänge von vielleicht 1 × 10 &mgr;m ätzt. Dies erfordert einen Strahl mit einer Divergenz von nicht mehr als etwa 1° bei einer Energie, die durch die Beschränkungen der maximalen Rate bei einer Verarbeitungsenergie von vielleicht nur 500 eV bestimmt wird. Konventionelle Ionenkanonen, die mit dieser Energie arbeiten, können die Divergenzanforderung bei einem ausreichend hohen Strom nicht erfüllen, um die Prozessrate zu erreichen.

Es ist demgemäß Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Ionenkanone bereitzustellen, die auf eine solche Weise arbeiten kann, dass die obigen Ziele im Wesentlichen erreicht werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für die Produktion von energiearmen geladenen Partikelstrahlen bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine Plasmakammer; Mittel, um in der Plasmakammer ein Plasma zu erzeugen, das Partikel einer ersten Polarität und entgegengesetzt geladene Partikel einer zweiten Polarität umfasst; Mittel, um Partikel der ersten Polarität in der Plasmakammer zu halten; ein erstes Mehrloch-Elektrodengitter, das mit dem Plasma in Kontakt kommt, wobei das erste Elektrodengitter für den Anschluss an eine erste Potenzialquelle vorgesehen ist, um ein erstes Potenzial der zweiten Polarität an das erste Elektrodengitter anzulegen; und ein zweites Mehrloch-Elektrodengitter, das für den Anschluss an eine zweite Potenzialquelle vorgesehen ist, um ein zweites Potenzial an das zweite Elektrodengitter anzulegen, wobei das zweite Potenzial niedriger ist als das erste Potenzial, um zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodengitter ein erstes Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von geladenen Partikeln der zweiten Polarität in Richtung auf und durch das zweite Gitter zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Mehrloch-Elektrodengitter für den Anschluss an eine dritte Potenzialquelle vorgesehen ist, um ein drittes Potenzial der ersten Polarität an das dritte Elektrodengitter anzulegen und um zwischen dem zweiten und dem dritten Elektrodengitter ein zweites Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen geladener Partikel der zweiten Polarität in Richtung auf und durch das dritte Elektrodengitter zu erzeugen, dadurch, dass der Gitterabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter am Umfang der Gitter größer ist als in ihrer Mitte, und dadurch, dass die Löcher des ersten, zweiten und dritten Gitters so ausgerichtet sind, dass aus einem Loch des ersten Gitters austretende Partikel durch ein entsprechendes Loch des zweiten Gitters und dann durch ein entsprechendes Loch des dritten Gitters in der Form eines Beamlets beschleunigt werden, wobei eine Mehrzahl von Beamlets von dem dritten Gitter einen Strahl unterhalb des dritten Gitters bilden.

Die Vorrichtung der Erfindung kann zum Erzeugen eines Elektronenstrahls verwendet werden, und in diesem Fall sind die geladenen Partikel der ersten Polarität Ionen und die geladenen Partikel der zweiten Polarität sind Elektronen, oder zum Erzeugen eines Ionenstrahls, und in diesem Fall sind die geladenen Partikel der ersten Polarität Elektronen und die geladenen Partikel der zweiten Polarität Ionen.

Demgemäß stellt die Erfindung eine Niederenergieionenkanone für den Einsatz in der Ionenstrahlverarbeitung bereit, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmakammer einen offenendigen, leitenden, nichtmagnetischen Körper umfasst, von dem ein erstes Ende durch ein flaches oder minimal gewölbtes dielektrisches Element geschlossen ist, und mit Elektroden an einem dem ersten Ende gegenüber liegenden zweiten Ende davon; dadurch, dass ein Primärmagnet um den Körper herum angeordnet ist, um Elektronen neben der Wand der Plasmakammer beim Gebrauch der Ionenkanone einzufangen; dadurch, dass ein RF-Induktionsgerät vorgesehen ist, das eine im Wesentlichen flache Spule aufweist, die neben dem dielektrischen Element liegt, um induktiv ein Plasma in der Plasmakammer zu erzeugen, dadurch, dass das erste Mehrlochgitter für den Anschluss an eine erste positive Potenzialquelle vorgesehen und so positioniert ist, dass es mit dem Plasma in der Plasmakammer Kontakt erhält; dadurch, dass das zweite Mehrlochgitter für den Anschluss an eine zweite Potenzialquelle mit einem tieferen Potenzial als das der ersten Quelle vorgesehen ist, um ein erstes Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Ionen in Richtung auf und durch das zweite Gitter zu erzeugen; und dadurch, dass das dritte Mehrlochgitter für den Anschluss an eine dritte Potenzialquelle mit einem niedrigeren Potenzial als das der zweiten Potenzialquelle vorgesehen ist, um ein zweites Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Ionen in Richtung auf und durch das dritte Gitter zu erzeugen, wobei der Gitterabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter am Umfang der Gitter größer ist als in ihrer Mitte, wobei die Löcher des ersten, zweiten und dritten Gitters so ausgerichtet sind, dass aus einem Loch des ersten Gitters austretende Partikel durch ein entsprechendes Loch des zweiten Gitters und dann durch ein entsprechendes Loch des dritten Gitters in der Form eines Beamlets beschleunigt werden, wobei eine Mehrzahl von Beamlets von dem dritten Gitter einen Strahl unterhalb des dritten Gitters bildet.

Dass der Gitterabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter am Umfang größer gemacht wird als in der Mitte, ist ein wichtiges Merkmal dieser Ausgestaltungen der Erfindung. Diese Variation des Gitterabstands wird vorzugsweise dadurch erzielt, dass eine oder beide der benachbarten Flächen des ersten und des zweiten Gitters konturiert wird/werden. Somit hat das zweite Gitter in einer bevorzugten Ausgestaltung eine allgemein flache Oberfläche in Richtung auf seinen Umfang, ist aber im mittleren Bereich in Richtung auf das erste Gitter nach außen gewölbt. Bei der Erzeugung dieser Variation des Gitterabstands gegenüber den Gittern wird berücksichtigt, dass die Plasmadichte des Strahls, der sich dem ersten Gitter nähert, dazu neigt, in Richtung auf den Umfang des Strahls abzunehmen. Das Beschleunigungsfeld, dem individuelle Beamlets bei der Passage durch das erste Gitter ausgesetzt werden, ist in einem gewissen Ausmaß vom Gitterabstand abhängig, der daher so gewählt werden kann, dass die Divergenz von individuellen Beamlets optimiert wird, unabhängig davon, ob vom Umfang oder vom mittleren Bereich des ersten Gitters.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die dritte Potenzialquelle so angeordnet werden, dass ein negatives Potenzial an das dritte Gitter angelegt wird. Alternativ kann die dritte Potenzialquelle so angeordnet werden, dass das dritte Gitter geerdet wird. In diesem Fall kann ein viertes Gitter bereitgestellt und für einen Erdanschluss angeordnet werden.

Die Erfindung stellt ferner eine Niederenergieionenkanone für den Einsatz in der Ionenstrahlverarbeitung bereit, die Folgendes umfasst: eine Plasmakammer, umfassend einen offenendigen, leitenden, nichtmagnetischen Körper, von dem ein erstes Ende durch ein flaches oder minimal gewölbtes dielektrisches Element geschlossen ist, und mit Elektroden an einem dem ersten Ende gegenüber liegenden zweiten Ende davon; einen Primärmagnet, der um den Körper herum angeordnet ist, um Elektronen neben der Wand der Plasmakammer beim Gebrauch der Ionenkanone einzufangen; und ein RF-Induktionsgerät, das eine im Wesentlichen flache Spule aufweist, die neben dem dielektrischen Element liegt, um induktiv ein Plasma in der Plasmakammer zu erzeugen, wobei die Elektroden ein erstes Mehrlochgitter für den Anschluss an eine erste positive Potenzialquelle beinhalten, das so positioniert ist, dass es mit dem Plasma in der Plasmakammer Kontakt erhält; und ein zweites Mehrlochgitter für den Anschluss an eine zweite Potenzialquelle mit einem tieferen Potenzial als das der ersten Quelle vorgesehen ist, um ein erstes Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Ionen in Richtung auf und durch das zweite Gitter zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Mehrlochgitter für den Anschluss an eine negative Potenzialquelle vorgesehen ist, um ein zweites Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Ionen in Richtung auf und durch das dritte Gitter zu erzeugen, und dadurch, dass ein viertes Mehrlochgitter für den Anschluss an Erde vorgesehen ist, wobei die Löcher des ersten, zweiten, dritten und vierten Gitters so ausgerichtet sind, dass aus einem Loch des ersten Gitters austretende Partikel durch ein entsprechendes Loch des zweiten Gitters und dann durch ein entsprechendes Loch des dritten Gitters vor dem Passieren durch ein entsprechendes Loch des vierten Gitters in der Form eines Beamlets beschleunigt werden, wobei eine Mehrzahl von Beamlets von dem vierten Gitter einen Strahl unterhalb des vierten Gitters bildet.

Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Erzeugen eines Niederenergieionenstrahls bereit, umfassend die folgenden Schritte:

  • (a) Bereitstellen einer Ionenkanone gemäß der obigen Beschreibung;
  • (b) Zuführen eines Plasmabildungsgases zu der Plasmakammer;
  • (c) Erregen des RF-Induktionsgerätes, um ein Plasma in der Plasmakammer zu erzeugen;
  • (d) Zuführen des Plasmas zu einem Einlassende des ersten Gitters, so dass das Plasma durch das erste Gitter in Richtung auf dessen Auslassende passiert;
  • (e) Beschleunigen des Plasmas zwischen dem Auslassende des ersten Gitters und einem Einlassende des zweiten Gitters, so dass das Plasma durch das zweite Gitter in Richtung auf ein Auslassende davon passiert;
  • (f) weiteres Beschleunigen des Plasmas zwischen dem Auslassende des zweiten positiven Gitters und einem Einlassende des dritten Gitters, so dass das Plasma durch das dritte Gitter in Richtung auf ein Auslassende davon passiert; und
  • (g) Zurückgewinnen eines Ionenstrahls von dem Auslassende des dritten Gitters.

Die Erfindung stellt ferner eine Niederenergie-Ionenstrahlverarbeitungsvorrichtung bereit, die Folgendes umfasst:

  • (1) eine Vakuumkammer;
  • (2) eine Ionenkanone mit der Aufgabe, einen Ionenstrahl in die Vakuumkammer zu projizieren;
  • (3) einen Ionenstrahlneutralisierer zum Projizieren von Elektronen in den Ionenstrahl; und
  • (4) einen Träger für ein Target oder ein Substrat im Pfad des Ionenstrahls;
wobei die Ionenkanone Folgendes umfasst:

eine Plasmakammer mit einem offenendigen, leitenden, nichtmagnetischen Körper, von dem ein erstes Ende durch ein flaches oder minimal gewölbtes dielektrisches Element geschlossen ist, und mit Elektroden an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende davon;

einen Primärmagnet, der um den Körper herum angeordnet ist, um Elektronen neben der Wand der Plasmakammer beim Gebrauch der Ionenkanone einzufangen; und

ein RF-Induktionsgerät, das eine im Wesentlichen flache Spule aufweist, die neben dem dielektrischen Element liegt, um induktiv ein Plasma in der Plasmakammer zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden ein erstes Mehrlochgitter für den Anschluss an eine erste positive Potenzialquelle beinhalten, so positioniert, dass es mit dem Plasma in der Plasmakammer Kontakt erhält;

ein zweites Mehrlochgitter für den Anschluss an eine zweite Potenzialquelle mit einem tieferen Potenzial als das der ersten Potenzialquelle, um ein erstes Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Ionen in Richtung auf und durch das zweite Gitter zu erzeugen; und

ein drittes Mehrlochgitter für den Anschluss an Erde oder an eine negative Potenzialquelle, um ein zweites Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Ionen in Richtung auf und durch das dritte Gitter zu erzeugen, wobei die Löcher des ersten, zweiten und dritten Gitters so ausgerichtet sind, dass aus einem Loch des ersten Gitters austretende Partikel durch ein entsprechendes Loch des zweiten Gitters und dann durch ein entsprechendes Loch des dritten Gitters in der Form eines Beamlets beschleunigt werden, wobei eine Mehrzahl von Beamlets von dem dritten Gitter einen Strahl unterhalb des dritten Gitters bildet.

Unter „Niederenergie" sind bis zu etwa 10 kV, z. B. 5 kV oder weniger zu verstehen. Der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte Ionenstrahl hat gewöhnlich eine Energie von 1 kV oder weniger.

Die erfindungsgemäße Ionenkanone kann einen Ionenstrahl mit einer weitaus geringeren Divergenz erzeugen, als dies herkömmlicherweise möglich war. Ein Ionenstrahl von 500 eV, der mit einer Kanone gemäß der Erfindung erzeugt wird, kann eine Divergenz von nur 1° haben. Dies ist direkt vergleichbar mit Werten zwischen 3° und 5° für Ionenstrahlen des Standes der Technik, die konventionelle Elektrodengitterstrukturen mit drei Gittern verwenden. Es wurde überraschenderweise entdeckt, dass im Stand der Technik keine zu Grunde liegende Designregel für Ionenstrahlen mit ultraniedriger Divergenz erkannt wurde. Die Basis des Standes der Technik, exemplifiziert in der EP-B-0462165, liegt in dem Prinzip der elektrostatischen Linse, die die einfachen herkömmlichen Beschleunigerstrukturen mit zwei/drei Gittern und ihren Ausgleich mit der natürlichen Raumladungsrepulsivkraft im Strahl untermauert. Diese Repulsivkraft führt zu einer nicht reduzierbaren Divergenzgrenze für solche Strukturen. Die Ionenstrahlen des Standes der Technik werden durch eine starke Beschleunigungskraft stark komprimiert, die durch ein erstes, positiv geladenes Gitter und ein zweites, negativ geladenes Gitter erzeugt wird. Die Potenzialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter kann in der Größenordnung von 1000 V liegen. Während der Strahl durch das zweite Gitter passiert, erreicht die Raumladungskraft ein Maximum und wirkt auf den Strahl, um ihn zum Divergieren zu bringen, während er über das zweite Gitter hinaus propagiert. Die Raumladungskraft nimmt mit zunehmendem Strahlenstrom, mit abnehmendem Strahlenradius und mit sinkender Strahlenenergie zu. Empirisch wurde festgestellt, dass die Untergrenze der Divergenz für einen Strahl von 500 eV für einen Dreigitterbeschleuniger mit einem für eine industrielle Verarbeitung geeigneten Strahlenstrom zwischen 3° und 5° liegt. Im Gegensatz dazu kann die Ionenkanone der vorliegenden Erfindung einen Divergenzwert von 1° erzielen.

Eine bevorzugte Weise, in der die Winkeldivergenz des Strahls in der vorliegenden Erfindung minimiert werden kann, liegt darin, ein sanfteres Beschleunigungsfeld zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter zu erzeugen als zwischen dem zweiten und dem dritten Gitter. Dadurch können sich die Beamlets über einen größeren Nettobereich ausbreiten, wodurch die Raumladungsrepulsion innerhalb der Beschleunigergitterstruktur selbst reduziert wird.

Die Ionenkanone der Erfindung kann natürlich mit mehr als drei Gittern erzeugt werden. So könnten beispielsweise drei, vier oder mehr positiv vorgespannte Gitter, jeweils mit sukzessiv niedrigerer positiver Vorspannung als sein stromaufwärtiger Nachbar, verwendet werden. Alternativ, oder zusätzlich, könnte eine Mehrzahl von negativ vorgespannten oder geerdeten Gittern in Richtung auf das stromabwärtige Ende der Gitterstruktur integriert werden. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass für die meisten Anwendungen eine Drei- oder Viergitterstruktur bevorzugt wird. In der Dreigitterstruktur können das erste und das zweite Gitter positiv vorgespannt werden, wobei das erste Gitter mit dem Plasma in der Plasmakammer in Kontakt ist, wobei das zweite Gitter eine niedrigere positive Vorspannung hat als das erste Gitter, und das dritte Gitter kann negativ vorgespannt oder geerdet sein. In der Viergitterstruktur können das erste und das zweite Gitter wie oben beschrieben positiv vorgespannt sein, während das dritte Gitter negativ vorgespannt und das vierte Gitter geerdet oder negativ vorgespannt sein kann. Somit ist das dritte Gitter der Elektroden in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung für einen Anschluss an eine negative Potenzialquelle angeordnet und die Elektroden beinhalten ein viertes Gitter für den Anschluss an Erde. Mit dem vierten Gitter können die Beschleunigungsraten und die Divergenz des Ionenstrahls noch besser geregelt werden.

Die Gitteranordnung ist vorzugsweise starr, da die mechanische Trennung der Gitter eine große Rolle bei der Ermittlung der Divergenz des Strahls spielt. So kann z. B. eine Variation von 10% oder mehr im Abstand zwischen zwei Gittern einen erheblichen Einfluss auf die Nettodivergenz eines großflächigen Strahls haben. Ferner ist die Beziehung zwischen der Strahlendivergenz und der Größe des Spaltes zwischen den Gittern im Wesentlichen nicht linear.

Die Strahlendivergenz ist jedoch auch von der örtlichen Ionenstromdichte im Strahl abhängig. Mit zunehmendem Querschnittsbereich des Strahls kann die Stromdichte im Strahlenquerschnitt um bis zu etwa 10% variieren. Die Stromdichte nimmt in Richtung auf den Umfang des Strahls ab.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Gitter parallel zueinander ausgerichtet angeordnet. Der Spalt zwischen benachbarten Gittern beträgt vorzugsweise zwischen etwa 0,5 mm und etwa 3,0 mm, typischerweise etwa 1,00 mm.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Gitter eines benachbarten Paares von Gittern jedoch so konturiert, dass der Spalt zwischen den beiden Gittern des Paares in Richtung auf den Umfang der Gitter größer wird als in Richtung auf die Mitte der Gitter. So kann beispielsweise der Spalt in der Mitte des Paares etwa 1,00 mm betragen, während der Spalt am Umfang etwa 1,3 mm groß ist. Das zweite Gitter ist vorzugsweise konturiert.

Die Variation der Stromdichte über den Strahl ist gewöhnlich konstant und wiederholbar und dies kann benutzt werden, um die beste durchschnittliche Divergenz über einen großen Strahl zu erhalten. Diese Variation kann mittels numerischer Simulation mit Bezug auf die Größe des Spaltes zwischen benachbarten Gittern und der Stromdichte im Strahl geprüft werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden vier Gitter bereitgestellt, wobei der Spalt zwischen den Gittern in deren Mitte etwa 1,00 mm beträgt. Vorzugsweise werden ein oder mehrere der Gitter wie oben beschrieben konturiert. Noch stärker bevorzugt wird, wenn nur das zweite Gitter konturiert wird.

Die Ionenkanone der Erfindung ist für die Erzeugung von Niederenergiestrahlen von schweren Ionen wie z. B. Argon von besonderem Wert, die allgemein in Ionenätzanwendungen zum Einsatz kommen. Da die Raumladungskraft umgekehrt proportional zur Ionengeschwindigkeit zunimmt, ist der Effekt auf die Divergenz eines Argonionenstrahls bei 500 eV mehr als 50mal größer als für einen Wasserstoffionenstrahl bei 50 KeV für einen vergleichbaren Strahlenstrom. Andere schwere Ionen, die gewöhnlich in Ionenätzanwendungen zum Einsatz kommen, sind unter anderem Ionen, die von Krypton, Xenon, H2, O2, Cl2, N2, CO2, SF6, C2F6 oder einem C2F6/CHF3-Gemisch abgeleitet sind.

In der Ionenkanone der vorliegenden Erfindung wird eine induktive RF-Kopplung zum Erzeugen eines Plasmas in der Plasmakammer verwendet. Das resultierende Plasma hat typischerweise ein Plasmapotenzial, das nicht mehr als ein paar Dutzend Volt größer ist als das Potenzial der Plasmakammer oder des höchsten Potenzials von deren Innenseite. Dies steht im Gegensatz zu vielen der Ionenkanonendesigns des Standes der Technik, die kapazitive RF-Kopplung benutzen, um das Plasma zu erzeugen, und die ein Plasma mit einem Plasmapotenzial von einigen hundert Volt bilden.

Die Wand kann aus einem elektrisch leitenden Material konstruiert sein. Wenn jedoch beispielsweise jede Möglichkeit einer Kontamination des Ionenstrahls durch metallische Ionenkontaminanten vermieden werden soll, dann kann die Wand auch aus einem dielektrischen Material hergestellt werden.

Der Primärmagnet kann eine Array von Magneten umfassen, die zum Erzeugen von Magnetflusslinien in der Plasmakammer angeordnet sind, die in einer Kurve von der Wand der Plasmakammer verlaufen und dorthin zurückkehren, um einen Bogen über eine jeweilige eine aus einer Mehrzahl von Wandregionen der genannten Plasmakammer zu bilden, z. B. Wandregionen, die im Wesentlichen longitudinal zu der Wand der Plasmakammer verlaufen. Vorzugsweise werden Seltenerdmagnete verwendet. Spezifische Anordnungen des Primärmagnets sind in der EP-B-0462165 beschrieben und werden von der Fachperson gut verstanden.

Es wird bevorzugt, ein möglichst flaches dielektrisches Element zu benutzen. Daher wird eine minimale Wölbung des dielektrischen Elementes bevorzugt. Es ist jedoch möglicherweise nicht praktisch, jegliche Wölbung des dielektrischen Elementes zu vermeiden, da gewährleistet werden muss, dass die Intaktheit der Vakuumausrüstung gewahrt bleibt und dass jegliches Bruchrisiko des dielektrischen Elementes aufgrund von Druckdifferenzen darüber während des Betriebs im Wesentlichen abgestellt wird.

Der RF-Emitter in Verbindung mit dem dielektrischen Element umfasst eine im Wesentlichen flache spiralförmig gewundene Schlange, die vorzugsweise neben dem dielektrischen Element liegt oder darin eingebettet ist. Somit ist die Spule vorzugsweise flach oder so flach wie praktisch möglich. Eine solche Spule kann die Form einer Rohrleitung aus einem leitenden Material wie z. B. Kupfer haben, durch die ein Kühlmittel wie z. B. Wasser geleitet werden kann. Dieser Typ von Spule sowie seine Vorteile sind ebenfalls in der EP-B-0462165 beschrieben.

Der RF-Emitter in Verbindung mit dem dielektrischen Element ist gewöhnlich so angeordnet, dass er an eine RF-Stromquelle angeschlossen werden kann, die mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 MHz bis zu etwa 45 MHz, z. B. etwa 2 MHz oder, stärker bevorzugt, mit einem der industriell zugewiesenen Wellenbanden innerhalb des Frequenzbereiches von z. B. 13,56 MHz oder 27,12 MHz oder 40,68 MHz arbeitet.

Durch eine geeignete Wahl der Geometrie für die spiralförmige Antriebsspule und durch Modifizieren der Magnetfeldstärke und/oder der Verteilung innerhalb der Plasmakammer kann die Erregung der Entladung für eine Reihe verschiedener Gase wie z. B. Ar, O2 oder N2 abgestimmt werden.

In einer bevorzugten Form beinhaltet eine Ionenkanone gemäß der Erfindung ferner einen Sekundärmagnet in Verbindung mit dem RF-Emitter zum Erzeugen eines magnetischen Dipolfeldes, das die RF-Erregungsspule oder eine andere Form von RF-Emitter penetriert.

Es ist auch möglich, einen weiteren Magnet bereitzustellen, nachfolgend als Tertiärmagnet bezeichnet, um ein axiales Feld mit längerer Reichweite auf das von der Multipol-Array des genannten Primärmagnets erzeugte Feld zu überlagern. Ein solcher Tertiärmagnet kann beispielsweise die Form eines Elektromagnets haben, der die Plasmakammer umgibt, deren Achse so angeordnet ist, dass sie auf die der Plasmakammer im Wesentlichen ausgerichtet oder parallel dazu ist.

In einer Ionenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung wird es bevorzugt, einen Ionenstrahlneutralisierer zu verwenden, der von einer RF-Energiequelle gespeist wird, um einen Strahl von Elektronen zu erzeugen, die in den Ionenstrahl projiziert werden können. Praktischerweise arbeitet eine solche RF-Energiequelle mit derselben Frequenz wie der RF-Generator der Ionenkanone.

Die Erfindung kann somit einen Ionenstrahlneutralisierer verwenden, der Folgendes umfasst: eine offenendige Plasmaquellenkammer, Mittel zum Einlassen eines Plasmabildungsgases in die Plasmaquellenkammer, eine RF-Erzeugungsspule, die die Plasmaquellenkammer umgibt, um ein Plasma darin zu erzeugen, und eine Absauggitterstruktur über das offene Ende der Plasmaquellenkammer, einschließlich einem ersten Gitter für den Anschluss an eine negative Potenzialquelle und einem zweiten Gitter für den Anschluss an eine positive Potenzialquelle, um ein Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Elektronen in Richtung auf und durch das zweite Gitter der Absauggitterstruktur zu erzeugen. Ein solcher Ionenstrahlneutralisierer kann ein Inertgas, ein Reaktivgas oder ein Gemisch aus einem Inertgas und einem Reaktivgas als Plasmabildungsgas verwenden.

Damit die Erfindung besser verständlich wird und leichter ausgeführt werden kann, werden nachfolgend, jedoch nur beispielhaft, einige bevorzugte Formen einer Ionenstrahlenverarbeitungsvorrichtung mit Bezug auf die teilschematischen Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:

1 einen vertikalen Schnitt durch eine Ionenstrahlverarbeitungsvorrichtung;

2 eine Draufsicht auf die Ionenkanonenoberseite der Vorrichtung von 1;

3 einen horizontalen Teilschnitt durch die Plasmakammer der Vorrichtung der 1 und 2;

4 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 3;

5 eine Ansicht der Primärmagnet-Array der Vorrichtung der 1 bis 4;

6 einen vertikalen Schnitt durch die Steuergitterstruktur der Vorrichtung der 1 bis 5 in einem vergrößerten Maßstab;

7 das Magnetfeld, das von den Sekundärmagneten der in den 1 und 2 gezeigten Ionenkanone erzeugt wird;

8 einen vertikalen Schnitt durch eine zweite Form von Ionenkanone, die gemäß der Erfindung konstruiert ist;

9 eine Draufsicht auf die Ionenkanone von 8;

10 und 11 jeweils einen Schnitt entlang der Linie A-A bzw. B-B von 9;

12 und 13 eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf den Körper der Ionenkanone von 8;

14 und 15 jeweils einen Schnitt entlang der Linie C-C bzw. D-D von 12;

16 einen vergrößerten Schnitt eines Körperteils der Ionenkanone von 8;

17 ein schematisches Diagramm der Achse der Rohrleitung, aus der die RF-Emitterspule gebildet ist;

18 und 19 jeweils einen Schnitt und eine Seitenansicht der RF-Emitterspule;

20, zu Vergleichszwecken, eine Darstellung der Ionenstrahldivergenz in einer Ionenkanone des Standes der Technik mit herkömmlicher Dreigitter-Elektrodenstruktur;

21 eine Darstellung der Ionenstrahldivergenz, die direkt mit der in 20 gezeigten Darstellung vergleichbar ist, in einer Viergitter-Elektrodenionenkanone gemäß der Erfindung;

22 eine Draufsicht auf ein Elektrodengitter für die Verwendung in der Ionenkanone der Erfindung; und

23 einen vertikalen Schnitt durch eine dritte Form von Ionenkanone, die gemäß der Erfindung konstruiert ist, und zeigt eine Elektrodengitteranordnung, in der das zweite Gitter geformt ist.

In 1 bis 7 der Zeichnungen umfasst eine Ionenstrahlverarbeitungsvorrichtung 1 eine Vakuumkammer (schematisch mit 2 bezeichnet), über der eine Ionenkanone 3 montiert ist. Die Ionenkanone 3 umfasst einen Plasmagenerator 4, der auf einer offenendigen Plasmakammer 5 montiert ist, deren unteres Ende von einer Steuergitterstruktur 6 verschlossen wird. Die Steuergitterstruktur 6 wird nachfolgend ausführlich beschrieben. Ein Plasmaneutralisierer 7 ist in der Vakuumkammer 2 montiert, um den Ionenstrahl 8 zu neutralisieren, der aus dem unteren Ende der Ionenkanone 3 austritt. Ein Target 9 wird im Pfad des Ionenstrahls 8 platziert.

Der Plasmagenerator 4 umfasst ein dielektrisches Element 10, das das offene obere Ende der Plasmakammer 5 verschließt. Es ist eine Reihe von Gaseinlassdüsen vorgesehen, wie durch die Pfeile 11 angedeutet ist, durch die ein Plasmabildungsgas wie z. B. Argon oder ein Gemisch aus einem Plasmabildungsgas und einem Reaktivgas wie Sauerstoff in die Plasmakammer 5 eingeleitet werden kann. Eine RF-Spule 12 sitzt auf dem Element 10 und ist mit einer geeigneten RF-Leistungsquelle verbunden, die beispielsweise mit 13,56 MHz arbeitet. Magnete 13 und 14 sind für einen Zweck vorgesehen, der nachfolgend näher beschrieben wird.

Die Plasmakammer 5 umfasst einen offenendigen metallischen Körper 15 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder einem anderen leitenden, nichtmagnetischen Material, in dem eine Mehrzahl von primären Stabmagneten 16 montiert sind. Zur Vereinfachung der Montage ist der Körper 15 zweiteilig gefertigt, d. h. aus einem inneren Teil 17 und einem äußeren Teil 18, zwischen denen die Primärmagnete 16 positioniert sind.

Wie aus 3 ersichtlich ist, gibt es zweiunddreißig primäre Stabmagnete 16, die in Längsrichtung zur zylindrischen Außenfläche des inneren Teils 17 befestigt sind. Es werden vorzugsweise die stärksten verfügbaren Magnete verwendet, z. B. Seltenerdmagnete wie aus Samarium-Cobalt. Solche Magnete haben typischerweise eine Feldstärke in der Größenordnung von 1 bis 2 kGauss. Wie in 3 illustriert ist, gibt es zweiunddreißig Primärmagnete 16. Es kann jedoch auch eine größere oder kleinere Zahl von Primärmagneten verwendet werden, wie z. B. dreißig oder weniger (z. B. vierundzwanzig) oder bis zu vierzig oder mehr (z. B. achtundvierzig), immer unter der Voraussetzung, dass die Zahl der Primärmagnete 16 gerade ist. Solche Primärmagnete 16 sind gleichmäßig um den äußeren Umfang des inneren Teils 17 herum verteilt, wobei die längste Abmessung im Wesentlichen parallel zur Achse der Plasmakammer 5 angeordnet ist. Wie in 4 angedeutet ist, sind die Magnetachsen der Primärmagnete 16 jedoch radial in Bezug auf die Plasmakammer 5 angeordnet, so dass ihre jeweiligen Nord- und Südpole (in 4 jeweils mit N und S bezeichnet) in der Richtung ihrer kürzesten Dimension getrennt sind, wobei die Primärmagnete 16 mit abwechselnder Magnetpolarität um den Umfang des inneren Teils 17 herum angeordnet sind.

Über den Primärmagneten 16 befindet sich eine ringförmige Nut 19 und darunter eine entsprechende ringförmige Nut 20. Die Nuten 19 und 20 sind über Räume 21 zwischen benachbarten Primärmagneten 16 miteinander in Verbindung. Die Nuten 19 und 20 sowie die Räume 21 bilden Kanäle für Kühlfluid (z. B. Wasser), über die die Primärmagnete 16 und der Körper 15 beim Gebrauch gekühlt werden können. Die Bezugsziffern 22 und 22a bezeichnen Kühlfluidzu- und -abfuhrkanäle, die in dem ringförmigen Element 23 vorgesehen sind. Wie in 5 zu sehen ist, sind in den Nuten 19, 20 Leitbleche 24, 25 vorgesehen, damit das Kühlfluid einem bestimmten Pfad folgt.

4 zeigt die Magnetkraftlinien 26, die von Primärmagneten 16 erzeugt werden. Diese Kraftlinien verlaufen von der Innenfläche des Körpers 15 in den Hohlraum 27 in der Plasmakammer 5 und in einem Bogen über die Bereiche 28, die parallel zur Achse des Körpers 5 verlaufen, zurück in die Wand des Hohlraums 27.

Zurück zu 1, das untere Ende der Plasmakammer 5 wird durch eine Steuergitterstruktur 6 geschlossen, die in 6 ausführlicher in einem stark vergrößerten Maßstab gezeigt wird. Die Gitterstruktur 6 umfasst drei Gitter 29, 29a und 30, die jeweils mit ausgerichteten Löchern 31, 31a und 32 gebildet sind. Das Gitter 29 ist positiv vorgespannt, während das Gitter 30 negativ vorgespannt oder geerdet ist. Das Gitter 29a ist positiv vorgespannt, aber schwächer als das Gitter 29, so dass zwischen den Gittern 29 und 29a bzw. den Gittern 29a und 30 zwei Beschleunigungsfelder entstehen, um Ionen in Richtung auf und durch die Gitter 29a und 30 zu beschleunigen. Solche Gitter können aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung oder aus einer Kohlenstoffplatte oder aus einer geeigneten Aluminiumlegierung hergestellt sein. Aluminium kann bestimmte Vorzüge bieten, wo eine Schwermetallkontamination vermieden werden soll. An das Gitter 29 wird typischerweise ein positives Potenzial von bis zu etwa 1000 V angelegt, während an das Gitter 30 ein negatives Potenzial von 0 bis etwa 2000 V angelegt wird. An das Gitter 29a wird ein positives Potenzial von bis zu etwa 850 V oder mehr, z. B. 750 V angelegt. Der durch diese Gitteranordnung erzeugte Ionenstrahl wird nachfolgend ausführlicher erörtert.

Nun mit Bezug auf den Ionenstrahlneutralisierer 7, ein Gas wie Argon oder Sauerstoff wird, wie durch den Pfeil 33 angedeutet, durch die Leitung 34 in eine hohle isolierte Elektrodenbaugruppe 35 geleitet. Das offene Ende der Elektrodenbaugruppe 35 wird von einem Paar Gitter 36 und 37 verschlossen. Eine RF-Generatorspule 38 umgibt die Elektrodenbaugruppe 35. Diese wird praktischerweise mit derselben Frequenz angesteuert wie die RF-Generatorspule 12, z. B. mit 13,56 MHz. Das Gitter 36 ist negativ, das Gitter 37 positiv vorgespannt, um ein Beschleunigungsfeld zwischen den Gittern 36 und 37 zu erzeugen, um Elektronen in Richtung auf und durch das Gitter 37 zu beschleunigen.

2 zeigt eine Draufsicht auf die Positionen der optionalen Sekundärmagnete 13 und 14 in Bezug auf die RF-Generatorspule 12. Diese Sekundärmagnete erzeugen ein magnetisches Dipolfeld, das die Erregungsspule 12 penetriert. Die Form dieses Magnetfeldes ist in 7 schematisch dargestellt. Wie aus 7 ersichtlich ist, sind die Magnetisierungsachsen der Magnete 13 und 14 so angeordnet, dass entweder ihr Nordpol oder ihr Südpol dem dielektrischen Element 10 zugewandt ist, und so, dass die Kraftlinien 47 die RF-Generatorspule 12 penetrieren und einen Bogen über die Innenfläche des dielektrischen Elementes 10 bilden.

Die Bezugsziffer 48 kennzeichnet eine RF-Leistungsquelle, die mit der Spule 12 verbunden ist; sie kann auch mit der Spule 38 verbunden sein. Alternativ kann die Spule 38 ihre eigene separate RF-Leistungsquelle haben. Die Linien 49 und 50 kennzeichnen positive Speiseleitungen jeweils für die Elektrode 17 und das Gitter 29. Die Elektrode 17 und das Gitter 29 sind praktischerweise auf demselben positiven Potenzial. Die Bezugsziffer 51 kennzeichnet eine negative Speiseleitung zum Anlegen des negativen Vorspannungspotenzials an das Gitter 30.

Die Vakuumkammer 2 kann mit einem geeigneten Vakuumpumpsystem 52 evakuiert werden, das über die Leitung 53 mit der Vakuumkammer 2 verbunden ist.

Beim Gebrauch der Ionenstrahlverarbeitungsvorrichtung 1 wird die Vakuumkammer 2 auf einen Druck von typischerweise etwa 10–5 Millibar bis etwa 10–5 Pa (10–7 Millibar) evakuiert. Ein Plasmabildungsgas wie z. B. Argon, ein Reaktivgas oder ein Gemisch aus einem Plasmabildungsgas und einem Reaktivgas, z. B. O2, CO2, Cl2, SF6, C2F6 oder ein C2F6/CHF3-Gemisch, wird durch Einlässe 11 eingelassen. Die RF-Spule 12 wird dann zum Erzeugen eines Plasmas erregt. Dieses Plasma hat ein Plasmapotenzial von höchstens ein paar Dutzend Volt, z. B. etwa +10 V (Volt) über dem Potenzial des Gitters 29, an dem normalerweise dasselbe Potenzial anliegt wie an der Elektrode 17. Freigesetzte Elektronen werden in Regionen 28 durch die Magnetkraftlinien 26 eingefangen. Das Gitter 29 wird auf ein positives Potenzial von etwa 900 V vorgespannt, während das Gitter 29a auf ein positives Potenzial von 725 V und das Gitter 30 auf ein negatives Potenzial von etwa –100 V vorgespannt wird. Die Ionen im Hohlraum 28 werden in Richtung auf und durch das Gitter 29 beschleunigt und dann sanft durch das elektrische Feld zwischen dem Gitter 29 und dem Gitter 29a beschleunigt, bevor sie weiter durch das elektrische Feld zwischen dem Gitter 29a und dem Gitter 30 beschleunigt werden, um in der Form eines kollimierten Ionenstrahls 8 von definierter Energie auszutreten. Nach der Passage durch das Gitter 30 bewegen sich Ionen auf ihrem Weg zum Target 9, das geerdet ist, in einem Verlangsamungsfeld. Die Ionen kommen an dem geerdeten Target 9 mit einer Energie an, die gleich oder etwa gleich dem Potenzial des ersten, positiven Gitters 29 plus dem Hüllenpotenzial ist. Wenn also eine Vorspannung von +900 V an das Gitter 29 angelegt wird, das in Plasma eingetaucht ist, dann kommen die Ionen am Target 9 mit einem Potenzial von etwa 910 V an, unabhängig davon, wie hoch das am dritten Gitter 30 anliegende negative Potenzial ist. Das Gitter 29a ist so geformt, dass eine regulierte Trennungsvariation über den Bereich des Gitters erzielt wird. Dadurch können Änderungen der Plasmadichte mit minimalem Effekt auf die lokale Strahlendivergenz aufgenommen werden, wie mit Bezug auf 23 unten erörtert wird.

Ein Plasmabildungsgas wie z. B. Argon, ein Reaktivgas oder ein Gemisch aus einem Plasmabildungsgas und einem Reaktivgas, wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 cm3 pro Minute bis etwa 5 cm3 pro Minute, gewöhnlich am oberen Ende dieses Bereichs, durch die Leitung 34 in den Neutralisierer 7 geleitet. Die RF-Generatorspule 38 wird eingeschaltet, um die Elektronenentladung zu starten. Nach Beginn der Elektronenentladung kann diese mittels eines Haltepotenzials von etwa 20 V bis etwa 40 V nach der Reduzierung der Gasströmungsrate in der Leitung 33 bis etwa 1 cm3 pro Minute gehalten werden.

Unter dem Einfluss des RF-Signals von der Spule 12 wird das über die Einlässe 11 eingeleitete Gas zum Bilden eines Plasmas aus Ionen und freien Elektronen in der Plasmakammer 5 getrennt, wobei die Ionen den mittleren Teil der Kammer 5 füllen, während die Elektronen durch die Magnetkraftlinien 26 an den Wänden der Kammer 5 eingefangen werden. Aufgrund der geometrischen Trennung der RF-Erzeugungsspule 12 von den Zonen 28 der magnetischen Begrenzungsregion in der Plasmakammer 5 ist das Plasma im mittleren Teil der Kammer 5 danach gleichförmig und hat ein relativ niedriges Plasmapotenzial. Dies bedeutet wiederum, dass nur ein relativ niedriges Beschleunigungspotenzial benötigt wird, um Ionen aus diesem Plasma abzusaugen und sie in Richtung auf und durch die Steuergitterstruktur 6 zu beschleunigen. Somit wird das Risiko einer Überhitzung oder Beschädigung der Steuergitterstruktur 6 und insbesondere des Gitters 29 minimiert.

Der Neutralisierer 7 liefert einen Strahl von Elektronen in den Pfad des Ionenstrahls 8 und bewirkt eine Stromneutralisierung am Target 9.

Da keine erhitzte Kathode benutzt wird, um das Plasma zu erzeugen, kann die illustrierte Vorrichtung mit jedem beliebigen Inert- oder Reaktivgastyp verwendet werden. Typische Gase, die verwendet werden können, sind unter anderem Argon, Krypton, Xenon, H2, O2, Cl2, SF6, CO2, CF4, C2F6, CHF3 und Gemische von zwei oder mehr davon.

Die illustrierte Ionenstrahlenverarbeitungsvorrichtung 1 wird zum Ionenstrahlätzen eingerichtet. Es ist eine einfache Sache, die Vorrichtung für eine Aufstäubungsbeschichtung zu modifizieren. In diesem Fall wird das Substrat 9 durch ein Target ersetzt und so angeordnet, dass ein Ionenstrahl 8 in einem schrägen Winkel darauf auftrifft, während ein Target im Pfad des darauf folgenden aufgestäubten Materials, aber außerhalb des Pfades des Ionenstrahls platziert wird.

8 ist ein vertikaler Schnitt durch eine andere Form von Ionenkanone 100, die gemäß der Erfindung konstruiert ist. Diese umfasst einen Körper 101 aus einem austenitischen Edelstahl, um den herum zwanzig Stabmagnete 102 symmetrisch um den Umfang der Ionenkanone 100 angeordnet montiert sind. (Es gibt in dieser Ausgestaltung weniger Magnete als in der der 1 bis 7, weil der Durchmesser des Körpers 101 geringer ist als der der Ionenkanone der 1 bis 7). Die Magnete 102 sind typischerweise Seltenerdmagnete wie z. B. Samarium-Cobalt-Magnete mit einer Feldstärke im Bereich von etwa 0,1 T bis etwa 0,2 T (1 Kilogauss bis etwa 2 Kilogauss). Wie aus 8 ersichtlich ist, ist die Magnetachse jedes Magnets 102 so ausgerichtet, dass sie radial mit Bezug auf die Achse der Ionenkanone 100 liegt und der kürzesten Dimension des Magnets 102 entspricht. Die Magnete 102 sind mit abwechselnder Polarität um den Umfang der Ionenkanone 100 herum angeordnet, so dass die Nordpole (nicht die Südpole) der Magnete neben dem in 8 gezeigten Magnet der Achse der Ionenkanone 100 zugewandt sind, und die Südpole der nächsten benachbarten Magnete sind der Achse der Ionenkanone 100 zugewandt, usw. Ein Polstück 103 aus Weicheisen oder einem weichen magnetischen Material umgibt den Körper 101 und die Magnete 102.

Der Körper 101 hat ein offenes oberes Ende, das von einer dielektrischen Endplatte 104 aus Aluminiumoxid verschlossen wird. Alternativ kann er aus einem anderen dielektrischen Material wie z. B. Silica hergestellt sein.

Über der Endplatte 104 befindet sich eine RF-Generatorspule 105 in der Form einer spiralförmig gewundenen Kupferrohrleitung mit vier vollständigen Umdrehungen. (Der Deutlichkeit halber wurden die Schlangen der RF-Generatorspule in 9 weggelassen; der Aufbau der Spule 105 ist jedoch ausführlicher in 17 bis 19 dargestellt, wie (nachfolgend ausführlicher) beschrieben wird. Wasser kann durch die Spule 105 gepumpt werden, um sie zu kühlen. Die Endabschnitte der Spule 105 sind mit den Bezugsziffern 106 und 107 bezeichnet.

Ein oberer Ring 108 hält die Endplatte 104 fest und stützt ferner eine Klammer 109 für die Spule 105. Der obere Ring 108 wird mit Innensechskantschrauben 110 festgehalten. Ein Dichtungsring 111 dient zur Bereitstellung einer Dichtung zwischen der Endplatte 104 und dem oberen Ring 108.

Die Ionenkanone 100 ist in einer Vakuumkammer montiert, ähnlich wie die Vakuumkammer 2 der Vorrichtung der 1 bis 8, die mit der Bezugsziffer 112 bezeichnet und der Vakuumkammer 2 allgemein ähnlich ist. Insbesondere ist sie mit Verbindungen zu einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) versehen und mit einem Ionenstrahlneutralisierer (nicht dargestellt) und einem Target (ebenfalls nicht dargestellt) ausgestattet. Die Kanone 100 ist am Körper der Vakuumkammer 112 mit einem Abstandshalter 113, einer Klammer 114 und Schrauben 115 montiert. Ein Dichtungsring 116 dient als Vakuumdichtung zwischen dem Polstück 103 und dem Abstandshalter 113.

Die 12 bis 15 zeigen den Aufbau des Körpers 101 ausführlicher. In seiner Außenfläche sind zwanzig Schlitze 117 ausgebildet, jeweils zur Aufnahme eines entsprechenden Stabmagnets 102. Am unteren Ende des Körpers 101 ist eine Reihe von kurzen Nuten 118, insgesamt fünf, eingearbeitet, die gleichmäßig um den Umfang des Körpers 101 beabstandet sind. Es gibt auch vier Nuten 119 am oberen Ende des Körpers 101, aber diese sind in Bezug auf die Nuten 118 versetzt. Vertikale Bohrungen 120 verbinden die Nuten 118 und 119. Die Bohrungen 121 und 122 bilden einen Einlass- und Auslasskanal zu dem gewundenen Pfad, der von Nuten 118 und 119 sowie von Bohrungen 120 gebildet wird. Wie aus 8 ersichtlich ist, werden die Nuten 118 mit einem geteilten Ring 123 geschlossen, der auf das untere Ende des Körpers 101 geschweißt ist, während Einsetzplatten 124 (in 13 dargestellt) in das obere Ende des Körpers 101 geschweißt sind, um die Nuten 119 zu verschließen. Auf diese Weise entsteht ein geschlossener Kanal für Kühlmittel wie z. B. Wasser durch den Körper 101, der einem gewundenen Pfad folgt, der zwischen benachbarten Magnetpaaren 102 verläuft. Es sind Ein- und Auslassverbindungen 125 und 126 vorgesehen, die mit den Bohrungen 121 und 122 in Verbindung stehen.

Der Körper 101 trägt an seinem unteren Ende eine Steuergitterstruktur, die ein erstes Gitter 127, ein zweites Gitter 128 und ein drittes Gitter 129 aufweist. Das Gitter 127 ist direkt mit dem Körper 101 und in elektrischem Kontakt damit verschraubt. Die Gitter 128 und 129 werden an drei Punkten um den Umfang des Körpers 101 von geeigneten Isolatorauflagen 129a (von denen nur eine dargestellt ist) getragen. Wie in 10 gezeigt, sind sie über jeweilige Leitungen 131 und 131a mit Anschlüssen 130 und 130a verbunden. Diese Leitungen passieren durch jeweilige Isoliersäulen 132 und 132a und dann durch jeweilige Isolierrohre 133 und 133a, die in Bohrungen 134 und 134a montiert und mittels einer jeweiligen Durchführung 135 oder 135a mit jeweiligen Gittern 128 und 129 elektrisch verbunden sind, wobei diese Durchführung durch einen jeweiligen Abstandshalter 136 oder 136a passiert, der in einem oder mehreren Löchern im Gitter 127 steckt. Die Mutter 137 oder 137a und die Zwischenscheibe 138 oder 138a vervollständigen die Verbindung mit jeweiligen Gittern 128 und 129. Mit dieser Anordnung erhält das Gitter 127 das Potenzial des Körpers 101, während die Gitter 128 und 129 unabhängig vorgespannt werden können, indem ein geeignetes Potenzial an den jeweiligen Anschluss 130 oder 130a angelegt wird.

Wie aus den 8, 10, 11 und 12 ersichtlich ist, hat der Körper 101 eine Nut 139, die unter dem Rand des dielektrischen Elementes 104 positioniert ist. Diese steht über eine transversale schräge Bohrung 140 (siehe 16) mit einer weiteren Bohrung 141 in Verbindung. Die Bezugsziffer 142 bezeichnet einen Stopfen, der das äußere Ende der Bohrung 140 verschließt. Eine Verbindung 143 für eine Plasmagasversorgung (siehe 9) wird in die Bohrung 140 geschraubt. Ein solches Plasmagas kann durch Leckage aus der Nut 139 durch einen Spalt 145 (der in 16 deutlicher zu sehen ist) unter dem dielektrischen Element 104 in die Plasmakammer 144 im Körper 101 eintreten.

Die Bezugsziffer 146 in den 8 und 9 bezeichnet einen Anschluss, über den ein geeignetes Potenzial, gewöhnlich ein positives Potenzial, an den Körper 101 und somit an das Gitter 127 angelegt werden kann.

Die 17 und 19 illustrieren den Aufbau der spiralförmigen RF-Spule 105 ausführlicher. Nur die Achse der Rohrschlange 105 ist in 17 dargestellt. Die Schlange hat 4 vollständige Umdrehungen zwischen den Abschnitten 106 und 107.

Beim Gebrauch der Ionenkanone von 8 bis 19 wird Wasser durch die Spule 105 und durch den gewundenen Pfad im Körper 101 durch den Einlass 125 und den Auslass 126 geleitet und die Vakuumkammer 112 wird auf einen geeigneten niedrigen Druck von beispielsweise 10–3 Pa bis 10–5 Pa (10–5 Millibar bis 10–7 Millibar) evakuiert. Der Körper 101 wird auf ein geeignetes Potenzial, z. B. +900 V vorgespannt, während das Gitter 128 z. B. auf +725 V und das Gitter 129 auf –100 V vorgespannt wird. Plasmabildungsgas wie z. B. Argon oder ein Gemisch aus Argon und einem Reaktivgas (z. B. Sauerstoff) wird dann über den Einlass 43 in die Vakuumkammer 112 geleitet, während der Druck im Bereich von etwa 10–1 Pa bis etwa 10–2 Pa (etwa 10–3 Millibar bis etwa 10–4 Millibar) gehalten wird. Nach dem Anlegen einer geeigneten RF-Frequenz, z. B. 13,56 MHz, an die Spule 105 wird ein Plasma in der Plasmakammer 144 erzeugt. Dieses äquilibriert typischerweise bei einem Plasmapotenzial von etwa 10 Volt über dem des Körpers 101 und des Gitters 127. Ionen wandern durch thermische Diffusion, so denkt man, zur Nähe des Gitters 127 und werden, nach dem Passieren durch das Gitter 127, sanft in Richtung auf und durch das Gitter 128 durch das elektrische Feld beschleunigt, das durch die Potenzialdifferenz zwischen den beiden Gittern 127 und 128 (z. B. etwa 175 Volt) erzeugt wird. Nach dem Passieren durch das Gitter 128 werden die Ionen stärker in Richtung auf und durch das Gitter 29 beschleunigt (durch eine Potenzialdifferenz von etwa 825 Volt). Nach dem Passieren durch das Gitter 129 wandern die Ionen weiter in der Vakuumkammer 112 in Richtung auf ein Target (ähnlich dem Target 9 von 1, aber nicht dargestellt), das typischerweise geerdet ist. Ein Ionenstrahlenneutralisierer (nicht dargestellt) ähnlich dem Neutralisierer 7 von 1 kann sich in der Vakuumkammer 112 befinden. Das Gitter 129 erzeugt ferner ein Verlangsamungsfeld, durch das Ionen, die das Gitter 129 durchquert haben, passieren müssen, bevor sie auf das Target treffen. Auf diese Weise wird ein Ionenstrahl mit einem geeigneten Strahlenpotenzial erzeugt, das normalerweise etwa dasselbe Potenzial wie das des Körpers 101 in der beschriebenen Anordnung ist.

20 zeigt den Effekt auf eine Ionenstrahldivergenz eines Dreigittersystems des Standes der Technik gemäß der EP-B-0462165. Der mit der Bezugsziffer 147 bezeichnete Ionenstrahl wird von der Plasmamasse 148 in Richtung auf das Gitter 29(p) beschleunigt, das auf einem positiven Potenzial von etwa 500 V gehalten wird. Dann kommt es zu einer raschen Beschleunigung durch das durch die Feldlinien 149 angedeutete elektrische Feld, die den Ionenstrahl in einen divergenten Strahl durch das Gitter 30(p) fokussieren, das auf einem Potenzial von etwa –500 V gehalten wird. Das Gitter 31(p) ist mit Erde verbunden. Die kolossale Beschleunigung des Ionenstrahls durch die Potenzialdifferenz von 1000 V zwischen den Gittern 29(p) und 30(p) ergibt eine sehr starke Raumladungsrepulsivkraft in der Region des Gitters 30(p). Diese Repulsivkraft erzeugt die starke Divergenz, bei 150 zu sehen, von etwa 79,3 mrad (d. h. etwa 4°).

Im Gegensatz dazu zeigt 21 den Effekt der Elektrodengitteranordnung gemäß der Erfindung. Das erste Gitter 29 wird auf einem positiven Potenzial von 900 V gehalten, während das zweite Gitter 29a auf einem tieferen positiven Potenzial von 725 V gehalten wird. Das zweite Gitter 29a ist wie in 23 gezeigt konturiert, so dass der Gitterabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter am Umfang der Gitter größer ist als an deren Mitte. Die Ionenbeschleunigung zwischen den Gittern 29 und 29a ist sanfter (eine Potenzialdifferenz von nur 175 V) als im Gitter des Standes der Technik gemäß 20. Dies erlaubt die Bildung eines stabiler kollimierten Strahls, der weniger anfällig für Raumladungsrepulsivkräfte in der Region des dritten Gitters 30 ist und somit eine Divergenz von nur 15,7 mrad (weniger als 1°) zeigt. In der in 21 gezeigten Ausgestaltung werden vier Elektrodengitter verwendet. Das dritte Gitter 30 wird auf einem negativen Potenzial von –100 V gehalten, das vierte Gitter 30a ist mit Erde verbunden.

22 zeigt ein geeignetes Gitter, in dem Löcher 31, 31a oder 32 zu sehen sind.

23 zeigt die bevorzugte Form der Gitteranordnung gemäß der Erfindung deutlicher, in der das zweite Gitter 29a; 128 konturiert ist. Die durch individuelle Löcher passierenden Ionenstrahlen stoßen einander in einem gewissen Maß ab. Wenn das mittlere Gitter im Querschnitt bogenförmig ist, neigt es dazu, die Ionenstrahlen auf einen Punkt zu fokussieren, aber dann neigt die Repulsion dazu, sie gerade und parallel zueinander zu machen.

Die Fachperson wird erkennen, dass die illustrierten Ionenkanonen für Inertgas-Ionenstrahlätzen, Reaktivionenstrahlätzen oder chemisch assistiertes Ionenstrahlätzen eingesetzt werden können, indem das oder die Gas(e) geeignet gewählt wird/werden, das/die der Plasmakammer und dem Ionenstrahlneutralisierer zugeführt wird/werden.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung (3; 100) für die Produktion von energiearmen geladenen Partikelstrahlen, die Folgendes umfasst: eine Plasmakammer (5); Mittel (12), um in der Plasmakammer ein Plasma zu erzeugen, das Partikel einer ersten Polarität und entgegengesetzt geladene Partikel einer zweiten Polarität umfasst; Mittel (16), um Partikel der ersten Polarität in der Plasmakammer (5) zu halten; ein erstes Mehrloch-Elektrodengitter (29, 127), das mit dem Plasma in Kontakt kommt, wobei das erste Elektrodengitter für den Anschluss an eine erste Potenzialquelle vorgesehen ist, um ein erstes Potenzial der zweiten Polarität an das erste Elektrodengitter anzulegen; und ein zweites Mehrloch-Elektrodengitter (29a; 128), das für den Anschluss an eine zweite Potenzialquelle vorgesehen ist, um ein zweites Potenzial an das zweite Elektrodengitter anzulegen, wobei das zweite Potenzial niedriger ist als das erste Potenzial, um zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodengitter ein erstes Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von geladenen Partikeln der zweiten Polarität in Richtung auf und durch das zweite Gitter zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Mehrloch-Elektrodengitter (30; 129) für den Anschluss an eine dritte Potenzialquelle vorgesehen ist, um ein drittes Potenzial der ersten Polarität an das dritte Elektrodengitter anzulegen und um zwischen dem zweiten und dem dritten Elektrodengitter ein zweites Beschleurigungsfeld zum Beschleunigen geladener Partikel der zweiten Polarität in Richtung auf und durch das dritte Elektrodengitter zu erzeugen, dadurch, dass der Gitterabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter am Umfang der Gitter größer ist als in ihrer Mitte, und dadurch, dass die Löcher des ersten, zweiten und dritten Gitters so ausgerichtet sind, dass aus einem Loch des ersten Gitters austretende Partikel durch ein entsprechendes Loch des zweiten Gitters und dann durch ein entsprechendes Loch des dritten Gitters in der Form eines Beamlets beschleunigt werden, wobei eine Mehrzahl von Beamlets von dem dritten Gitter einen Strahl unterhalb des dritten Gitters bilden.
  2. Vorrichtung (3; 100) nach Anspruch 1, wobei die geladenen Partikel der ersten Polarität Ionen sind und die geladenen Partikel der zweiten Polarität Elektronen sind.
  3. Vorrichtung (3; 100) nach Anspruch 1, bei der die geladenen Partikel der ersten Polarität Elektronen sind und die geladenen Partikel der zweiten Polarität Ionen sind.
  4. Vorrichtung (3; 100) nach Anspruch 1 in der Form einer Niederenergieionenkanone für den Einsatz in der Ionenstrahlverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmakammer (5) einen offenendigen, leitenden, nichtmagnetischen Körper umfasst, von dem ein erstes Ende durch ein flaches oder minimal gewölbtes dielektrisches Element geschlossen ist, und mit Elektroden (6) an einem dem ersten Ende gegenüber liegenden zweiten Ende davon; dadurch, dass ein Primärmagnet (16) um den Körper herum angeordnet ist, um Elektronen neben der Wand der Plasmakammer (5) beim Gebrauch der Ionenkanone einzufangen; dadurch, dass ein RF-Induktionsgerät vorgesehen ist, das eine im Wesentlichen flache Spule (12) aufweist, die neben dem dielektrischen Element liegt, um induktiv ein Plasma in der Plasmakammer (5) zu erzeugen, dadurch, dass das erste Mehrlochgitter (29; 127) für den Anschluss an eine erste positive Potenzialquelle vorgesehen und so positioniert ist, dass es mit dem Plasma in der Plasmakammer Kontakt erhält; dadurch, dass das zweite Mehrlochgitter (29; 128) für den Anschluss an eine zweite Potenzialquelle mit einem tieferen Potenzial als das der ersten Quelle vorgesehen ist, um ein erstes Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Ionen in Richtung auf und durch das zweite Gitter zu erzeugen; und dadurch, dass das dritte Mehrlochgitter (30; 129) für den Anschluss an eine dritte Potenzialquelle mit einem niedrigeren Potenzial als das der zweiten Potenzialquelle vorgesehen ist, um ein zweites Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Ionen in Richtung auf und durch das dritte Gitter zu erzeugen.
  5. Vorrichtung (3; 100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Potenzialquelle die Aufgabe hat, ein negatives Potenzial an das dritte Gitter (30; 129) anzulegen.
  6. Vorrichtung (3; 100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Potenzialquelle das dritte Gitter (30; 129) erden soll.
  7. Vorrichtung (3; 100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein viertes Gitter vorgesehen und für den Anschluss an Masse angeordnet ist.
  8. Niederenergieionenkanone (3; 100) für den Einsatz in der Ionenstrahlverarbeitung, die Folgendes umfasst: eine Plasmakammer (5), umfassend einen offenendigen, leitenden, nichtmagnetischen Körper, von dem ein erstes Ende durch ein flaches oder minimal gewölbtes dielektrisches Element geschlossen ist, und mit Elektroden (6) an einem dem ersten Ende gegenüber liegenden zweiten Ende davon; einen Primärmagnet (16), der um den Körper herum angeordnet ist, um Elektronen neben der Wand der Plasmakammer beim Gebrauch der Ionenkanone einzufangen; und ein RF-Induktionsgerät, das eine im Wesentlichen flache Spule (12) aufweist, die neben dem dielektrischen Element liegt, um induktiv ein Plasma in der Plasmakammer (5) zu erzeugen, wobei die Elektroden ein erstes Mehrlochgitter (29; 127) für den Anschluss an eine erste positive Potenzialquelle beinhalten, das so positioniert ist, dass es mit dem Plasma in der Plasmakammer Kontakt erhält; und ein zweites Mehrlochgitter (29; 128) für den Anschluss an eine zweite Potenzialquelle mit einem tieferen Potenzial als das der ersten Quelle vorgesehen ist, um ein erstes Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Ionen in Richtung auf und durch das zweite Gitter zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Mehrlochgitter (30; 129) für den Anschluss an eine negative Potenzialquelle vorgesehen ist, um ein zweites Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Ionen in Richtung auf und durch das dritte Gitter zu erzeugen, und dadurch, dass ein viertes Mehrlochgitter (30a) für den Anschluss an Erde vorgesehen ist, wobei die Löcher des ersten, zweiten, dritten und vierten Gitters so ausgerichtet sind, dass aus einem Loch des ersten Gitters austretende Ionen durch ein entsprechendes Loch des zweiten Gitters und dann durch ein entsprechendes Loch des dritten Gitters vor dem Passieren durch ein entsprechendes Loch des vierten Gitters in der Form eines Beamlets beschleunigt werden, wobei eine Mehrzahl von Beamlets von dem vierten Gitter einen Strahl unterhalb des vierten Gitters bilden.
  9. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 8, bei der die Potenzialdifferenz zwischen dem zweiten und dem dritten Gitter größer ist als die Potenzialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter, so dass das erste Beschleunigungsfeld mäßiger ist als das zweite Beschleunigungsfeld.
  10. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter am Umfang der Gitter größer ist als an ihrer Mitte.
  11. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterabstand am Umfang der Gitter um etwa 30% größer ist als der Gitterabstand in der Mitte der Gitter.
  12. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 16 [sic], dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Gitter so konturiert ist/sind, dass ein geringerer Gitterabstand in Richtung auf den mittleren Bereich der Gitter im Vergleich zu deren Umfangsbereich entsteht.
  13. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gitter eine regelmäßige Array von Löchern mit einem Durchmesser von 2 mm bis 6 mm umfasst.
  14. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Löcher einen Durchmesser von etwa 4 mm hat.
  15. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterabstand zwischen benachbarten Löchern im Bereich der Mitte benachbarter Gitter 0,5 mm bis 3,0 mm beträgt.
  16. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterabstand zwischen benachbarten Löchern im Bereich der Mitte benachbarter Gitter etwas 1 mm beträgt.
  17. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter aus einem starren Material gefertigt sind.
  18. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Element (10; 104) flach ist.
  19. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12; 105) außerhalb des dielektrischen Elementes (10; 104) oder neben diesem liegt oder darin eingebettet ist.
  20. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12; 105) so ausgelegt ist, dass sie bei einer Frequenz im Bereich von etwa 1 MHz und etwa 40 MHz arbeitet.
  21. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Primärmagnet eine Anordnung von Magneten (16; 102) umfasst, die Magnetflusslinien in der Plasmakammer (5) erzeugen sollen, die in einer Kurve von der Wand der Plasmakammer (5) verlaufen und dorthin zurückkehren und dabei einen Bogen über einen jeweiligen einen aus einer Mehrzahl von Wandbereichen der genannten Plasmakammer (5) beschreiben.
  22. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Wandbereiche longitudinal zu der Wand der genannten Plasmakammer (5) von einem Ende der Kammer (5) zum anderen verlaufen.
  23. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Primärmagnet eine gerade Zahl von Magneten (16; 102) umfasst, die zu einer Array angeordnet sind, die wenigstens eine Reihe beinhaltet, die um die Peripherie der genannten Plasmakammer verläuft, wobei jeder Magnet (16; 102) in der genannten Array so angeordnet ist, dass seine Magnetachse im Wesentlichen in einer lateralen Ebene verläuft und einen Pol mit entgegengesetzter Polarität zu der der Magnete (16; 102) daneben aufweist, die der Plasmakammer (5) zugewandt sind.
  24. Ionenkanone (3; 100) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Array von Magneten (16; 102) eine Mehrzahl von Reihen von Magneten (16; 102) umfasst, die um den Umfang der genannten Plasmakammer verlaufen, wobei jeder Magnet (16; 102) in einer Reihe einen Pol von entgegengesetzter Polarität zu der eines Nachbarmagneten (16; 102) in einer anderen Nachbarreihe hat, die der Plasmakammer (5) zugewandt ist.
  25. Ionenkanone (3; 100) nach einem der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Sekundärmagnet (13, 14) aufweist, der mit der RF-Emitterspule (12) assoziiert ist und ein magnetisches Dipolfeld erzeugt, das die RF-Emitterspule (12) penetriert.
  26. Verfahren zum Erzeugen eines Niederenergieionenstrahls, umfassend die folgenden Schritte:

    (a) Bereitstellen einer Ionenkanone nach einem der Ansprüche 8 bis 25;

    (b) Zuführen eines Plasmabildungsgases zu der Plasmakammer;

    (c) Erregen des RF-Induktionsgerätes, um ein Plasma in der Plasmakammer zu erzeugen;

    (d) Zuführen des Plasmas zu einem Einlassende des ersten Gitters, so dass das Plasma durch das erste Gitter in Richtung auf dessen Auslassende passiert;

    (e) Beschleunigen des Plasmas zwischen dem Auslassende des ersten Gitters und einem Einlassende des zweiten Gitters, so dass das Plasma durch das zweite Gitter in Richtung auf ein Auslassende davon passiert;

    (f) weiteres Beschleunigen des Plasmas zwischen dem Auslassende des zweiten positiven Gitters und einem Einlassende des dritten Gitters, so dass das Plasma durch das dritte Gitter in Richtung auf ein Auslassende davon passiert; und

    (g) Zurückgewinnen einer Mehrzahl von Ionen-Beamlets von dem Auslassende des dritten Gitters.
  27. Niederenergie-Ionenstrahlverarbeitungsvorrichtung (1), die Folgendes umfasst:

    (1) eine Vakuumkammer (2);

    (2) eine Ionenkanone (3) mit der Aufgabe, einen Ionenstrahl in die Vakuumkammer (2) zu projizieren;

    (3) einen Ionenstrahlneutralisierer (7) zum Projizieren von Elektronen in den Ionenstrahl;

    (4) einen Träger für ein Target (9) oder ein Substrat im Pfad des Ionenstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenkanone (3) eine Ionenkanone nach einem der Ansprüche 8 bis 25 ist.
  28. Ionenstrahlverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenstrahlneutralisierer (7) von einer RF-Energiequelle (38) gespeist wird.
  29. Ionenstrahlverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 27 oder Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenstrahlneutralisierer (7) Folgendes umfasst: eine offenendige Plasmaquellenkammer (35), Mittel (34) zum Einlassen eines Plasmabildungsgases in die Plasmaquellenkammer (35), eine RF-Erzeugungsspule (38), die die Plasmaquellenkammer (35) umgibt, um induktiv ein Plasma darin zu erzeugen, und eine Extraktionsgitterstruktur (36, 37) über das offene Ende der Plasmaquellenkammer (35), einschließlich einem ersten Gitter (36) für den Anschluss an eine Potenzialquelle, und ein zweites Gitter (37) für den Anschuuß an eine positive Potentialquelle, um ein Beschleunigungsfeld zum Beschleunigen von Elektronen in Richtung auf und durch das zweite Gitter (37) der Extraktionsgitterstruktur zu erzeugen.
Es folgen 15 Blatt Zeichnungen






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