PAPA, Frank (Van Pontstraat 2, VK Venlo, NL-5913, NL)
BANDORF, Ralf (Stahlstrasse 2b, Ilsede, 31241, DE)
PAPA, Frank (Van Pontstraat 2, VK Venlo, NL-5913, NL)
| Patentansprüche Vorrichtung (1) zur Schichtratenmessung von Ionen und Neutralteilchen (1) , umfassend a) ein eine Messkammer bildendes Gehäuse (2) mit mindestens einer Öffnung (30), b) ein Abschirmgitter (3) , das im Bereich der Einlassöffnung (30) des Gehäuses (2) angeordnet ist, sowie c) mindestens eine Vorrichtung (4) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen, die der Einlassöffnung (30) gegenüber angeordnet und gegenüber dem Abschirmgitter (3) elektrisch isoliert ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (4) an der Auslassöffnung (31) des Gehäuses (2) angeordnet, oder räumlich von der Auslassöffnung (30) des Gehäuses (2) beabstandet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) als zylindrisches Rohr, bevorzugt als zylindrisches Keramikrohr ausgebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer durch ein Gehäuse (8) definiert ist, die ein Fenster (10), das als Rahmen für das Abschirmgitter (3) dient, umschließt . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Schwingquarz ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ab- schirmgitter (3) über einen Kontaktbereich (5) zur elektrischen Kontaktierung verfügt. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Eintrittsöffnung (30) des Gehäuses (2) eine Blende (6) angeordnet ist, die bevorzugt Teil des weiteren Gehäuses (8) ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (4) räumlich von der Auslassöffnung des Gehäuses (2) beabstandet ist und zwischen der Auslassöffnung und der Vorrichtung (4) eine weitere Blende (7) angeordnet ist. Verfahren zur Bestimmung der Abscheiderate von Ionen und Neutralteilchen mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem a) das Abschirmgitter (3) mit einem elektrischen Potential gegenüber der Vorrichtung (4) zur Erzeugung mechanischer Schwingungen beaufschlagt, b) die Vorrichtung (4) zu mechanischen Schwingungen angeregt, und c) sich der auf der Vorrichtung (4) abscheidende Partikel quantifiziert wird. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an das Abschirmgitter (3) eine elektrische Potentialdifferenz, bevorzugt eine positive Potentialdifferenz, gegenüber der Vorrichtung (4) angelegt wird, bevorzugt eine Potentialdifferenz zwischen 0 und 2 kV, weiter bevorzugt zwischen 0 und 500 V, besonders bevor zugt zwischen 0 und 200 V, besonders bevorzugt zwischen 0 und 100 V. Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Messung Schichtratenmessung von Ionen und Neutralteilchen, der Schicht rate von Neutralteilchen. |
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur differenzierten Schichtratenmessung von Neutralteilchen und Ionen. Die Vorrichtung wird an die Posi- tion der zu beschichtenden Substrate bzw. eine definierte Referenzposition gebracht. Die Rate wird durch einen geeigneten Detektor, z.B. einen Schwingquarz ermittelt. Die Vorrichtung ist derart gestaltet, dass sie durch ein Abschirmgitter die Messung des Gesamt- flusses aus Ionen und Neutralteilchen, sowie die De- tektion der Neutralteilchen unter Ausblendung der Ionen ermöglicht. Über Differenzmessungen kann nun der Ionen- sowie der Neutralteilchenanteil, der schichtbildenden Spezies gemessen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der sich die Be- schichtungsrate, beispielsweise bei Sputter-Verfah- ren, messen bzw. bestimmen lässt. Ebenso ist es Auf- gäbe der vorliegenden Erfindung, ein Messverfahren zur Bestimmung des Anteils der Ionen an der Schichtbildung, d.h. an der effektiven Rate anzugeben. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Verwendungsmöglichkeiten einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung zur Schichtratenmessung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bezüglich des Verfahrens zur Bestimmung der Flussdichte, beispielsweise der Schichtrate, von
Neutralteilchen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, sowie bezüglich der Verwendungszwecke der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Merkmalen des Pa ¬ tentanspruchs 11 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung zur
Schichtratenmessung von Ionen und Neutralteilchen bereitgestellt, die als Mindestbestandteile a) ein eine Messkammer bildendes Gehäuse mit mindestens einer Öffnung,
b) ein Abschirmgitter, das im Bereich der Einlassöffnung des Gehäuses angeordnet ist, sowie c) mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen, die im Bereich der Auslassöffnung des Gehäuses angeordnet ist und gegenüber dem Abschirmgitter elektrisch isoliert ist , umfasst .
Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt somit der Kerngedanke zugrunde, dass die zu messenden Teilchen durch das Abschirmgitter in das Innere der Entladungskammer eindringen. Das Abschirmgitter, an das ein positives Potential angelegt werden kann, dient der Abschirmung der positiven Ionen im Plasma. Diese scheiden sich auf der Oberfläche des Schwingquarzes bzw. generell des Massedetektors ab und können so gesammelt und quantifiziert werden.
Das Abschirmgitter kann aus elektrisch leitenden Materialien, z.B. Metallen, gefertigt sein. Bevorzugte Maschengrößen des Gitters, d.h. der Durchmesser, der das Gitter bildenden Ausnehmungen, liegen hierbei in einem Bereich zwischen 10 und 100 μπι bzw. zwischen 50 und 500 μιη, generell im Bereich der Debyelänge der abzuschirmenden Teilchen (abhängig von der Art des Plasmas; der Plasmadichte)
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingun ¬ gen räumlich von der Auslassöffnung des Gehäuses beabstandet ist. Diese Ausführungsform sieht vor, dass eine räumliche Trennung der beiden Komponenten vorhanden ist. Dies bringt insbesondere den Vorteil mit sich, dass beispielsweise für den Fall, dass das Abschirmgitter in mechanischem Kontakt mit dem Gehäuse steht (beispielsweise auf der Einlassöffnung auf- liegend angeordnet ist) und metallische Partikel vermessen werden, ein Kurzschluss zwischen Abschirmgitter und Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen erschwert wird. Im Falle von zu messenden metallischen Partikeln können sich diese auf der Innenwandung der Entladungskammer abscheiden, so dass bei fortwährender Messung ein metallischer Film auf der Innenwand der Entladungskammer ausgebildet wird und die Innenwand der Entladungskammer somit nach und nach leitfähig wird. Bei großen Potentialunterschie- den zwischen der Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen und dem Abschirmgitter könnte somit ein Kurzschluss stattfinden. Durch räumliche Trennung der Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen und dem Abschirmgitter wird dieses Problem vermieden.
Alternativ hierzu kann die Messkammer durch ein Gehäuse definiert sein, das ein Fenster, das als Rahmen für ein Abschirmgitter dient, umschließt. Dadurch entsteht zwischen der Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen und dem Abschirmgitter ein Raum, der als Messkammer dient. Hierbei ist es bevor ¬ zugt, wenn das Abschirmgitter beispielsweise auf ei ¬ nem Rahmen, der das Eintrittsfenster in die Vorrich ¬ tung darstellen kann, aufgespannt ist.
Insbesondere ist die Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen ein Schwingquarz.
Zum Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der Vorrichtung zur Erzeugung von mechani ¬ schen Schwingungen und dem Abschirmgitter ist es be ¬ vorzugt, wenn das Abschirmgitter über eine Möglichkeit zur elektrischen Kontaktierung, z.B. eine Anschlussklemme, verfügt. Bevorzugt wird das Abschirm- gitter mit einer positiven Potentialdifferenz gegen ¬ über der Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen beaufschlagt. Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen, beispielsweise der Schwingquarz, auf Masse gelegt wird. Die Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen verfügt dabei, z.B. für den Fall, dass die Vorrichtung elektrische Signale in me ¬ chanische Schwingungen umwandelt, wie beispielsweise ein Schwingquarz, über eine separate Stromversorgung.
Weiter ist es bevorzugt, wenn vor der Eintrittsöff ¬ nung des Gehäuses der Messkammer eine Blende angeord ¬ net ist, die bevorzugt Teil eines weiteren Gehäuses, das die Messkammer, das Abschirmgitter und die Vor- richtung zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung beinhaltet, ist. Mit dieser Blende, die beispielswei ¬ se als Lochblende ausgestaltet sein kann, können nicht für die Messung relevante Teile der Vorrichtung, z.B. die Außenseite des Keramikzylinders, etc., vor Beschichtung mit leitfähigen Partikeln abge ¬ schirmt werden. Dadurch können Beeinträchtigungen wie Kurzschlüsse vermieden werden.
Beispielsweise kann eine entsprechende Blende zwischen der Öffnung eines zylindrischen Rohres, z.B. eines Keramikrohres, und der Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen, aber auch für den Fall, dass die Messkammer nur durch den Raum, der zwischen dem Abschirmgitter und der Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen liegt, vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Bestimmung der Flussdichte von Ionen und Neutralteilchen mit einer im Voranstehenden beschriebenen Vorrichtung angegeben, bei dem a) das Abschirmgitter mit einem elektrischen Potential gegenüber der Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen beaufschlagt,
b) die Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer
Schwingungen zu mechanischen Schwingungen angeregt, und
c) sich auf der Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen abscheidende Partikel quantifiziert werden
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich z.B. die Beschichtungsraten der Ionen sowie der Neutralteilchen bei Sputterverfahren oder ähnliche Parameter bestimmen .
Vorteilhaft beim erfindungsgemäßen Verfahren ist dabei, wenn an das Abschirmgitter eine elektrische Po ¬ tentialdifferenz, bevorzugt eine positive Potentialdifferenz, gegenüber der Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen angelegt wird, bevorzugt eine Potentialdifferenz zwischen 0 und 2 kV, weiter bevorzugt zwischen 0 und 500 V, besonders bevorzugt zwischen 0 und 200 V, besonders bevorzugt zwischen 0 und 100 V.
Erfindungsgemäße Verwendungszwecke der Vorrichtung sind dabei die Messung der Schichtraten von Neutral ¬ teilchen sowie Ionen sowie der Ermittlung des Ionen zu Neutralteilchenverhältnisses beim Schichtwachstum.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsformen sowie der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung auf die dort dargestellten speziellen Ausführungsformen zu beschränken .
Dabei zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein
Schwingquarz direkt an ein Keramikrohr, das als Gehäuse dient, angrenzt, eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein
Schwingquarz räumlich von einem Keramikrohr abgegrenzt ist, und eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der anstelle eines Keramikrohrs ein Edelstahlfenster als Halterung des Abschirmgitters verwendet wird .
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Schichtratenmessung von Ionen und Neutralteilchen, deren zentrales Mess ¬ instrument ein Schwingquarz 4 darstellt. Der Schwing ¬ quarz 4 ist direkt auf eine Öffnung (die Auslassöff ¬ nung 31) eines Keramikrohres 2 aufgesetzt, wobei das Keramikrohr 2 als Abstandshalter zwischen Abschirmgitter 3 und Schwingquarz 4 verwendet wird. Das
Keramikrohr 2 weist eine Innenwandung 2a sowie eine äußere Wandung 2b auf. Die Einlassöffnung 30 des Keramikrohrs ist mit einem Abschirmgitter 3, das bei- spielsweise ein feinmaschiges Metallgitter sein kann, überspannt. Ferner ist eine Kontaktklemme 5 vorgese ¬ hen, über die an das feinmaschige Abschirmgitter 3 eine elektrische Spannung gegenüber dem Schwingquarz 4 angelegt werden kann. Der Schwingquarz 4 ist dabei geerdet, d.h. auf Masse gelegt und verfügt über eine separate Stromversorgung, mit der der Schwingquarz 4 zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann.
Diese erste Lösung gibt den Grundgedanken wieder, dass das durch das Abschirmgitter vorhandene positiv geladene Ionen von der Ratenbestimmung ausgeschlossen werden. Somit erfolgt ausschließlich die Messung der Neutralteilchen, die im Beschichtungsfall die Schicht bilden. Durch eine Referenzmessung ohne Potenzial wird die Rate von Ionen und Neutralteilchen bestimmt.
Aus der Differenz kann nun der Anteil an Ionen an der Schichtbildung und somit das Ionen zu Neutalteilchenverhältnis ermittelt werden. Die Quantifizierung der Abscheiderate erfolgt durch die Verschiebung der Re- sonanzfrequenz des Schwingquarzes auf Grund der Mas ¬ sebelegung durch die Teilchen, die die Messanordnung durchlaufen und den Schwingquarz treffen.
Das z.B. bei einem Sputterprozess zerstäubte
Targetmaterial passiert das Abschirmgitter 3 und wird auf der Schwingquarzoberfläche 4 abgeschieden. Der Schwingquarz 4 hat selbst eine Energieversorgung und liegt auf Masse.
In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt, die prinzipi ¬ ell auf die gleichen Bestandteile wie in Figur 1 be ¬ schrieben zurückgreift. In Figur 2 sind die gleichen Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der grundliegende Unterschied zwischen der Ausführungsform gemäß Figur 1 und der Figur 2 ist, dass der Schwingquarz 4 über einen Spalt 24 räumlich von dem Keramikrohr 2 separiert ist. Bei Beschichtungsprozes- sen werden auch in der Kammer 2, d.h. dem Keramikrohr 2, die meisten Oberflächen, z.B. die Innenoberfläche 2a, beschichtet. Diese Schichten sind bei metallischen Teilchen zumeist leitend, so dass bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 ein Kurzschluss zwischen dem Abschirmgitter 3 und dem Schwingquarz 4 erfolgen kann, was eine präzise Messung der Teilchenströme unmöglich macht. Dieses Problem wird durch die Ausführungsform gemäß Figur 2 gelöst, bei der durch eine räumliche Trennung des Schwingquarzes 4 und dem
Keramikrohr 2 eine zusätzliche, physikalische Trennung 24 zwischen diesen Bestandteilen erfolgt, die gegebenenfalls kurzgeschlossen werden könnten. Die Problematik eines unbeabsichtigten Kurzschlusses beim Betrieb der Vorrichtung 1 wird dadurch bei weitem vermindert .
Zusätzlich weist die Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 eine vor der Einlassöffnung 30 des Keramikrohrs 2 liegende Lochblende 6 auf. Durch diese Lochblende 6 kann ein Teilchenstrom, der auf die Vorrichtung 1 einwirkt, von den wesentlichen Bestandteilen, beispielsweise der Außenoberfläche 2b, des Keramikrohrs 2, weitgehend abgeschirmt werden, so dass der zu messende Teilchenstrom im Wesentlichen nur durch die mit dem Abschirmgitter 3 versehene Einlassöffnung des
Keramikrohrs 2 in die Vorrichtung 1 eintritt. Somit erfolgt lediglich ein Einwirken der Teilchen auf die Innenseite 2a des Keramikrohrs 2, während eine unbe ¬ absichtigte Beschichtung des Keramikrohrs 2 an seiner Außenoberfläche 2b durch den Teilchenstrom weitestgehend vermieden werden kann.
Zudem sind Elemente der Vorrichtung 1 mit einer Verkleidung (Außenblech 8 und Innenblech 9) ausgestattet. Das Außenblech 8 mit seiner relativ nahen Position zur Potentialklemme 5 verhindert, dass die Keramik 2 von außen beschichtet wird. Ohne das Außenblech 8 gäbe es an dieser Stelle sehr schnell einen Kurzschluss von Potentialklemme 5 und Schwingquarz 4 über das Innenblech 9. Das Innenblech 9 hat zum einen die Funktion, den Schwingquarz 4 zu positionieren, und zum anderen, das Keramikröhrchen 2 festzustellen. Zwischen Schwingquarz 4 und Keramikröhrchen 2 besteht ein Spalt 24, welcher einen Kurzschluss durch die Beschichtung des Innenradius 2a des Keramikröhrchens 2 verhindert. An dieser Stelle ist das eigentliche Problem des Kurzschlusses von Potentialklemme 5 und Schwingquarz 4 gelöst.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfin ¬ dung ist in Figur 3 dargestellt. Auch hier bezeichnen gleiche Bestandteile die auch schon in Figur 1 und 2 dargestellten Bestandteile. Anstelle eines
Keramikrohrs wird ein Fenster 10, beispielsweise ein Edelstahlfenster, als Halterung ' für das Abschirmgit ¬ ter 3 verwendet. Die Messkammer 2 bildet dabei den zwischen dem Fenster 10 und der Blende 7 liegenden Raum und wird durch das Blech 8 definiert. Die Abstände des Fensters 10 zum Außenblech 8 unterschreiten in keiner Richtung den Wert von 5 mm, so ¬ dass ein ausreichender Abstand vom positiven Potenti ¬ al des Gitters 3 zum Außenblech 8 vorhanden ist und ein Kurzschluss von positivem Gitterpotential zum Schwingquarz 4 sowie die Ausbildung eines Plasmas in der Messkammer verhindert wird. Ein Kurzschluss würde die Messung beeinträchtigen und eventuell das Messge ¬ rät beschädigen. Das Fenster 10 ist auf zwei genormten Keramikröhrchen 11 befestigt. Diese wiederum sind in entsprechenden Bohrungen des Außenblechs 8 befestigt. Dabei wird die entsprechende Form der
Keramikröhrchen 11 an der Ober- und Unterseite des Fensterrahmens gefräst. Das Abschirmgitter 3 behält seine ursprüngliche Form und ist keiner Vorbelastung durch Umformen ausgesetzt. Die Spannungsversorgung am Gitter 3 wird über ein temperaturbeständiges Spannungskabel z.B. durch die untere halbkreisförmige Aussparung bereitgestellt. Ein Wechsel des Gitters 3 lässt sich schnell realisieren, da nur das Außenblech 8 und der Fensterrahmen 10 aufgeschraubt werden müssen.
Zusätzlich ist auch vor dem Schwingquarz 4 eine Blende, beispielsweise eine Lochblende 7, eingefügt.
Diese in Figur 3 dargestellte Ausführungsform hat den Vorteil, dass auf das Keramikrohr 2 der beiden vorangehenden Ausführungsformen verzichtet werden kann. Ein derartiges Keramikrohr lässt sich nicht als Normteil fertigen und würde höhere Kosten verursachen. Darüber hinaus muss das feinmaschige Abschirmgitter 3 in eine Zylinderform gepresst werden, um dieses auf die Einlassöffnung des Keramikröhrchens 2 aufzuspannen. Dadurch entstehen zwei weitere Problematiken. Zum einen müssen viele dieser Abschirmgitter in die entsprechende Form gebracht werden und diese Umfor ¬ mung verursacht eine zusätzliche Materialermüdung. Letztendlich werden diese Probleme mit der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform überkommen.