Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächen¬ reinigung und -glättung von Material mit einkristalli¬ ner, polykristalliner oder amorpher Struktur, bei der die Oberfläche bis zur kleinstmöglich mechanisch ereich- baren Rauhigkeit poliert und anschließend die Oberfläche mit Ionen definierter Ladung und kinetischer Energie 2ur Abtragung der an der Oberfläche befindlichen Verun¬ reinigungen beschossen wird.

Ein eingeführtes Standardverfahren der vorbezeichneten Art mit Varianten für die Reinigung und Glättung von Oberflächen im Bereich von atomaren Dimensionen ist be¬ kannt und wird vielfach angewandt. Dieses Verfahren geht auf eine Veröffentlichung von H. E. Farnsworth, R. E. Schlier, T. H. George und R. M. Burger in "Jounal of Ap¬ plied Physics", 1958, Band 29, Seiten 1150 bis 1161 zurück. Als zu bearbeitende Materialien kommen bei¬ spielsweise Silicium-Einkristalle für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen, andere Halbleiter für den Bau optoelektronischer Bauelemente, metallische oder halbleitende Einkristalle für die Entwicklung von soge¬ nannten Nanostrukturen, Einstristalle als Unterlage für Röntgenspiegel aus Vielfachschichten, polykristalline oder amorphe metallische, halbleitende oder isolierende Oberflächen in Frage, die bei verschiedenen Produktions¬ prozessen atomar sauber und glatt sein müssen.

Bei dem bekannten Verfahren wird das Material mit einer vorher mechanisch bis zur kleinεtmöglichen Rauhigkeit po¬ lierten Oberfläche im Ultra-Hochvakuum bis zu einer Tem¬ peratur nahe, aber deutlich unter dem Schmelzpunkt ge-

~~ heizt, um alle leicht flüchti.gen Verunrei.ni.gungen aus dem Inneren auszuheizen und von der Oberfläche abzu¬ dampfen. Danach wird die Oberfläche einem Ionenbeschuß mit Energien zwischen 200 eV bis 10000 eV, vorzugsweise 5000 eV, und hoher Flußdichte zwischen 10 μA/cm ² bis ~-^ 1000 μA/cm ² ausgesetzt, wobei durch binäre Stöße und über Stoßkaskaden die Oberfläche und damit auch die Ver¬ unreinigungen durch Zerstäuben ("Sputtern") abgetragen werden. Als Ionen werden Edelgasionen, vorzugsweise Ar ^"*" = Argonionen mit einfacher Ladung, verwendet (vgl. hier¬ ⁱ n zu: "Sputtering by Particle Bombardment I", Herausgeber R. Behrisch, Band 47 von "Topics in Applied Physics", Springer Verlag, New York 1981 und "Sputtering by Partic¬ le Bombardment II", Herausgeber J. Roth, Band 52 von "Topics in Applied Physics", Springer Verlag, New York ⁰ 1983).

Die Behandlung nach dem bekannten Verfahren beschädigt die Oberfläche, und die verwendeten Ionen, meist Edel- gaεionen, dringen in das Probenmaterial ein, so daß eine Nachbehandlung der Probe durch mehrere Zyklen von Zer¬ stäuben und Ausheilen notwendig wird, welche die Ober¬ flächenschäden ausheilt und die eingedrungenen Edelgas¬ atome ausgast, so daß saubere und im Falle von ein¬ kristallinen Oberflächen niedriger Indizierung auch 0 ebene Oberflächen erhalten werden können. Die Wärmenach¬ behandlung führt bei polykristallinem Material durch Aus¬ bildung von Mikrokristallen aus atomarer Sicht zu einer ausgesprochenen rauhen Oberfläche und birgt bei ursprüng¬ lich amorphen Oberflächen die Gefahr einer Rekristallisa- 5 tion in sich.

Der Begriff "sauber" ist dabei relativ zu den Nachweis-

methoden definiert, die meist beim Nachweis von ei ^Θ m Verunreinigungsatom pro 1000 richtigen Oberflächenatomen ihre Grenze erreichen. Beim Zerstäuben (oder "Sputtern") werden bei der Umsetzung der kinetischen Energie der Ionen in Stöße auch Rückstoßatome von Oberflächenverunr- einigungen erzeugt, die in das Probenmaterial eindrin¬ gen. Ein einzelner Zyklus reduziert also die Verunreini¬ gungen an der Oberfläche, von denen aber ein Bruchteil in das Probenmaterial eingeschossen wird, der beim weite¬ ren Abtragen wieder an der Oberfläche erscheint. Die Folge davon ist, daß die Zahl der Zyklen umso größer werden muß und die Oberfläche umso tiefer abgetragen werden muß, je sauberer die Oberfläche gefordert wird.

Es ist bekannt, die Energie der Ionen zu senken, um eine große Anzahl von Zerstäubungs- und Heizzyklen zu vermei¬ den. Dadurch wird einerseits die Eindringtiefe der Ionen in das Material und die Rückstoßimplantation von Verun¬ reinigungen reduziert, aber andererseits auch die Zer¬ stäubungsrate und damit die Reinigungseffizienz redu¬ ziert (H. Gnaser und H. Oechsner, Surface Science 251/252, Jahr 1991, S. 696 -700). Die Senkung der Ionen¬ energie muß daher mit großem technischen Aufwand mit er¬ höhten Ionenstromdichten kompensiert werden, damit die Reinigungszyklen nicht verlängert werden müssen.

Bekannt ist weiterhin der Einschuß der Zerstäubungsionen unter streifenden Winkeln (typisch 10°) relativ zur Ober¬ flächenebene. Diese Variante nutzt die Beobachtung, daß die Zerstäubungsrate zwischen 5° und 10° ein Maximum be¬ sitzt, daß der Bruchteil der eindringenden Zerstäu¬ bungsionen durch die verringerte Vertikalgeschwindigkeit v = v«sin(10°) reduziert ist und daß der Bruchteil der durch Rückstoß eindringenden Verunreinigungsatome eben- falls reduziert ist (vgl. K. B. Cheney und E. T. Pitkin, J. Appl. Phys. 36, 1965, S. 3542-3544; I.N. Evdokimov and V.A. Molchanov, Can. J. Phys. 46, 1968, S 779-782).

Es sind jedoch auch bei Anwendung dieses Verfahrens meh¬ rere Zerstäubungs- und Ausheilzyklen notwendig, um saube¬ re und im Falle von einkristallinen Proben auch ebene Oberflächen zu erhalten.

Die Notwendigkeit mehrerer, langwieriger Zerstäubungs¬ und Ausheilzyklen, um zu sauberen Oberflächen zu gelan¬ gen, ist nicht nur zeitaufwendig und kostenintensiv, son¬ dern stellt eine Produktivitätsbremse dar. 0

Es stellt sich damit die Aufgabe, die vorgenannten Ver¬ fahren dahingehend zu verbessern, daß die Zahl der Zer¬ stäubungs- und Ausheilzyklen drastisch, vorzugsweise auf einen einzigen Reinigungs- und Ausheilzyklus vermindert ° wird. Hierdurch könnten der Zeitaufwand für das Reinigen und Glätten von Oberflächen im Bereich atomarer Dimensio¬ nen reduziert und somit die Produktivität deutlich ge¬ steigert werden.

⁰ Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß die Oberflä¬ che des zur Reinigung vorgesehenen Materials bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit wenigstens zwei¬ fach geladenen Ionen niedriger kinetischer Energie be¬ schossen wird, wobei die potentielle Energie der Ionen ^ entsprechend ihrer hohen Ladung eine Wechselwirkung it den gebundenen Verunreinigungen verursacht, die diese zur Ablösung bringt, und die den Ionen gegebene kineti¬ sche Energie lediglich danach bemessen wird, daß den Ionen eine nächste Annäherung an die Atome der Oberflä- chenverunreinigungen, nicht jedoch ein Eindringen in die Oberfläche möglich wird.

Die Reinigung und Glättung wird gemäß Erfindung durch die Wechselwirkung hochgeladener Ionen niedriger kine- tischer Energie mit der Oberfläche bewirkt, wobei, im Ge¬ gensatz zur Benutzung der relativ hohen kinetischen Ener¬ gie für die Zerstäubung im bisherigen Standardreini-

gungsverfahren, die im hochgeladenen Ion gespeicherte po¬ tentielle Energie für die Reinigung und Glättung Ver¬ wendung findet und die relativ niedrige kinetische Ener¬ gie der hochgeladenen Ionen lediglich für die nächste An- näherung an die Oberflächenverunreinigungsatome benötigt wird.

Die elektronische Wechselwirkung hochgeladener Ionen, mit der Materialoberfläche beeinflußt einerseits den elek¬ tronischen Zustand des Ions durch Elektronenaustausch zwischen der Oberfläche und dem Ion und andererseits die Trajektorie (Flugbahn) des Ions durch die anziehende Kraft der Bildladung, die bei elektrisch leitenden Ober¬ flächen gleich der effektiven Ladung des Ions vor der Oberfläche ist. Der Elektronenaustausch von der Material¬ oberfläche zum hochgeladenen, anfliegenden Ion beginnt, bei Zugrundelegung atomarer Einheiten a = 0,0529 nm, in großen Abständen z vor der ersten Atomlage der Ober- fläche, die bei z = 0 angenommen wird. Erfindungswesent¬ lich ist, daß das hochgeladene Ion auf seinem weiteren

Weg von z <~ bis zu einem Abstand z = d vor der ersten

Atomlage der Oberfläche resonant Elektronen von der Ober¬ fläche in hochangeregte Zustände einfängt und so selbst neutralisiert wird, wobei d der mittlere Gitterabstand der Atome in der Oberflächenebene ist. Da diese Elektro¬ nen aus dem Leitungsband bzw. Valenzband des Oberflächen¬ material stammen, ist die Resonanzenergie durch die Bin¬ dungsenergie dieser Bänder festgelegt. Durch dieses "Ab¬ saugen" von Elektronen aus der Oberfläche werden lokale Bindungen schwach gebundener (physisorbierter) Verunrein¬ igungsatome oder -moleküle so stark abgeschwächt, daß sie desorbiert werden. Dadurch wird die Oberfläche von physisorbierten Verunreinigungsatomen oder -molekülen gereinigt, bevor das einfallende, ursprünglich hochgela- dene Ion in unmittelbare Nähe (z < d) der Oberflächenato¬ me gelangt.

Es kann angenommen werden, daß im Bereich 0 < z < d das Ion in die exponentiell ins Vakuum abklingende Elektro¬ nendichte der Oberfläche eintaucht, so daß die elektro¬ nische Abschirmung der Oberflächenatome und des Ionen¬ kerns reduziert werden. Dies führt zu einer abstoßenden Coulomb-Kraft zwischen dem Ionenkern und allen Oberflä¬ chenatomkernen. Für Ar ^{^} -Ionen im Abstand von 1.0 ao vor den Oberflächenatomen erreicht dieses Potential Werte im Bereich von 20 (für Mg) bis 116 eV (für Pt), im Mittel also etwa 65 ± 55 eV für alle Oberflächenelemente von niedrigster bis zu nöchster Ordnungszahl und entspre¬ chend höhere Werte für höher geladene Ar-Ionen mit effek¬ tiver Ladung > 1. Je nach seiner effektiven Ladung q in diesem räumlichen Bereich vor der Oberfläche wird also ein ursprünglich hochgeladenes Ion an der Oberflä¬ che total reflektiert, wenn seine ursprüngliche kineti¬ sche Energie

beträgt. Da q nicht bekannt ist, sind die niedrigst möglichen, kinetischen Energien der hochgeladenen Ionen zu fordern, um eine Totalreflektion des Ions an der Ober¬ fläche zu gewährleisten. Das Erreichen von Totalreflek- tion am kollektiven Oberflächenpotential ist erfindungs¬ wesentlich, da praktisch keine Oberflächenatome durch Übertragung kinetischer Energie in einem Stoß zwischen dem Ion und einem einzelnen Oberflächenatom aus der Materialoberfläche herausgelöst werden können. Diese Ab¬ nahme der Zerstäubungsrate mit abnehmender kinetischer Energie einfach geladener Ionen ist eindeutig nachgewie¬ sen worden (H. Gnaser und H. Oechsner, Surface Science 251/252, 1991, S. 696 - 700).

Von der definierten Grenzenergie E muß bei elektrisch leitenden Oberflächen noch eine Energie E subtrahiert werden, die durch die Bildladungsbeschleunigung des Ions

entsteht. Sie setzt sich aus zwei Termen zusammen, die geometrisch den Bereichen z > z a und zer > z > d entspre- chen. Im ersten Bereich gilt die ursprüngliche Ladung q des Ions, so daß der Energiegewinn bis zum Abstand z E Bl = 27,2 • wird. Im zweiten Bereich ist die ef- fektive Ladung des Ions unbekannt, so daß nur eine grobe Abschätzung möglich ist. Unter Annahme begrenzter Ab¬ schirmung durch hochangeregte Elektronen im eigentlich neutralisierten Ion kann man q « q/2 setzen und erhält so E B2 = 27,2- (q/2)•[d ^-1 - z<= ^~3~ ] eV. Als Grenzan- fangsenergie für Totalreflektion ergibt sich so im Mit¬ tel E O < (65 ± 55).q/2-EB-L • EB-2, was etwa E Ä O (30 ±

25) «q eV entspricht. Je nach Oberflächenmaterial muß also die Grenzanfangsenergie der hochgeladenen Ionen zwi- sehen 5«q und 55«q eV gewählt werden, um die Totalrefle¬ xion der Ionen an der Oberfläche und damit vernachlässig¬ bare Zerstäubung, d.h. zerstörungsarme Behandlung der Oberfläche zu gewährleisten.

Je nach Oberflächenmaterial und Wahl von Eo werden bei

Totalreflexion die Abstände nächster Annäherung z O zwi- sehen Oberflächenatomen und dem Ion zwischen 0.5 und 2.0 ao liegen. Dies sind Abstände, bei denen das ur- sprüngliche hochgeladene, auf dem Weg von bis zu zO aber in äußeren Schalen neutralisierte Ion Elektronen direkt aus gefüllten, inneren Schalen der Oberflächen¬ atome in seine eigenen, immer noch teilweise leeren, in¬ neren Schalen einfangen kann. Dafür verantwortlich sind quasi-resonante Elektronenaustauschprozesse oder eine in- teratomare Auger-Neutralisation, die mit einer Wahrsch¬ einlichkeit nahe 1 für jedes einzelne Ion beim Umkehr¬ punkt seiner Trajektorie auftreten, wenn das Ion nahe genug an ein Oberflächenatom herankommt. Diese letztere Bedingung ist genau so wichtig für das beanspruchte Ver- fahren wie die Totalreflexionsbedingung. Die zwar niedri¬ ge Energie der einfallenden Ionen darf also nicht nur nach dem Kriterium der Totalreflexion gewählt werden,

E

sondern muß auch so angepaßt sein, daß die Ionen nahe genug an die Oberflächenatome herankommen können, wobei nahe definiert ist durch den Orbitaldurchmesser der ein¬ zufangenden Innerschalenelektronen. Die daraus resultie- renden optimalen Ionenenergien werden von der Ionensor- te, dem zu reinigenden Material und den Verunreinigungen abhängen, so daß sowohl theoretische Abschätzungen als auch experimentelle Bestimmungen der optimalen Reini- gungs- und Glättungsenergie von Fall zu Fall im Bereich zwischen 5^q und 55«q eV notwendig wird. Sobald die Ab¬ standsbedingung für Innerschaleneinfang erfüllt ist, va¬ riiert die Zahl der aus inneren Schalen der Oberflächena¬ tome abgezogenen Elektronen pro Ion statistisch um einen Mittelwert von ungefähr 0.4«q.

Erfindungswesentlich ist, daß jedes niederenergetische, ursprünglich hoch geladene Ion am Umkehrpunkt seiner Tra- jektorie vor der Oberfläche mindestens ein, wenn nicht mehrere Innerschalenelektronen aus einem dort be- findlichen Verunreinigungsatom oder -molekül extrahiert, so daß dieses Verunreinigungsatom oder -molekül mit großer Wahrscheinlichkeit desorbiert. Quantitativ ist wenig bekannt über diese Wahrscheinlichkeit. Sie kann aber für einfallende Ionen mit einer Ladung q > 5 nahe 1 angenommen werden, da das Vorhandensein eines oder mehre¬ rer Innerschalenlöcher in einem Verunreinigungsatom zur Coulombabstoßung des Verunreinigungsatoms aus dem Ober- flächenato verband führt (vgl. M.L. Knotek and P.J.Fei- belman, Surf. Sei. 90, 1979, S. 78 -90). Diese Coulombab- stoßung kann nur durch sehr schnelle (3«10 ^-:LG s) Erhöhung der lokalen Bindungselektronendichte aus dem Substrat verhindert werden, die retardiert erfolgt und deshalb wegen der zeitlich befristet existierenden Coulombabsto¬ ßung zumindest zu einer starken thermischen Anregung des Atoms führt, wenn die Desorption verhindert wird. Die De¬ sorption wird umso wahrscheinlicher, je mehr Innerscha¬ lenlöcher in einem Verunreinigungsatom erzeugt werden.

Da aus Untersuchungen folgt, daß eine mittlere Produk¬ tion von 0.4«q Innerschalenlöchern pro Treffer durch ein ursprünglich q-fach geladenes Ion erzielt wird, wird also die Desorptionswahrscheinlichkeit pro getroffenes Oberflächenatom gegen 1 gehen, wenn q groß genug (z.B. q > 5) gewählt wird.

Da die Abregung eines Innerschalenlochs eines Verunrei¬ nigungsatoms über einen Augerprozeß abläuft, bei dem zwei Valenz-, d.h. Bindungselektronen, verloren werden, werden im Mittel 0.4»q weitere Versuche von Coulombab¬ stoßung eines noch nicht durch die Innerschalenlöcher de- sorbierten Atoms von der Oberfläche eingeleitet. Sie können wieder dadurch verhindert werden, daß das Sub- stratmaterial jeweils diese beiden Elektronen in kürze¬ rer Zeit nachliefert als die Coulombabstoßung für die Be¬ freiung des Atoms von der Unterlage benötigt. Da das Nachliefern von Bindungselektronen von Substratmaterial (Metall, Halbleiter oder Isolator) und vom Bindungstyp des Verunreinigungsatoms an das Substratmaterial ab¬ hängt, wird die Desorptionswahrscheinlichkeit pro getrof¬ fenes Oberflächenatom vom jeweils zu reinigenden Materi¬ al und von den Verunreinigungen abhängen. Metallisch ge¬ bundene Fremdatome auf einer Metalloberfläche werden dem- nach mit einer Wahrscheinlichkeit etwas kleiner als 1 de- sorbiert, während schwach gebundene Fremdatome an Halb¬ leiter- oder Isolatoroberflächen mit einer Wahr¬ scheinlichkeit von nahe 1 desorbiert werden.

Wenn eine Desorptionswahrscheinlichkeit von 1 angenommen wird, kann man bei einer Verunreinigung von einer Mono- lage mit heute technisch realisierbaren Ar^-Ionenstrah- len eine Fläche von 1 cm ² in etwa 20 s reinigen.

Die zuletzt beschriebene Konkurrenz zwischen Coulombde- sorption und Nachlieferung von Bindungselektronen führt selbst im Falle einer bereits sauberen Metalloberfläche

zu einer von null verschiedenen Desorptionswahrschein¬ lichkeit von Oberflächen etallatomen. Im Gegensatz zum Standardverfahren sind bei Verwendung von langsamen, hochgeladenen Ionen aber nur Atome in der ersten und be¬ stenfalls zweiten Atomlage von dieser Desorption betrof¬ fen, so daß keinerlei Beschädigung der Kristallstruktur unterhalb der zweiten Atomlage stattfinden kann. Dies ist ein ganz entscheidender Vorteil des beanspruchten Verfahren gegenüber dem Standardverfahren.

Die Konkurrenz zwischen Coulombdesorption und Nachlie¬ ferung von Bindungselektronen hat weiter zur Folge, daß von einem Ion getroffene, aber nicht desorbierende Atome zumindest thermisch angeregt werden, da die Nachliefe- rung von Bindungselektronen gegenüber dem Beginn der Cou¬ lombexplosion immer etwas verzögert ist. Bei einer be¬ reits sauberen Metalloberfläche führt das zu einer erhöh¬ ten Oberflächenbeweglichkeit der von Ionen getroffenen Atome, die also zu Fehlstellen (Löchern) wandern können und so zu einer Glättung der Oberfläche beitragen. Eben¬ falls zur Glättung trägt die Kenntnis bei, daß Atome an Spitzen oder an nach außen gewölbten Positionen einer noch nicht ebenen Oberfläche weniger stark gebunden sind un deshalb nach Innerschalenionisation mit größerer Wahrscheinlichkeit desorbieren als Atome in der Idealebe¬ ne oder an nach innen gewölbten Zonen der Oberfläche. Eine thermische Ausheilbehandlung einer ursprünglich ebenen Oberfläche ist also nach der Reinigung mit langsa¬ men, hochgeladenen Ionen häufig gar nicht mehr oder nur noch sehr geringfügig notwendig. Dies ist ein weiterer wichtiger Vorteil des beanspruchten Verfahrens gegenüber dem Standardverfahren.

Das beanspruchte Verfahren kann bereits während der ersten thermischen Ausgas- und Abdampfbehandlung einge¬ setzt werden, da die langsamen, hochgeladenen Ionen von der Oberfäche reflektiert werden und somit keine oder

eine völlig vernachlässigbare thermisch Zusatzbelastung der Probe darstellen. Dies bedeutet eine weitere erheb¬ liche Produktivitätssteigerung des beanspruchten Verfah¬ rens gegenüber dem Standardverfahren, da die lange Zeit des Ausgasens der Probe voll für die Reinigung genutzt werden kann. Damit steht nach der Abkühlung der Probe sofort eine saubere Oberfläche und im Falle von einkri¬ stallinem Material sogar eine ebene Oberfläche für die weitere Bearbeitung zur Verfügung, da beim langsamen Ab- kühlen aus der Ausgasphase die geringfügigen Oberflä¬ chenschäden in den obersten Oberflächenato lagen aushei¬ len.

Zusammenfassend kann also gefolgert werden, daß die auf- geführten Vorteile der im Anspruch 1 angegebenen Erfin¬ dung im wesentlichen darauf beruhen, daß die zerstörungs¬ arme Reinigung und Glättung von Oberflächen im wesentli¬ chen durch die in hochgeladenen Ionen gespeicherte poten¬ tielle Energie erfolgt im Gegensatz zur Verwendung der kinetischen Energie im bisherigen Standardverfahren. Die im Anspruch 1 angegebene Erfindung wird in allen Pro¬ duktionsverfahren, wo bereits heute saubere Oberflächen im Bereich atomarer Dimensionen gefordert werden, zu einer wesentlichen Verkürzung der Reinigungszeiten und damit zu einer entscheidenden Produktivitätssteigerung führen, welche die investiven Mehrkosten des beanspruch¬ ten Verfahrens vielfach kompensieren. Auch in allen Pro¬ duktionsverfahren, wo bisher aus Kostengründen auf eine Reinigung der Oberflächen verzichtet wird, kann das er- finderische Verfahren zu solchen Kostenreduktionen führen, daß die Oberflächenreinigung in diese Produkti¬ onsverfahren einbezogen werden, damit erhebliche Quali¬ tätssteigerungen erzielt und somit Ausschußproduktionen reduziert werden.

Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Beispielen und einer Zeichnung. Die Figuren der

Zeichnung zeigen im einzelnen:

Figur 1 einen schematischen Aufbau einer ersten Anord¬ nung, mit der eine Oberflächenreinigung und -glättung ausführbar ist,

Figur 2 eine zweite Ausführungsform;

Figuren 3 und 4 weitere Ausführungsformen

Figur 5 eine Spezialisierung der beiden ersten Ausfüh¬ rungsformen.

Beispiel 1 (vgl. Figur 1)

In Figur 1 ist in schematischer Darstellung ein Vorrich¬ tungsaufbau zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, wie er mit heute bekannten Mitteln aufgebaut werden kann. Aus einer Ionenquelle 1 mit einem Plasma 1', in der bei einem Druck von 10 ^-2 Pa Edelgasionen (vorzugs¬ weise Argon-Ionen) mit einer mittleren Ladung von qm =

+ 5 erzeugt werden, die auf einem Potential U zwischen 0 und etwa + 60 V liegt, werden mit einer Extraktionselek¬ trode 2 und einer elektrostatischen Extraktionslinse 3, beide auf einem Potential von z.B. -20 kV, Ionen mit einem Gemisch von Ladungszuständen extrahiert und auf (20000 + U)«q eV in eine Druckzone 4 von 10 ^~5 Pa be- schleunigt. Die Extraktionslinse 3 fokussiert diese

Ionen durch eine Eintrittsblende 5 in einen doppelfokus- sierenden Sektormagneten 6 oder ein anderes ionenop¬ tisches Bauelement zwecks q/m Separation, so daß Ionen eines einzigen Ladungszustandes, z.B. Ar ⁺⁶ oder Ne ^s" " ^" , durch die Austrittsblende 7 fokussiert werden. Der Sek¬ tormagnet 6 elimniert auch alle im Ionenstrahl vorhande¬ nen Elektronen, die aufgrund ihrer teilweise hohen kine¬ tischen Energie im Plasma 1' der Ionenquelle 1 dieses Plasma gegen die Extraktionsspannung verlassen können und somit dem Ionenstrahl überlagert sind. Die Aus¬ trittsblende 7 wirkt gleichzeitig als differentielle Pumpblende, so daß die Ionen in eine Druckzone 8 von

10 ^~v Pa eintreten und dort von einer ersten Abbremslinse 9 von (20000 + U)«q eV auf (1000 + U)«q eV abgebremst und durch eine zweite differentielle Pumpblende 10 fokus¬ siert werden. Dies erlaubt den Aufbau einer zweiten Ab- bremslinse 11 und einer zu reinigenden Oberfläche 12 im Ultrahochvakuum von 10 ^_s Pa. In der Abbremslinse 11 werden die q/m-selektierten Ionen von (1000 + U)«q eV auf U-q eV abgebremst und treffen mit niedriger Energie auf die Oberfläche 12, die im vorliegenden Fall ein Sili- cium-Einkristall für die Chipherstellung (engl. "wafer") ist. Für die thermische Behandlung der Oberfläche ist eine Heizung 13 nach einem der bekannten technischen Aus¬ führungsformen vorzusehen. Je nach Anwendung können auch andere Vakuumbedingungen und andere Beschleunigungs- und Abbremsbedingungen verwendet werden.

Beispiel 2 (vgl. Figur 2 )

Beispiel 2 entspricht in wesentlichen Einzelheiten dem

Ausführungsbeispiel 1 bis auf die Auslassung einer q/m-Separationseinheit. Demnach trifft das gesamte aus der Ionenquelle 1 extrahierte Ladungszustandsgemisch, hier z.B. Xe-Ionen, mit U»q eV auf die Oberfläche 12, die hier z.B. eine Platin (111)-Einkristalloberfläche ist. Dies erhöht den Gesa tteilchenεtrom auf die Ober- fläche und damit die Reinigungsleistung, erniedrigt im Mittel aber etwas die Desorptionswahrscheinlichkeit pro getroffenes Verunreinigungs- oder Oberflächenatom, da je nach Ionenquelle hohe Anteile von nur einfach und zwei¬ fach geladenen Ionen im Teilchenstrom enthalten sind.

Diese Ionen tragen weniger zur Reinigungsleistung bei als hochgeladene, da die von ihnen getroffenen Oberflä¬ chenatome mit geringerer Wahrscheinlichkeit desorbieren als von hochgeladenen Ionen getroffene Oberflächenatome. Es ist daher von Bedeutung, Ionenquellen zu verwenden, die Teilchenströme mit möglichst optimalem mittleren La- dungεzustand produzieren können. Optimal ist hierbei öko-

nomisch und technisch definiert, denn der technische Auf¬ wand der Ionenquellenkonstruktion kann an den nie- drigεten Ladungεzuεtand eineε ioniεierten Elementes ange¬ paßt werden, mit dem effinziente Reinigungs- und Glät- tungsleistungen entsprechend der Erfindung erzielt werden.

Beispiel 3

Beispiel 3 entεpricht in weεentlichen Einzelheiten dem Ausführungsbeiεpiel 1, bis auf die Tatεache, daß der Ge¬ samtaufbau von der Ionenquelle bis zur zu reinigenden Oberfläche in Ultrahochvakuumtechnik aufgeführt ist und deεhalb die differentiellen Pumpblenden 7 und 10 ent¬ fallen. Dadurch wird größte Reinheit der Anlage bei frei wählbaren Vakuumwerten möglich.

Beispiel 4

Beispiel 4 entspricht in wesentlichen Einzelheiten dem

Ausführungεbeispiel 2, bis auf die Tatsache, daß der Ge- samtaufbau von der Ionenquelle bis zur zu reinigenden

Oberfläche in Ultrahochvakuumtechnik ausgeführt ist und deshalb die Notwendigkeit differentieller Pumpblenden entfällt. Dadurch wird größte Reinheit der Anlage bei bei frei wählbaren Vakuumwerten möglich.

Beispiel 5 (vgl. Figur 3)

Ein Ladungszustandsgemisch, hier aus z.B. As-Ionen, wird aus dem Plasma 1' der Ionenquelle 1 mit U«q eV direkt in Richtung auf die Materialoberfläche 12, hier z.B. ein GaAs-Einkriεtall, extrahiert, wobei 0 < U < K 60 V ist. Hierfür sind entsprechende Magnetfeldspulen oder Permanentmagnetstrukturen 14, 15 vorgesehen. Es findet also gegenüber dem Beispiel 1 keine q/m-Separation und keine ionenoptische Abbildung statt, und die differentiellen Pumpstufen entfallen ebenfalls. Vakuum¬ technik und -bedingungen können an die jeweiligen Anfor¬ derungen angepaßt werden. Damit ist dieses Ausführungs-

beiεpiel äußerεt ökonomiεch. Der Geεa tteilchenεtrom auf die Oberfläche und damit die Reinigungεleiεtung sind erhöht, im Mittel iεt aber die Deεorptionswahrscheinl- ichkeit pro getroffeneε Verunreinigungε- oder Oberfläche¬ natom erniedrigt, da je nach Ionenquelle hohe Anteile von einfach und zweifach geladenen Ionen im Teilchen¬ strom enthalten sind. Die von diesen Ionen getroffenen Oberflächenatome desorbieren mit geringerer Wahrscheinl- « ichkeit als von hochgeladenen Ionen getroffene Oberflä¬ chenatome. Es ist daher von Bedeutung, Ionenquellen zu verwenden, die Teilchenströme mit möglichst optimalem mittleren Ladungszustand produzieren können. Optimal ist hierbei ökonomisch und technisch definiert, denn der technische Aufwand der Ionenquellenkonstruktion kann an den niedrigsten Ladungszuεtand eines ionisierten Elemen- tes angepaßt werden, mit dem effiziente Reinigungs- und Glättungsleiεtungen entεprechend der Erfindung erzielt werden. Da Quellen für hochgeladene Ionen meist mit hohem Magnetfeldeinschluß der Ionen und Elektronen arbei¬ ten, ist dieses Ausführungsbeispiel nur dort einsetzbar, wo Magnetstreufelder bei der Weiterbearbeitung der Ober¬ fläche nicht stören. Wird Magnetfeldfreiheit für die Weiterbearbeitung der Oberfläche verlangt, muß die Ober¬ fläche mit dem Beispiel 5 örtlich getrennt von der Weiterbearbeitung gereinigt und geglättet werden.

Beispiel 6 (vgl. Figur 4)

Das gesamte Ladungszustandsgemisch im Plasma der Ionen¬ quelle 1 wird mit U«q eV, wobei 0 < U < « 60 V ist, direkt auf die Oberfläche 12, hier ein Ge-Einkristall, beschleunigt, die eine Wand des Plasmavolumens dar¬ stellt. Die Vakuumbedingungen können der jeweiligen An¬ wendung angepaßt werden. Gegenüber dem Ausfuhrungsbei¬ spiel 5 ist also noch eine weitere Vereinfachung vorge¬ nommen werden, so daß das Ausführungsbeispiel 6 noch öko- nomischer ist als das Ausführungsbeispiel 5. Alle weite¬ ren Erläuterungen des Ausführungsbeispiels 5 sind genau-

so auf das Ausführungsbeispiel 6 anzuwenden. Es ist aber im Auεführungεbeiεpiel 6 von Bedeutung, eine Konfi¬ guration der Plaεmaherstellung zu verwenden, die einen Gehalt an optimalen mittleren Ladungszustand gewähr- leistet. Optimal ist hierbei ökonomisch und technisch de¬ finiert. Dieεeε Auεführungεbeiεpiel iεt dem techniεchen Aufbau deε Plasma-Ätzens (engl. "plasma-etching") nach dem EZR-Prinzip εehr verwandt, bei dem ein Plaεma niedri- . gen mittleren Ladungεzuεtandes mit chemischen Substanzen gemischt wird, um über plasmaunterstützte chemische

Reaktionen Oberflächen abzutragen (R. A. Haefer, "Ober¬ flächen- und Dünnschicht-Technologie", Springer Verlag, 1991, Kapitel 5). Versuche, solche Plasma-Ätzanlagen nach dem EZR-Prinzip mit niedrigem mittleren Ladungszu- stand ohne chemische Zusätze für die Reinigung von Ober¬ flächen einzuεetzen, wurden biεher nur mit beεcheidenen Erfolgen durchgeführt [vgl. P. Raynaud, C. Pomot, Le Vide leε Coucheε Minces, Supplement 256, 1991, S. 140-142); B. Charlet, L. Peccoud, loc. cit. , 1991, S. 143-145)]. Der entscheidende Unterschied des Ausführungs¬ beispiels 6 ist also die Verwendung eines Plasmas mit hohem mittleren Ladungszustand (qin. » 2), das zwar auch nach dem EZR-Prinzip erzeugt werden kann, aber einen hohen magnetischen Plasmaeinschluß verlangt, wie er bisher beim Plasma-Ätzen gerade nicht verwandt wird. Die Fig. 4 zeigt deshalb explizit eine von möglichen Anord¬ nungen mit hohem magnetischem Plasmaeinschluß nach dem EZR-Prinzip mit achsialem Plasmaeinεchluß in einem ach- εialen Magnetfeld, dessen relevante magnetische Feld- stärke angedeutet ist, und mit einem radialen Plasma¬ einschluß durch ein möglichst hohes Multipolmagnetfeld.

Beiεpiel 7 fvαl. Figur 5)

Beispiel 7 baut auf den Ausführungsbeispielen 1 - 4 auf und verwendet kurz vor der Oberfläche 12 ionenoptische Elemente 16, die eine scharfe Fokussierung des Ionen¬ strahls, hier z.B. Zr-Ionen, und ein kontrolliertes elek-

tro-magnetiεcheε Führen 17 dieεes Fokus auf der Ober¬ fläche oder eine scharfe Abbildung einer teildurchläsεi- gen Maske 18 auf der Oberfläche 12, hier z.B. amorphes Rh 25Zr"75 ermöglichen. Damit kann ein vorgegebenes Reini- gungsmuεter auf die Oberfläche projiziert werden. Da eε dafür viele Auεführungsformen gibt, werden in Figur 5 nur je eine Möglichkeit für .die elektro- agnetische Steuerung bzw. Führen 17 eines Ionenεtrahlfokuε und für die Abbildung einer teildurchτ.äεεigen Maεke auf die Ober- fläche angegeben.