Das Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) verfügt über eine unvergleichbare Expertise in der Herstellung und Bearbeitung von hochpräzisen und funktionalen Oberflächen. In den letzten Jahren ist die Verwendung von Breitstrahlionenquellen für die Herstellung von Oberflächen für optische Anwendungen unverzichtbar geworden. Die zu diesem Zweck verwendeten Kaufman-, RF- oder ECR-angeregten Ionenstrahlquellen werden sowohl mit inerten als auch reaktiven Gasen betrieben. Durch die stets größer werdende zu bearbeitende Probenoberfläche steigt die Bedeutung von langen Prozesszeiten und infolgedessen langen Wartungsintervallen. RF-angeregte Ionenstrahlquellen sind aufgrund des Fehlens von erodierenden Filamenten sowie einer hohen Plasmadichte vielversprechend hinsichtlich einer geringen Kontamination des Ionenstrahls, geringem Wartungsaufwand, hohen Ionenstrahlströmen und daraus resultierenden kürzeren Prozesszeiten.
Um qualitativ hochwertige Ätzergebnisse mit einer Oberflächenrauheit im Sub-nm-Bereich zu erreichen, müssen einerseits die Prozesse innerhalb der Ionenstrahlquelle, sowie auf dem Weg der Ionen zwischen dem Plasma und der zu bearbeitenden Oberfläche verstanden werden. Es ist daher wichtig die Ionenenergieverteilungsfunktionen (IEDFs) und, im Falle der Verwendung von reaktiven Gasen (z.B. CHF3, CF4, SF6, O2) und deren Mischungen, den Anteil der verschiedenen Fragmente, d.h. der CFn-, CHFn- und SFn-Arten, im Ionenstrahl zu kennen.
„Um den Ionenstrahl hinsichtlich der genannten Parameter zu charakterisieren, verwenden wir ein energieselektives Massenspektrometer EQP300 der Firma Hiden Analytical", erklärt Erik Rohkamm, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand in der Gruppe Ionenstrahlgestützte Strukturierung und Glättung. "Um ein erstes allgemeines Verständnis der Plasmaprozesse in der Ionenstrahlquelle zu erhalten, haben wir uns auf die Prozessgase Ar, He und Ne konzentriert. Die Verwendung von Inertgasen hat den Vorteil, dass die chemischen Plasmaprozesse eine untergeordnete Rolle spielen und somit die physikalischen Eigenschaften der Ionenproduktions- und Extraktionsprozesse dominieren. Für die Ionenstrahlerzeugung verwenden wir eine kommerziell erwerbliche Breitstrahlionenquelle vom Typ RF-120m der Firma Scia, welche ein induktiv gekoppeltes Plasma nutzt.“
Zusammen mit Faraday-Messungen konnte gezeigt werden, dass ein hoher Anteil der extrahierten Ionen mit dem Restgas der Vakuumkammer in der Form von Umladungsprozessen wechselwirkt (≈30%-50%). Diese Ladungsaustauschprozesse erzeugen langsame Ionen und schnelle, hochenergetische neutrale Atome, die zum physikalischen Ätzprozess beitragen, jedoch nicht durch Faraday- oder ESMS-Messungen erfasst werden können.
Die Ionenenergieverteilungsfunktionen zeigen, dass die hochenergetischen Anteile eine bimodale Struktur aufweisen (siehe Abbildung 2). Dies kann mit RF-Modulationseffekten des Plasmarandpotentials aufgrund einer kapazitiven Kopplung mit der HF-Spule zusammenhängen.
Die Messung von Massenspektren bei der Hauptenergie zeigte, dass neben den Ionen der injizierten inerten Prozessgase auch erodierte Partikel des Plasmaentladungsgefäßes aus SiO2 und des Extraktionssystems aus Graphit im Ionenstrahl vorhanden sind. Dieser Prozess kann durch den Einsatz reaktiver Gase verstärkt werden und somit einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den Ätzprozess haben. Zukünftige Arbeiten werden die Messung der Ionenenergieverteilungsfunktionen fortsetzen, insbesondere für den Einsatz reaktiver Gase.
Weitere Information wurden in der folgenden Publikation veröffentlicht:
Characterization of an RF excited broad beam ion source operating with inert gases
Erik Rohkamm, Daniel Spemann, Frank Scholze, Frank Frost
Journal of Applied Physics129 (2021), 223305
https://doi.org/10.1063/5.0052758