Konzept und erste Ergebnisse zur elektrischen Steuerung des Ionenstrahlprofils einer linearen Ionenstrahlquelle

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1 Konzept und erste Ergebnisse zur elektrischen Steuerung des Ionenstrahlprofils einer linearen Ionenstrahlquelle Frank Scholze, M. Tartz, H. Neumann Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung Leipzig e.v. X. Erfahrungsaustausch Oberflächentechnologie mit Plasmaprozessen Mühlleithen, 18. bis 2. März 23

2 Verbundprojekt Institut für Oberflächenmodifizierung e.v. Leipzig SenVac SenVac GmbH Strahlprofilsteuerung großflächiger Ionenstrahlquellen für die Ultrapräzisionsbearbeitung Roth & Rau Oberflächentechnik AG Projektträger VDI - Technologiezentrum Ernst Moritz Arndt Universität Greifswald Institut für Physik AIS Automation Dresden GmbH Dr. Hermann Schlemm Ionenstrahl- und Oberflächentechnik Mühlleithen 2

3 Entladungskammer mit Gaseinlass Aufbau Ionenstrahlquellen Plasmaanker, Anode mit Beamspannung verbunden Multiapertur-Gittersystem Schirmgitter - floatend Beschleunigungsgitter - Acceleratorsp. Gitter 3 - Masse Plasmaerzeugung Glühkatoden (KAUFMAN-Typ) Hohlkatoden HF-Anregung MHz-Bereich Elektronenresonanz GHZ- Bereich Beamspannung (+) Masse Plasmapotenzial U pl Floating Potenzial Ionenstrahlcharakteristik Ionenenergie=( +U pl [-U AF ]) *LZ { U AF -Anodenfall } Ionenstromdichteverteilung j(x,y,z) im Raum Strahldivergenz ( Richtungsabweichg von ISQ-Mittelachse ) Spezies in Strahl ( Ionen, Neutrale, Atome, Moleküle, Radikale... ) Raumladungspotenzial Acceleratorspannung(-) U Acc Mühlleithen 3

4 Forderungen an Ionenstrahlquellen Energie variabel einstellbar ab 1eV» von herkömmlichen ISQ erfüllt Variation der Ionenstromdichte zwischen ~ und j max» bedingt machbar In situ Anpassung des Ionenstromdichteprofiles» neuer ISQ-Typ Erfahrungen beim Einsatz des Beamschalters Ionenextraktion PLM= t t Ionenextraktion impulslänge,2,98 U Acc t Impulsläge Segmentiertes Gittersystem einsetzen t t Ioneneextraktion Jedes Segment wird mit einem Schalter verbunden und kann dadurch separat angesteuert werden. Mühlleithen 4

5 Aufbau der LISQ Segmentiertes Gittersystem Flansch mit Quellenkörper Entladungskammer Plasmaanker ECR Plasma Lineare Permantmagnetanordnung mit Polschuh Einkoppelbecher 3x Kühlsystem Mikrowellengenerator mit Antenne Mühlleithen 5

6 Schaltplan Gittersystem Gitter 3 (auf Masse) Segmentunabhängige Variation der Pulslänge Gitter 2 (geschaltet) Gitter 1 (floatend) Plasmaanker U Acc (+) U acc (-) Sperrt Ionenextraktion Extraktion von Ionen + Plasmapotenzial = Ionenenergie Gitter 2 U Acc (+) T + T V Gitter 3 U acc (-) Gitter 2 Gitter 1 Plasmaanker t + T PLM = T PLM =,2...,98 T =,5...,2ms f =,5...2kHz Mühlleithen 6

7 Messsysteme zur Charakterisierung der Ionenfänger Ionenquelle MP Gehäuse MP MP MP R Isolator Messwiderstand Einzelsonde zur zeitaufgelösten Stromdichtemessung - Schutzschaltung - Einzelsonde mit MP - Multiplexer Messwiderstand Ionenstromsondenarray zur ortsaufgelösten Stromdichtemessung Mühlleithen 7

8 Testsystem Basis bildet ein Dreiachsentischsystem x-achse 2m y-achse 6cm z-achse 6cm oder 36 Drehtisch Antrieb erfolgt über Vakuumschrittmotoren Dimension Länge 3m Durchmesser 1,2m LISQ6S Einsatz beliebiger vakuumtauglicher Sensoren zur orts- und winkelaufgelösten Messung der Ionenstromdichte und anderer Plasmaparameter elektrische und magnetische Feldstärke Temperaturverteilung Energiestromdichte Mühlleithen 8

9 Einfluss der positiven Acceleratorspannung 25 Ionenstrom Segmentstrom 2 I / ma I Beam I Acc(-) I Acc(+) Acceleratorstrom Argon Argon 22sccm 22sccm Mikrowelle Mikrowelle 3 3 x x 2W 2W U 7V Beam 7V U U Acc (+) variiert Acc (+) variiert U U Acc (-) 1V Acc (-) 1V PLM,5 PLM, U Acc(+) / V Mühlleithen 9

10 Ein der positiven Acceleratorspannung auf die maximale Ionenstromdichte j Sonde / µa/cm Veränderung der der Ionenabsaugbedingungen» Vergrößerugn des des Divergenzwinkels, Abnahme der der Stromdichte Argon Argon 22sccm 22sccm Mikrowelle Mikrowelle 3 3 x x 2W 2W U 7V Beam 7V U U Acc (+) variiert Acc (+) variiert U U Acc (-) 1V Acc (-) 1V PLM,5 PLM, U Acc(+) / V

11 Stromvariation durch Schalten der Segmente I / ma I Beam I Sperr I Acc = 62V U Sperr = 63V U Acc = 1V gesperrte Segmente Alle Segmente Gesperrte Segmente 1

12 Überlagerung der Ionenstromdichteverteilung einzelner Segmente j / µa/cm^ j / µa/cm^ j / µa/cm^2 y / mm y / mm Ionenstromdichteverteilungen einzelner Segmente überlagern sich y / mm Argon Argon 29sccm 29sccm Mikrowelle Mikrowelle 3 3 x x 24W 24W Beam 8V 8V U Acc (+) Acc (+) 9V 9V U Acc (-) Acc (-) 1V 1V Messabstand Messabstand 2cm 2cm Algorithmus für Segmentansteuerung muss parameter- und abstandsabhängige Beamletüberlagerung enthalten. oder Bearbeitungsabstand so wählen, dass eine Überlagerung vernachlässigt werden kann 2

13 Ionenstromdichte eines Segmentes -8 4, -8 28, 8, 56, -6 12, 16, -6 84, 112, -4 2, 24, -4 14, 168, y / mm , 32, 36, 4, Y Axis Title , 224, 252, 28, x / mm Abstand 4cm x / mm Abstand 8cm , 4, 6, 8, , 32, 48, 64, y / mm , 12, 14, 16, 18, 2, y / mm , 96, 112, 128, 144, 16, x / mm Abstand 12cm x / mm Abstand 16cm 3

14 Variation der PLM 1, PLM, Segmentnummer 1, PLM, Segmentnummer Messabstand 8 cm 4

15 Zeitabhängiger Ionenstrom LISQ Ionenstrom Segmentstrom 5µs PLM =,1 Segmentstrom korreliert invers mit Ionenstrom ---> Segmentstrom mögliche Führungsgröße für Steuerung Steile Flanken zwischen den Schaltzuständen ( < 1ns ) ---> Übergangsbereich vernachlässigbar 5

16 Segmentsteuerung Optokoppler 3-Segmentschalter Gittersegment Acceleratorspannung(+) Strommessung auf Hochspannung liegender Sonden mittels Optokoppler, Trennverstärker 12 1 U Last R Optokoppler 1 1 ULast / V ROptokoppler / Ohm I / ma 1 I-R-Kennlinie 6

17 Zusammenfassung Die Gitterfertigungstechnologie wurde gemeinsam mit einer mittelständigen Firma erarbeitet. ISQ arbeitet stabil, Überschläge im Gitterbereich und zwischen den Segmenten (,5mm Abstand) sind nicht feststellbar Die Puls-Längen-Modulation in Verbindung mit steilen Schaltflanken gestattet die segmentweise Veränderung der Stromdichte bei gleichzeitiger Beibehaltung der ionenoptischen Eigenschaften des Systems. Ionenstromdichteprofil lässt sich problemangepasst und gezielt einstellen Technologien zum Testen der LISQ6S Maskenloser Patterntransfer für dekorative Zwecke (SenVac GmbH) Planarisierung (Roth & Rau AG) 7