Einsatz eines getakteten Ionenstrahls für CAIBE-Prozesse

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1 Einsatz eines getakteten Ionenstrahls für CAIBE-Prozesse J. Dienelt,, B. Dathe,, H. Neumann, F. Scholze, IX. Erfahrungsaustausch Oberflächentechnologie mit Plasmaprozessen Mühlleithen, 5. bis 7. März 22 Permoserstraße 15 D-4318 Leipzig Germany Tel (341) Fax ++49 (341)

2 Motivation Experimentelle Anlagentechnik CAIBE-UHV-Ätzanlage Erzeugung eines periodischen Ionenstrahles Eigenschaften des periodischen Ionenstrahles Untersuchungen zum CAIBE von GaAs mit gepulstem Ionenstrahl Zusammenfassung Präsentationsinhalt 2

3 periodischer Ionenstrahlbeschuss bereits seit 8er Jahren angewendet - Untersuchung von Reaktionsprodukten (TOF, MMBS) - mechanische Chopper; Problem: Mechanik, Kontaminationen Entwicklung und Anwendung elektronischer Strahlschalter Anwendung des Strahlschalters zur Untersuchung der Dynamik von Oberflächenreaktionen unter üblichen Prozessbedingungen - Bildungs- und Desorptionsgeschwindigkeit - Einfluss des Ionenstrahlbeschusses Weitere Aspekte der Anwendung von Strahlschaltern: - zeitlich verzögerungslose Strahlsteuerung - zusätzlicher experimenteller Freiheitsgrad - niedrigere Bearbeitungstemperatur - Neutralisation ohne zusätzliche Elektronenquelle - Beeinflussung des Ätzprofils Motivation 3

4 Einfügen des elektronischen Schalters in bestehende Ionenquellenstromversorgungen ECR-Plasma dielektr. Einkoppelbecher Magnet Mikrowellenleiter Mikrowellenstromversorgung Gehäuse Substrathalter Substrat Ionenstrahl Stromversorgung elektronischer Schalter U B Flansch Gitter 2 Gitter 1 Plasmaanker U A Anlagentechnik - Schema: Schalter-Ionenquelle-Stromversorgung - 4

5 Erzeugung eines periodischen Ionenstrahls U [V] Plasma Gitter U P Strahl Probe Frequenz f = 1/(t an +t aus ) 5 Hz -1 khz U [V] Plasma Gitter Strahl Probe U B U A x Tastverhältnis TV = t an * f,1 -,9 U P x Bestrahlungszeit U B [V] Pausenzeit t an = 1 µs - 18 ms t aus t an t aus = 1 µs - 18 ms Zeit [ms] Anlagentechnik - Potentialverhältnisse in den Schaltzuständen - 5

6 Zeitaufgelöste Messung der geschalteten Potentiale und des Ionenstroms Ionenstromdichte [ma/cm 2 ] 1,5 1,,5, -,5 Strahl aus Strahl an Zeit [ms] Umschaltdauer der Potentiale ca. 3,5 µs Strahl an: positive Stromdichte (Inertgasionen) Strahl aus: negative Stromdichte (Elektronen) Neutralisierung der Probenoberfläche in der Strahlpause? Spannung U B [V] Parameter: IBE, t an = f/2 E = 4 ev, f = 2 Hz Elektronischer Strahlschalter - Zeitverhalten des getakteten Ionenstrahles - 6

7 Ergebnisse zeitaufgelöster Messungen des Ionenstromes mittels Faraday-Cup 2 Ionenstromdichte [ma/cm 2 ] khz 1 khz 2 khz 5 khz 1 khz,,4,8,12,16,2 Zeit [ms] Überhöhung der Stromdichte bis 1 µs Maximum bei 3 µs, Stromdichte größer 1 ma/cm 2 Stromdichteverlauf unabhängig von Bestrahlungszeit Einführung eines Normierungsfaktors? Gepulster Ionenstrahl - Zeitaufgelöste elektrische Messungen I - 7

8 Einschaltphase Ausschaltphase 1, 1,,5,5 Stromdichte [ma/cm 2 ], -,5-1, -1,5-2, -2,5 TV=.5 f=2 Hz Stromdichte [ma/cm 2 ], -,5-1, -1,5-2, -2,5,,4,8,12,16,2 Zeit [ms] 2,456 2,46 2,464 2,468 2,472 2,476 Zeit [ms] Stufen im Stromdichteverlauf/stark negativer Peak Strahl an: Absaugen von Ionen (8 µs bis Maximum) Strahl aus: Diffusion von Elektronen (2 µs bis Maximum) Einstellung eines neuen Plasmagleichgewichtes Modellierung? Gepulster Ionenstrahl - Zeitaufgelöste elektrische Messungen II - 8

9 Einfluss der Beschleunigungsspannung auf das Zeitverhalten,,, 8 8 V 1,5 Spannung U B [V] 6 6 V 4 4 V 3 V 2 -,5,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, Ionenstromdichte [ma/cm 2 ] 1,,5, -,5-1, -1,5-2, 8 V 6 V 4 V 3 V,,2,4,6,8,2,3 Zeit [ms] Zeit [ms] Erhöhung der Stromdichte (Maximum, Gleichgewicht) steilerer Anstieg der Stromdichte frühere Einstellung eines Gleichgewichtes Verschiebung/Verschwinden des zusätzlichen Peaks Gepulster Ionenstrahl - Zeitaufgelöste elektrische Messungen III - 9

10 Faraday-Cup-Sondenmessung Thermosondenmessung Stromdichte [µa/cm 2 ] Frequenz.1 khz 1 khz 1 khz,,2,4,6,8 1, Tastverhältnis Strahlschalter_Faradaycup.opj Thermostrom [J/(s cm 2 )],8,7,6,5,4,3,2,1, Frequenz.1 khz 1 khz 1 khz Thermosonde.opj,,2,4,6,8 1, Tastverhältnis Anstieg der integralen Energieeintrags mit steigendem Tastverhältnis Bei geringem Tastverhältnis negative Stromdichte, aber positiver Energieeintrag Strahlneutralisierung auch ohne PBN? Gepulster Ionenstrahl - integrale Messung des gepulten Ionenstrahls - 1

11 Sputterabtrag mit und ohne Neutralisation Abtrag [nm] mit PBN ohne PBN Parameter: IBE, GaAs E = 4 ev, f = 2 Hz Tetch = const totale Bestrahlungszeit [s] proportionaler Anstieg des Abtrages mit der Bestrahlungszeit Verlängerung der Strahlpause bewirkt Sinken der gemittelten Stromdichte Strahlneutralisierung auch ohne PBN? Gepulster Ionenstrahl - Neutralisation des Ionenstrahls - 11

12 Eigenneutralisation des Ionenstrahls mittels Strahlschalters durch Extraktion von Elektronen in den Strahlpausen Sondenpotential [V] 6 f =,5 khz f = 1 khz 5 f = 2 khz f = 4 khz 4 f = 6 khz f = 8 khz 3 f = 1 khz 2 1 ISQ22ECR Gas = 6,6 sccm Ar U beam = 6 V P = mbar Pulslänge [%] Strahlneutralisierung durch Extraktion von Elektronen Neutralisationsgrad vom Tastverhältnis abhängig vollständige Neutralisation bei Tastverhältnis von,5 Gepulster Ionenstrahl - Eigen -Neutralisation des Ionenstrahls - 12

13 Turbomolekularpumpe Elektrischer Strahlschalter Tastverhältnis:.1.9 Frequenz: 5 Hz 1 khz ECR (ECF-125) Ionenstrahlquelle 2.45 GHz 2 1 ev.2 1 ma/cm 2 Schleuse Schieber Vakuumund Gaskontrolleinheit Massenflussregler Gase: z. B.: Ar, N 2, Cl 2 Quadrupolmassenspektrometer xyz- Manipulator Arbeitskammer Basisdruck < 2 x 1-8 mbar Arbeitsdruck < 1 x 1-3 mbar kühl- und heizbarer Probenträger 2 5 K Turbomolekularpumpe y z x Anlagentechnik - CAIBE-Ätzanlage - 13

14 Wesentliche Teilprozesse beim CAIBE-Ätzen Schritte beim CAIBE am Beispiel des Ätzens von GaAs mit Chlor: (1) Adsorption von Halogenmolekülen (2) Bildung von Halogeniden (AH x, BH x, x = 1, 2, 3) (3) Abtrag der Reaktionsprodukte (thermisch Desorption, Stoßübertrag) Ausbildung eines dynamischen Gleichgewichts CAIBE-Prozess - Schematische Darstellung von Teilprozesse - 14

15 Einfluss von ausgewählten CAIBE-Parametern auf die Ätzrate von GaAs 25 saturation 8 ev etch rate [nm/min] ev 2 ev chlorine flow [sccm] Steigerung der Ätzrate mit steigendem Chlorfluss und höherer Ionenenergie Sättigung der Ätzrate bei höheren Chlorflüssen CAIBE-Ätzprozess - Einfluss des Chlorflusses auf den Ätzabtrag - 15

16 Einfluss des Strahlschalters auf die Ätztiefe von GaAs bei ausgewählten CAIBE-Parametern sccm Cl 2 6 sccm Cl 2 1 sccm Cl 2 Abtrag [nm] ,,2,4,6,8 1, Parameter: CAIBE, t an =,1 ms E = 4 ev, j =,5 ma/cm 2 IF = 6 x 1 17 cm -2 Pausenzeit [ms] Abtrag steigt mit Verlängerung der Strahlpause größere Chlorbedeckung, dickere Chloridschicht größerer Abtrag bei gleicher Ionenfluenz, geringere Schädigung CAIBE-Ätzprozess - Einfluss der Pulszeiten auf den Ätzabtrag - 16

17 Abtragstiefe [nm] K 3 K 2 K,,2,4,6,8 1, Parameter: CAIBE, E = 4 ev, j =.5 ma/cm 2, 6 sccm Cl 2, t an =,1 ms, IF = 6 x 1 17 cm -2 Anstiege: 42 K: 12 nm/ms 3 K: 54 nm/ms 2 K: 134 nm/ms Pausenzeit [ms] steigende Probentemperatur Erhöhung des Abtrages Berechnung der Geschwindigkeitskonstanten (Bildungs- und Desorptionsprozesse) CAIBE-Ätzprozess - Einfluss der Temperatur auf das Abtragsverhalten - 17

18 Chlorbelegungszeit Periodendauer Ionenbestrahlungszeit Abtrag [nm] Bestrahlungszeit: 2, ms 1.5 ms 1, ms.75 ms.5 ms Abtrag [nm] Pausenzeit:.5 ms 1.5 ms 3.5 ms ,,5 1, 1,5 2, 2,5 Pausenzeit [ms] Bestrahlungszeit [ms] steigende Strahlpause, Vergrößerung des Abtrages geringerer Anstieg der Kurven mit größerer Bestrahlungszeit t aus = 1,5 ms Gleichgewicht zwischen den Abtragsprozessen CAIBE-Ätzprozess - Einfluss des gepulsten Ionenstrahls - 18

19 Zusammenfassung Anwendung eines elektrischen Strahlschalters für Ionenquellen gezeigt Auswirkungen auf die Eigenschaften des Ionenstrahls dargestellt Erweiterung des Verständnisses der ablaufenden Prozesse Anwendung des elektronischen Strahlschalters führt beim CAIBE zu gleichem Abtrag bei geringerer Ionenfluenz dadurch zu einer Senkung der Oberflächenschädigung ermöglicht die Untersuchung der Dynamik von Teilprozessen elektronischer Strahlschalter eröffnet neue experimentelle Möglichkeiten Eigen- Neutralisation durch Anwendung des Strahlschalters Zeitliche Steuerung der Stromdichte von Ionenquellen Zusätzlicher freier Parameter für experimentelle Untersuchungen Zusammenfassung 19

20 Dank gilt allen Kollegen des IOM, aber auch anderer Institutionen, die zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Vor allem sind zu nennen: R. Wiese H. Kersten Dr. W. Knolle Prof. Rauschenbach... und viele mehr Danksagung 2