Ziel der Entwicklung

Das Projekt zielte darauf ab, einen Sensor zum Charakterisieren der Plasmen von Ionenquellen anhand von Ionenstrom und Wärmeeintrag mit hoher Ortsauflösung zu schaffen. Ionenstrahl- und Plasmatechnologien werden vielfältig für Beschichtungs-, Ätz- und Reinigungsprozesse, insbesondere in den Industriezweigen MEMS, Mikroelektronik und Präzisionsoptik eingesetzt. Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal für Ionen(strahl)quellen ist der Ionenstrom. Er ist ein proportionales Maß für die Plasmadichte in der Quelle. Seine Messung ist die Grundlage zur Einrichtung des Ionenstrahls mit hoher Homogenität und Parallelität. Das ist für den Einsatz einer Ionenstrahlquelle z.B. zum zusätzlichen Beaufschlagen optischer Vergütungsschichten mit Ionen bei deren Wachstum zur Verdichtung erforderlich. Vornehmlich für das Bearbeiten temperaturempfindlicher Substrate und definierten Energieeintrag in die wachsende Schicht entstand industrieller Bedarf an einer in-situ–Messung des Energieeintrags aus dem Plasma am Ort der Bearbeitung. Damit erschließen sich für Plasmaquellen neue und erweiterte Einsatzfelder z.B. in Medizin- und Sensortechnik. Kommerziell verfügbare Sensoren gemäß Stand der Technik verwenden jeweils nur ein einzelnes Messprinzip. Sie sind für den jeweilig vorgesehenen Einsatz optimal dimensioniert, z.B. Faradaybecher als Hochstrom Empfänger (High Current Faraday Cup) in Synchrotron und Implantern bis zu Mikro-Faraday-Bechern in der Elektronenmikroskopie. Thermosonden werden kommerziell noch nicht in miniaturisierter Form angeboten. Ortsaufgelöste Messungen beider Größen sind zeit- und justageaufwändig. Das Ziel wurde durch Vereinigen der Messprinzipien Ionenstrommessung mittels Faraday-Auffänger und miniaturisierter Wärmestrommessung in einem gemeinsamen Sensor erreicht. Mit dem entwickelten Sensor können Ionen- und Wärmestrom im Plasma vor einer Quelle mit deutlich verringertem Aufwand ortsaufgelöst gemessen und damit das räumliche Profil des Plasmas bestimmt werden. Damit wird der Nutzer befähigt, eine angebotene Quelle in Hinsicht auf seine Anwendererfordernisse zu charakterisieren und zweckmäßig auswählen zu können. Nachfolgend kann er die Funktionsfähigkeit von Plasmaquellen überwachen und eine Schicht- / Oberflächenbearbeitung homogen und mit hoher Beständigkeit gewährleisten.

Vorteile und Lösungen

Im Projekt wurde erfolgreich ein Prototyp des Ionenstrom- und Energiesensor entwickelt, aufgebaut und an einer Ionenstrahlquelle (RF37-i der Firma SCIA Systems GmbH) getestet. Mit dem Sensor ist die gleichzeitige Messung von Wärmefluss und Ionenstrom an derselben Messposition möglich. Der Sensorkopf besteht aus einem 31 x 33 x 13 mm³ großen Aluminium-Kühlkörper, in dem eine elektrisch leitfähige Sensorfolie als Boden eines Faraday-Cups (FC) zur Messung des Ionenstroms, ein Thermopile zur Messung des Wärmeflusses, ein Thermistor zur Temperaturüberwachung der Sensorfolie sowie eine Sekundärelektronenunterdrückung (SEU) verbaut sind. Der Sensor kann wahlweise mit der Auswerteelektronik direkt im Sensorgehäuse aufgebaut werden, was eine besonders rauscharme Messung ermöglicht (jedoch den Sensorkopf auf 64 x 78 x 20 mm³ vergrößert) oder mit externer Elektronik. Die Daten werden über eine Ethernet - Schnittstelle aus der Prozesskammer herausgeführt und können direkt über das Netzwerk abgegriffen werden. Die Entwicklung des Sensors wurde in 6 Schritte unterteilt:
– die Erprobung potentieller Sensorfolien-Materialien,
– das Design der Messelektronik,
– die Entwicklung der Wärmeflussmessung,
– das Design des FC zur Ionenstrommessung,
– der Kombination beider Messprinzipien
– Aufbau eines Sensorarrays aus 4 Einzelsensoren, zur Echtzeitüberwachung des
Ionenstrahlprofils.

Bei der Auswahl und Erprobung potentieller Sensorfolienmaterialien wurde eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Sensorzentrum und Kühlkörper (hohe Sensitivität), sowie ein möglichst niedriger Materialabtrag im Ätzprozess (hohe Lebensdauer) angezielt. Die Lebensdauer wurde dabei als Zeitraum definiert, in der die foliendickenabhängige Änderung des gemessenen Energieeintrags unter 1 % bleibt. Da die Lebensdauer nicht nur vom Folienmaterial, sondern auch der Position des Sensors relativ zur Ionenstrahlquelle sowie der Verwendung von Blenden oder Shuttern abhängig ist, wurde sie für das „worst-case“ Szenario einer kontinuierlicheren Exposition im Ionenstrahl bestimmt. Von den untersuchten Metallfolien wurde Titan favorisiert. Für eine 250 μm dicke Titanfolien bei einer hohen Leistungsdichte von 1 W/cm² ergibt sich eine Lebensdauer von ca. 1 h. Als Alternative dazu wurde Sigradur als Material mit geringerem Abtrag / längerer Lebensdauer (ca. 22 h) untersucht, welches bei gleicher Folienstärke ein größeres Messsignal für die Wärmeflussmessung generiert. Dieses lässt sich aber durch die hohe Fragilität dünner Sigradurfolien schwerer bearbeiten und erhöht die Kosten pro Folienmodul signifikant. Für die Entwicklung der Komponente zur Messung des Wärmeflusses wurden Variationen der Sensorkopfgeometrie, Konfiguration des Kühlkörpers und verschiedene Kühlkonzepte untersucht. Die Wärmeabstrahlung der Sensorfolienrückseite wurde mit Thermopiles des Typs ST60 gemessen. Es wurden Experimente mit einem 785 nm Kalibrierlaser und der Ionenstrahlquelle RF37-i durchgeführt. Dieser Entwicklungsschritt bestimmte die finalen Dimensionen des Sensorkopfes und der Sensorfläche. Die Leistungsdichte der Ionenstrahlen während der Experimente reichte von 10 mW/cm² bis 1,1 W/cm². Innerhalb dieses Intervalls konnte kein oberes Limit bei der Wärmeflussmessung festgestellt werden. Für Sensorfolien aus Titan war 10 mW/cm² die untere Grenze der Detektierbarkeit, während Sigradurfolien bei dieser Leistungsdichte ein unverrauschtes Signal erzeugten. Die erforderliche Zeit pro Messpunkt im finalen Aufbau des Einzelsensors ist >= 280 ms Bei der Konzeption der Faradaykomponente spielte die Höhe des Sensorkopfes eine wichtige Rolle. Es sollten 20 mm nicht überschritten werden, was das Aspektverhältnis des FC limitiert. Es wurden Testmessungen für verschiedene Formen von FC und der SEU durchgeführt. Absolut können Ströme von 100 nA bis 3 mA gemessen werden. Abhängig vom der Blendengröße des Sensors ist so die Messung von Ionenstromdichten von bis zu 42 mA/cm² (Blendendurchmesser 3 mm) möglich. Die Messzeit des FC liegt bei ≈350 ms.Die Fertigungstechnologie für die Kombination beider Messprinzipien, Wärmeflussmessung nach Gardon und Ionenstrommessung nach Faraday, wurde erfolgreich entwickelt und erste Testsensoren aufgebaut. Die gleichzeitige Messung von Wärmefluss und Ionenstrom demonstriert, dass bei kurzen Messzeiten bzw. kleinen Messfrequenzen mit geringen Leistungsdichten (< 50 mW/cm²) der Sensor ohne aktive Kühlung verwendbar ist. Bei höheren Energieeinträgen oder längeren Messzeiten ist die Wasserkühlung des Sensorkopfes unbedingt erforderlich. Für den Aufbau eines Sensorarrays mit vier Messpositionen wurde ein gemeinsamer Kühlkörper entworfen. Es ist so eine nahezu instantane Messung des Ionenstrahlprofils möglich. Die Messpunkte haben untereinander einen Abstand von 19 mm bei einer Messpunktgröße (Blendendurchmesser) von 3 mm. Es wird angestrebt den Arraysensor zukünftig weiter zu miniaturisieren und so eine noch bessere Auflösung der Profilmessung zu ermöglichen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Faraday-Becher (FC) sind typische Begleitkomponenten von Ionenquellen aller Art zur Festlegung ihres Arbeitspunktes durch Messen des Ionenstromes. Zu diesem Zweck, jedoch durch Messbarkeit des Energieeintrages über die Funktion hinausgehend, ist auch der Einsatz des zu entwickelnden Sensors einzuschätzen. Ionenquellen haben ein weites Einsatzspektrum: z.B. bei Abscheidung und Schichtabtrag zu Dickenkontrolle / Uniformierung dünner Schichten / Schichtsysteme z.B. bei der Fertigung von Präzisionsoptiken, Brillenglasproduktion, Photonik-, Laser- und Halbleiterindustrie, Sensorfertigung wie Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), Anzeigesystemen, Magnetischen Datenspeichersystemen und medizinischen Gerätekomponenten. Ein bedeutender inländischer Anlagenhersteller, der Ionenquellen einsetzt und sein Interesse an der vorgesehenen Sensorentwicklung bekundet hat (sh. Anlage Interessenbekundung SCIA SYSTEMS GmbH) ist die SCIA Systems GmbH, Chemnitz. Die SCIA Systems GmbH schätzt den Ionenstrom als ein entscheidendes Qualitätsmerkmal von Ionen(strahl)quellen ein. Er ist ein proportionales Maß für die Plasmadichte in der Quelle. Seine Messung wird als die Grundlage zur Einrichtung des Ionenstrahls mit hoher Homogenität und Stabilität. Das ist für den Einsatz einer Ionenstrahlquelle z.B. zum zusätzlichen Beschuss optischer Vergütungsschichten mit Ionen beim Wachstum zu deren Verdichtung erforderlich. Die geplante innovative Kombination mit einer Energiemessung am gleichen Ort ist aus Sicht des potenziellen Anwenders SCIA Systems GmbH besonders interessant. Wir erwarten, dass ihre Verwendung den effizienten Einsatz der SCIA-Geräte bei der Bearbeitung temperaturempfindlicher Unterlagen ermöglicht. Damit erschließen sich neue bzw. erweiterte Einsatzfelder in Medizin- und Sensortechnik. Für diesen Markt werden von der SCIA Systems GmbH Wachstumsraten von jährlich 15 % gesehen. Die SCIA Systems GmbH geht in ihrer Interessenbekundung von einem durchschnittlichen Bedarf ihrerseits von ca. 10-15 Sensorsystemen (mit je 8 Einzelsensoren) p.a. in den ersten Jahren aus. Auf Basis dieser Interessenbekundung sowie der des Ionenquellenherstellers IOT GmbH, Leipzig (KMU) wurden die in den nächsten 5 Jahren für den Sensor zu erwartenden Umsätze prognostiziert. SCIA SYSTEMS GmbH und IOT GmbH sind damit erste potenzielle Endkunden, die ihr Interesse an dem zu entwickelnden Sensor bekundet haben. Die zu entwickelnden Sensoren sind zum Einsatz in allen Bereichen der Plasmatechnologie vorgesehen. Das betrifft sowohl Produktions- als auch Entwicklungsbereiche. Die durch den Einsatz des neuen Sensors zu gewinnenden Erkenntnisse sind:
– genaue Messung des Energieeintrags in ein Substrat / Wafer beim Ionenstrahlätzen / -bearbeiten (wichtig für die Begrenzung der Temperaturbelastung von z.B. Lackmasken / Wafern / Schichten in der Produktion)
– Messung des Ionen- und des Neutralenanteils im Strahl, der von der Ionenquelle kommt
– Bestimmung des Ladungsaustauschquerschnitts (für Universitäten / Institute / FuE-Abteilungen) im Ionenquellengas
– Messung der radialen Profile des Ionenstroms (Faraday) und des Neutralenstroms