DE3021221C2

DE3021221C2 - Ionenstrahlquelle

Info

Publication number: DE3021221C2
Application number: DE3021221A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Tokyo Kanomata; Hidemi Tokorozawa Saitama Koike; Noriyuki Sakudo; Katsumi Tokyo Tokiguchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-06-04
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1982-08-26
Also published as: FR2461351B1; GB2053559B; JPS55161341A; JPS5852297B2; GB2053559A; DE3021221A1; FR2461351A1; NL8003233A; US4316090A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ionenstrahlquelle mit einer gegenüber der Umgebung thermisch isolierten Entladungskammer, innerhalb welcher von außen zugeführtes Probengas oder zugeführter Probendampf durch Mikrowellenbestrahlung in ein Entladungsplasma umgewandelt wird, wobei die Entladungskammer eine Ionenstrahlaustrittsöffnung mit einer vorgelagerten Ionenabzugselektrodenanordnung aufweist, von welcher die erste Elektrode die Ionenstrahlaustrittsöffnung begrenzt bzw. bildet.

Eine derartige Ionenstrahlquelle, welche beispielsweise zur Störstellenimplantation von Halbleiterbauelementen verwendet wird, ist aus der US-PS 40 58 748 bekannt. Es zeigt sich jedoch, daß bei Verwendung einer derartigen Ionenstrahlquelle bei Einsatz von PH₃-GaS oder AsH₃-GaS für die Bildung von P+-Ionen bzw. As+ -Ionen elementares P bzw. As sich allmählich auf der im Mündungsbereich der Entladungskammer angeordneten ersten Elektrode der Ionenabzugselektrodenanordnung anlagert, was nach etwa 10 bis 20 Betriebsstunden zu Instabilitäten des von der Ionenstrahlquelle abgegebenen Ionenstrahls führt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ionenstrahlquelle der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß selbst bei der Verwendung eines Probengases in Form von PH3 oder AsH₃ über lange Betriebszeiträume hinweg die Abgabe eines stabilen Ionenstrahles gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die erste Elektrode unterteilt ist, wobei der von dem Entladungsplasma beaufschlagte Teil der ersten Elektrode im Bereich der Ionenstrahlaustrittsöffnung einen begrenzten Wärmeübergang gegenüber dem Elektrodenhauptteil aufweist.

Aufgrund der Tatsache, daß der Wärmeübergang zwischen dem die Ionenstrahlaustrittsöffnung enthaltenden Teil der ersten Elektrode und dem Hauptteil dieser Elektrode begrenzt ist, ergibt sich durch die lonenstrahlbeaufschlagung eine relativ starke Erhitzung dieses Teils der ersten Elektrode, was dazu führt, daß nur vernachlässigbare Mengen von P und As sich an diesem Elektrodenteil niederschlagen können. Aufgrund dessen ist es möglich, einen stabilen Ionenstrom großer Stromstärke über lange Zeiträume von beispielsweise mehr als 200 Betriebsstunden aufrechtzuerhalten. In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, daß eine Ionenstrahlquelle bereits bekannt ist (siehe Review of Scientific Instruments, Vol.49, Nr.4, April 1978, S. 435—439), bei welcher eine aus Kupfer bestehende Elektrode mit einem zentralen Einsatz aus Molybdän vorgesehen ist In diesem Fall dient jedoch der hochschmelzende Einsatz dazu, die Elektrodenerosion des von dem Bogenplasma beaufschlagten Teils der Elektrode herabzusetzen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche. Dabei sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß selbst für den Fall, daß der die Ionenstrahlaustrittsöffnung bildende Einsatz aus demselben Material wie der Hauptteil der ersten Elektrode besteht, mikroskopisch betrachtet zwischen den beiden Teilen nur ein punktweiser Kontakt zustandekommt, was zu einer Reduzierung des Wärmeübergangs führt. Aus diesem Grunde heizt sich durch die lonenstrahlbeaufschlagung der Einsatz sehr viel stärker auf, so daß wunschgemäß keine Anlagerungen von P und As Zustandekommen. Die Verwendung eines Einsatzes aus Kohlenstoff erscheint im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch noch zweckmäßiger, weil Kohlenstoff an sich bereits eine sehr viel geringere Wärmeleitfähigkeit gegenüber Metallen besitzt.

Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung teilweise im

Schnitt zur Erläuterung eines Implantationsgerätes unter Verwendung einer Ionenstrahlquelle gemäß einer bekannten Anordnung,

F i g. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie X-X' von Fig. 1.

F i g. 3 eine vergrößerte Schnittansicht einer Ionenstrahlquelle gemäß der Erfindung und
F i g. 4 eine Draufsicht auf einen Teil der in F i g. 3 dargestellten Ionenstrahlquelle.

F i g. 1 zeigt ein Implantationsgerät hoher Stromstärke unter Verwendung einer Ionenstrahlquelle gemäß der US-PS 40 58 748. Das Implantationsgerät besitzt dabei einen Mikrowellengenerator 1 mit einer Frequenz von 2,45 GHz und einer Leistung von 600 W. Die von diesem Mikrowellengenerator 1 erzeugten Mikrowellen werden über einen Rechteckhohlleiter 2, ein Anpassungsglied 4 und eine vakuumdichte Dielektrikumsschicht 5 aus einem aluminiumhaltigen Porzellan in eine Entladungskammer 6 geleitet. Innerhalb dieser durch Stegelektroden 7 begrenzten Entladungskammer 6 wird auf diese Weise ein Mikrowellenfeld zwischen den Stegelektroden 7 erzeugt, deren Oberflächen in bezug auf die Entladungskammer 6 im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Gemäß Fig.2 sind die seitlich von den Stegelektroden 7 liegenden Bereiche mit einem Dielektrikum 8 aus Bornitrid gefüllt, um auf diese Weise

den Bereich der Plasmaerzeugung zu begrenzen. Die Wandungen der Entladungskammer 6 werden somit im wesentlichen durch die beiden Stegelektroden 7 sowie das Dielektrikum 8 begrenzt. Um die Entladungskammer 6 vollkommen thermisch zu isolieren, ist dieselbe zusätzlich durch eine Schicht 9 aus Bornitrid nach außen hin begrenzt. Die Abmessungen dieser rechteckigen Entladungskammer 6 betragen dabei in etwa 5 χ 44 mm.

Durch eine nicht dargestellte Gaseinführnngsöffnung wird beispielsweise PH3-Gas in die Entladungskammer 6 eingeführt, wobei innerhalb dieser Entladungskammer 6 ein Druck von ungefähr 1 · 10-³Pa mit Hilfe einer Vakuumpumpe 12 aufrechterhalten wird. Von außen her wird ferner mit Hilfe einer Magnetspule 11 ein Magnetfeld von ungefähr 0,1 T erzeugt Dieses Magnetfeld bewirkt in Verbindung mit dem Mikrowellenfeld die Erzeugung eines Plasmas, dessen Ionen mit Hilfe einer Elektrodenanordnung 10 aus der Entladungskammer 6 abgezogen werden. Zwischen den Elementen 2 und 4 ist zusätzlich ein Isolierflansch 3 vorgesehen, um den Mikrowellengenerator 1 gleichstrommäßig gegenüber der Ionenstrahlquelle zu isolieren.

Der von der Elektrodenanordnung 10 abgezogene, aus P⁺-, P2⁺-, P⁺⁺- sowie PH ⁺ -Ionen bestehende Ionenstrahl wird mit Hilfe eines Massenseparators 13 einer Massentrennung unterworfen. Dieser Massenseparator 13 besitzt dabei bei einem Ablenkwinkel von 90° und einem Radius von 40 cm ein Magnetfeld von 0,95 T. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß einzig und allein die P⁺-Ionen in eine Ionentargetkammer 14 eingeleitet werden. Diese P⁺-Ionen bilden dabei einen Ionenstrahl von etwa 3 mA, mit welcher über eine Blendenanordnung 15 Halbleiterplättchen 16 auf einer drehbaren Trommel 17 bestrahlt werden.

F i g. 3 zeigt eine Schnittansicht der Ionenstrahlquelle, so wie sie bei einem Implantationsgerät gemäß F i g. 1 verwendbar ist. Diese Ionenstrahlquelle besteht im wesentlichen aus der bereits erwähnten Entladungskammer 6, welche nach oben und unten hin durch die beiden Stegelektroden 7 begrenzt ist. Die Entladungskammer ist dabei mit Hilfe der dielektrischen Wandungen 9 aus Bornitrid isoliert.

Die im Bereich der Ionenstrahlaustrittsöffnung angeordnete Ionenabzugselektrodenanordnung 10 besteht dabei aus einer an ein Potential von 50 kV angeschlossenen ersten Elektrode 19, einer an ein Potential von —2 kV angeschlossenen zweiten Elektrode 20 sowie einer an Erdpotential angelegten dritten Elektrode 21. Die erste Elektrode 19 ist dabei mit Hilfe einer aus Bornitrid bestehenden Dielektrikumsschicht

18 gegenüber den Stegelektroden 7 isoliert

Gemäß der Erfindung besteht die in Berührung mit der Entladungskammer 6 stehende erste Elektrode I^ aus Jen beiden Teilen 19Λ und 195, wobei der Teil 19S einen Einsatz bildet, der in F i g. 4 gezeigt ist Der Grund für das Vorsehen dieses Einsatzes 195 ist dabei der, daß in diesem Bereich zwischen dem Ionenstrahl und der die

!0 Entladungskammer 6 begrenzenden Isolierschicht 9 eine Ionenwolke erzeugt wird, die sich bis in den Austrittsöffnungsbereich des Einsatzes 195 der ersten Elektrode 19 erstreckt Auf diese Weise ergibt sich, daß das innerhalb der Entladungskammer 6 befindliche Entladungsplasma ein gewisses Potential gegenüber den Begrenzungsflächen besitzt. Aufgrund dieses Potentials prallen die erzeugten Ionen mit einer diesem Potential entsprechenden Energie gegen die Oberflächen der Entladungskammer 6, wodurch dieselbe aufgeheizt wird.

Dasselbe geschieht ebenfalls im Bereich des Einsatzes 195 der ersten Elektrode 19, so daß dieser Einsatz 195 im Vergleich zu dem Hauptteil 19Λ der ersten Elektrode

19 stark aufgeheizt wird. Die das Plasma begrenzenden Wandoberflächer; sind somit hinreichend heiß, daß selbst bei Verwendung von PHj-Gas oder AsH3-Gas sich weder P noch As an den Wandoberflächen des Einsatzes 105 anlagern können.

Aufgrund von Versuchen konnte festgestellt werden, daß bei Verwendung von rostfreiem Stahl für die Ausbildung der beiden Teile 19Λ und 195 nur sehr geringfügige Ablagerungen Zustandekommen, jedoch eine gewisse thermische Deformation in diesem Fall nicht vermeidbar ist. Bei Verwendung von Kohlenstoff als Material für den Einsatz von 195 konnten jedoch zufriedenstellende Resultate erreicht werden, wobei keine Verformungen auftraten. Bei diesen Messungen besaß der Einsatz 195 äußere Abmessungen von 5Ox 10 mm, während die Innenabmessungen der Austrittsöffnung 40 χ 2 mm betrugen. Die Dicke des Einsatzes 195 war 2 mm.

Bei der in Fig.3 gezeigten Anordnung stehen die beiden Teile 19Λ und 195der ersten Elektrode 19 direkt in Berührung, so daß eine elektrische Verbindung zustandekommt Der Einsatz 195 ist dabei zweckmä ßigerweise so ausgebildet, daß er vcn dem Hauptteil 19Λ der ersten Elektrode 19, der Dielektrikumsschicht 18 sowie der dielektrischen Wandung 9 der Entladungskammer 6 gehalten wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ionenstrahlquelle mit einer gegenüber der Umgebung thermisch isolierten Entladungskammer, innerhalb welcher von außen zugeführtes Probengas oder zugeführter Probendampf durch Mikrowellenbestrahlung in ein Entladungsplasma umgewandelt wird, wobei die Entladungskammer eine Ionenstrahlaustrittsöffnung mit einer vorgelagerten ionenabzugselektrodenanordnung aufweist, von welcher die erste Elektrode die Ionenstrahlaustrittsöffnung begrenzt bzw. bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (19) unterteilt ist, wobei der von dem Entladungsplasma beaufschlagte Teil {i9B)der ersten Elektrode (19) im Bereich der Ionenstrahlaustrittsöffnung einen begrenzten Wärmeübergang gegenüber dem Elektrodenhauptteil (19Aj aufweist.

2. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Entladungsplasma beaufschlagte Teil (19B)im Bereich der lonenstrahlaustrittsöffnung ein getrennter Einsatz ist, welcher in den Hauptteil (19A) der ersten Elektrode (19) eingesetzt ist.

3. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (19Λ 19Sj der ersten Elektrode (19) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

4. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (t9ß) aus Kohlenstoff besteht, während der Elektrodenhauptteil (9) aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.