DE3105359A1

DE3105359A1 - Ionenimplantationssystem, verfahren zur strahlablenkung zwecks gleichfoermiger bestrahlung, ablenksystem und verfahren zur erzeugung einer nichtlinearen wellenform

Info

Publication number: DE3105359A1
Application number: DE19813105359
Authority: DE
Inventors: Norman Leonard Cloucester Mass. Turner
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1981-02-13
Publication date: 1981-12-24
Also published as: FR2482358A1; FR2497389B1; GB2137408A; GB8406519D0; FR2482358B1; JPS6338828B2; GB2070850A; GB2070850B; GB2137409B; CH659150A5; GB2137408B; US4283631A; FR2497389A1; GB8406520D0; GB2137409A; JPS56145646A; DE3105359C2

Description

Patentanwälte European Patent Attorneys u 3105359

München

V1 P532 D

Ioneniaplantationssystem, Verfahren zur Strahlablenkung zwecks gleichförmiger Bestrahlung, Ablenksystem lind Verfahren zur Erzeugung, einer nichtline&reä Wellenform

Priorität: 22. Feb. 1980 -USA- Serial No. 123 607

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Die Erfindung betrifft die Steuerung periodisch bewegter Strahlen geladener Teilchen zum Aufprall auf ein Werkstück und bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen der Gleichmäßigkeit der Dosierung des Strahls geladener Teilchen, der auf das Werkstück gerichtet wird.

Das Bestrahlen von Metallen und Halbleitermaterial mit Ionenstrahlen ist ein wirksames Mittel zum gesteuerten und raschen Dotieren derartiger Werkstoffe. Bei der Ionenimplantation, wie das Verfahren genannt wird, wird z.B. eine Halbleiterscheibe mit einem Ionenstrahl gesteuerter Intensität integriert so belichtet, daß die gewünschte Konzentration an Dotiermittel oder Verunreinigung erreicht wird. Die Gleichmäßigkeit der Konzentration des Dotiermittels ist unbedingt wünschenswert, um erstklassige Qualität zu gewährleisten. Es ist bekannt, daß bei Anordnungen, bei denen ein Ionenstrahl mit konstanter Traversiergeschwindigkeit über eine ebene Halbleiterscheibe streicht, die entstehende Dosiskonzentration in der Fläche, gleichgültig ob sie momentan oder integriert ist, im Außenbereich der Bewegung im Vergleich zur Konzentration in der Nähe des nichtabgelenkten oder zentralen Bereichs der Bewegung geringfügig abnimmt, selbst wenn keine neutrale Strahlkomponente vorhanden ist. Hierbei handelt es sich um eine rein geometrische Wirkung, die im einfachsten Fall aus der Projektion einer gleichmäßigen Kugeloberflächendichte auf eine ebene Oberfläche resultiert. Insgesamt läßt sich die Raumwinkelabweichung als Folge einer Abweichung des Aufprallwinkels des Strahls beim Abtasten über die Scheibe hinweg von einem festen Ablenkungsmittelpunkt veranschaulichen. Bei einer typischen handelsüblichen Ionenimplantationsvorrichtung, die zur Bearbeitung einer Scheibe mit einem Durchmesser von 10,16 cm (4 Zoll) eingesetzt wird, liegt die Wirkung im Bereich von 1-1/2$ Dichteschwankung über die Oberfläche der Scheibe hinweg.

Die oben erwähnte Wirkung ist am einfachsten vorstellbar, wenn man sich den Ionenstrahl als rechtwinklig auf den mitt-

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leren Bereich der Halbleiterscheibe oder eines sonstigen Werkstücks aufprallend vorstellt und eine Ablenkungseinrichtung verwendet, um einen Strahl schwingend über das Werkstück hinweg abzulenken. Es ist klar, daß der von einem Strahl mit konstantem Querschnitt eingeschlossene Raumwinkel sich mit dem Einfallswinkel ändert, in der Praxis sind die Umstände etwas anders, da ein rechtwinkliger Einfall des Ionenstrahls normalerweise im Fall von Oberflächen orientierter Einkristallwerkstüeke vermieden wird, um Kristallkanali-Bierungswirkungen zu vermeiden, die die Steuerung der Tiefe der Ionenpenetration in das Substrat beeinflussen. Die Ebene des Substrats kann also geneigt sein, und/oder die nichtab- ■ weichende Strahlrichtung kann so gewählt sein, daß sie auf die Oberfläche des Werkstücks unter einem Winkel im Bereich von 6° bis 8° abweichend von der Senkrechten auf die Oberfläche auftrifft. Die Winkelabweichung des Einfallswinkels ändert sich also über einen Bereich hinweg, der den rechtwinkligen Einfall nicht einschließt, wenn die genannte Kanal-Wirkung vermieden werden soll. Es liegt auf der Hand, daß trotzdem die Schwankung des Raumwinkels am Target über diesen Bereich des Winkeleinfalls hinweg eine Quelle der Ungleichmäßigkeit der Dosierung über das ebene werkstück hinweg ist. Diese Wirkung wird als Spureninhomogenität bezeichnet*

Eine weitere Quelle für Spureninhomogenität resultiert aus der üblichen Praxis, zur Trennung des geladenen Strahls von beliebigen neutralen Komponenten eine Ruhe-Ablenkung anzuwenden. Die neutrale Komponente ist vorhanden, weil Ladungsaustauschkollisionen des Strahls mit Restgasen im System erfolgen. In typischen Vorrichtungen wird eine Ruhe-Versetzung von 7 elektrostatisch angelegt, um den Strahl abzulenken, und

ο die periodische Abtastbewegung von z.B. +/-3 wird zusätzlich angelegt. Der Strahl erfährt eine, beträchtliche Änderung hinsichtlich seines Einfallswinkel* von einem Ende deif iiW«gAing zum anderen, die sich aus dem Ablenkungsprozeß und aus einfachen geometrischen Verhältnissen ergibt.

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Es darf nicht außer Acht gelassen werden, daß es meistens erwünscht ist, die Dosis über die zweidimensional Oberfläche des Werkstücks zu verteilen. Zu diesem Zweck ist die Abtastung zweidimensional. Als Alternative kann auch eine eindimensionale Strahlabtastung zusammenwirkend mit mechanischer Schwingung des Werkstücks rechtwinklig zur Richtung der Strahlabtastung vorgenommen werden. Längs der Koordinate der mechanischen Schwingung wird bei diesem hybriden System die oben erwähnte Ungleichmäßigkeit in Richtung der mechanischen Schwingung vermieden, weil der Strahl in dieser Koordinate nicht abgelenkt wird.

Eine weitere Quelle der Ungleichmäßigkeit wird dem Ablenkmuster und den damit einhergehenden Frequenzverhältnissen der orthogonalen Ablenkeinrichtung zum Erzeugen der Bewegung zugeschrieben. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit wird davon ausgegangen, daß eine zweidimensionale elektrostatische Abtastung eines Ionenstrahls über eine Halbleiterscheibe hinsichtlich der oben erwähnten Ungleichmäßigkeiten korrigiert werden soll. Es zeigt sich, daß die Frequenzverhältnisse der Ablenkungseinrichtung zu Lissajous-Figuren über die vollen Zyklen beider Ablenkungen hinweg führen. Bei zunehmendem Unterschied der orthogonalen Abtastfrequenzen verbessert sich die durchschnittliche Gleichmäßigkeit (oder Dichte der Abtastlinien) pro Flächeneinheit. Der Stand der Technik sieht viele volle Zyklen zweidimensionaler Abtastung vor, und ein unharmonisches Verhältnis zwischen den Ablenkfrequenzen zum Vermeiden stehender Lissajous-Figuren wurde für ausreichend gehalten, um ein Werkstück zu bestrahlen.

Eine Möglichkeit zum Ausgleich der Ionendosisschwankung in Abhängigkeit vom Ablenkwinkel besteht in der Benutzung einer nichtlinearen Wellenform mit dem Effekt, daß in Querrichtung die Strahlablenkgeschwindigkeit in einem gewünschten Verhältnis mit dem Strahlablenkwinkel variiert wird. Beim extremen Ablenkwinkel wird folglich die Strahlabtastgeschwindigkeit herabgesetzt, damit sich eine schrittweise größere Dosis pro

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Flächeneinheit ansammeln kann. Ein analoger Lösungsversuch ist zu diesem Zweok zur komplexen Wellenformsyntheee gemacht worden, wobei Knickpunkte in der Wellenform durch Kombinationen von Dioden und Widerständen erreicht werden, welche eine Synthese gewünschter linearer Zeitabängigkeiten liefern. Dies Verfahren ist jedoch unter Herstellungsbedingungen schwer exakt zu reproduzieren und auf jeden Fall schwer einzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Ionendosis über die Oberfläche eines ebenen Substrats zu erzielen, über das ein Ionenstrahl periodisch bewegt wird.Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine gewünschte nicht lineare Wellenform mittels digitaler Schalteinrichtung zu synthetisieren,, um die Ungleichmäßigkeit der Ionendosierung ebener Substrate mittels darüber bewegter Ionenstrahlen auszugleichen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Bewegungsgeschwindigkeit quer zur überwiegenden Strahlrichtung mittels der nichtlinearen Wellenform in Bezug auf die Versetzung des Strahls längs einer Koordinate der ebenen Oberfläche des Substrats systematisch unterschiedlich gewählt, wobei die an beliebiger Stelle der ebenen Oberfläche abgegebene kumulative Dosis im wesentlichen unabhängig von den Koordinaten dieser Stelle ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Ablenkung des Ionenstrahls von einem Wellenformgenerator gesteuert, bei dem die Wellenform aus einer Vielzahl aneinanderstoßender linearer Wellenformaegmente zusammengesetzt ist und sich die Segmente durch entsprechende Neigungswerte auszeichnen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erzeugen orthogonal angeordnete Ablenkeinrichtungen ein nichtorthogonales Ablenkmuster, zwischen dessen Vorlauf- und Rücklaufspuren eine spitzwinklige Versetzung besteht.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung haben die Frequen-

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-/Λ

zen von an die Ablenkeinrichtungen angelegten Signalen unharmonische Verhältnisse, wodurch ein astabiles Lissajous-Muster erzeugt wird.

Gemäß noch einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Abtastmuster η mal wiederholt, und der Ursprung für jede wiederholung um 1/n Δ X versetzt, wobei Δ.Χ ein Maß des Abstandes zwischen Ablenklinien ist. Gemäß noch einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Rauschen im Ablenksystem nicht unter ein für die weitere Glättung der Dosierungsverteilung durch Fluktuation in der Bahn der Ablenkung gewünschtes Niveau abgesenkt.

Die Gleichmäßigkeit des Niederschlags der Ionendosis längs einer gegebenen Strahlspur (Spurenhomogenität) wird erfindungsgemäß durch Modulieren der Rate erreicht, mit der der Strahl über die ebene Oberfläche des Werkstücks versetzt wird. Die Modulationsfunktion ist digital zusammengesetzt, um die nichtlineare geometrische Schwankung über die Werkstückoberfläche des vom Strahl mit der Werkstückoberfläche eingeschlossenen Einheitsraumwinkels auszugleichen.

Eine ebene Homogenität wird durch eine Serie von Ablenkmuetern erreicht, die die einzelnen Ablenkbahnei in annähernd gleichmäßiger Dichte über die Oberfläche verteilen und bei denen orthogonale Ablenkeinrichtungen in relativer intensität so eingestellt sind, daß sie eine Vorlauf- und Rücklaufspur erzeugen, wobei zwischen den aufeinanderfolgenden Vorlauf -/Rücklauf spuren ein spitzer Winkel eingeschlossen ist. Die relativen Frequenzen der Ablenkeinrichtungen sind so gewählt, daß eine unharmonische, astabile Lissajous-Figur entsteht, die eine wiederholte Erfassung über die ebene Fläche hinweg gewährleistet. Die bei der Lissajous-Verteilung naturgemäß gegebenen Muster werden durch η maliges Wiederholen des ebenen AbIenkens korrigiert, wobei der Ausgang der Ablenkung um eine Entfernung 1/n des Abstandes der verringerten oder Null betragenden Dosiskonzentrationsdichte versetzt wird.

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Schließlich wird eine ausreichende RauschampIitude im Ablenksystem geduldet, um einen weiteren Gesiehtspunlct bei der Glättung der Dosisverteilung zu erzielen.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeiapiels näher erläutert, in den zeichnungen zeigt:

Pig. 1 ein Blockschaltbild eines typischen Ionenimplantationssystems, welches die Erfindung aufweist; Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ablenkvorrichtung;

Fig. 3A-D die Entwicklung des Ablenkmusters und die zugehörigen Zeitbasisprojektionen;
Fig. 4 die geometrische Quelle der Ungleichmäßigkeit.

Die Erfindung ist im FunktionsZusammenhang mit einem Ionenimplantationssystem in Fig. 1 dargestellt. Ein Hochspannungsanschluß 2 wird mit Hilfe einer Hochspannungsquelle 4 auf hohem Potential im Verhältnis zur Erde gehalten. Im Anschluß 2 ist die Vorrichtung aufgenommen, die zur Schaffung eines Ionenstrahls der gewünschten Art nötig ist. Es ist üblich, ein gasförmiges Ausgangsmaterial der gewünschten Art zu verwenden. Hierzu wird ein von einem Gashandhabungssystan 6 erzeugtes Quellengas auf eine Ionenquelle 8 gerichtet* Eine typische Ionenquelle erfordert eine Stromzufuhr 10» um eine Ionisierungsentladung zu unterhalten, eine Stromquelle 12, um ein axiales Magnetfeld über den Entladungsbereich aufzuprägen, und eine Extrakt!onsquelle 14 sowie einen Feineinsteller 14'» der mit einer Extraktionselektrode 16 zusammenwirkt, um das elektrische Feld am Loch der Quelle zum wirksamen Extrahieren eines gut definierten Ionenstrahls hoher Stromdichte zu formen. Eine weiter ins Einzelne gehende Beschreibung der Ionenquellentechniken liegt außerhalb des Rahmens der vorliegenden Beschreibung, siehe z.B. L. Valyi, "Atom and Ion Sources". Der von der Ionenquelle 8 divergierende Strahl 18 wird in einem Analysatormagnet 20, der von

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einer entsprechenden Stromquelle 22 gespeist wird, momentanalysiert. Der analysierte Strom tritt durch den Ausgangsschlitz 24 des Analysators aus und in eine Beschleunigungsröhre 26 ein, in der er auf ein sorgfältig bestimmtes Feldgefälle von dem Hochspannungsanschluß 2 auf Erdpotential trifft. Optische Elemente, wie ein Quadrupoltriplet 28, 30, 32 und ein zugehöriges Steuersystem 34 erzeugen eine räumlich energiemäßige Fokussierung in einer gewünschten Bildebene. Zwei Sätze elektrostatischer Ablenkplatten 40 und 42, die willkürlich mit y bzw. χ bezeichnet werden, haben die Aufgabe, den Strahl über den gewünschten Bereich der Bildebene zu lenken. Die an den jeweiligen Ablenkplatten anliegende V/ellßnform und die Synchronisation derselben zur Erzeugung des jeweils passenden Ablenkprogramms wird mit Hilfe eines Ablenksystems 43 erreicht. Der Ruhestrahl wird ausreichend stark abgelenkt, um einen neutralen Strahl 44, der sich aus Ladungs-Austausch-Kollisionen mit Restgasen ergibt, vom geladenen Strahl völlig zu trennen. In einer Targetkammer 46 sind den Strahl definierende Löcher, eine Strahlüberwachungsund Integrationsvorrichtung sowie Einrichtungen vorgesehen, mit denen ein Scheibensubstrat in das "Vakuumsystem eingeführt und im Hinblick auf die Targetebene ausgerichtet wird.

Yakuumpumpvorrichtungen und die Vakuumhülle des Systems sind hier nicht gezeigt, aber es ist klar, daß der gesamte Bereich, durch den der Strahl verläuft, unter hohem Vakuum gehalten wird.

Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus ist es äußerst wichtig, ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit der Ionendosierung über die Oberfläche der Scheibe einzuhalten und einen minimalen Zeitaufwand pro Scheibe zu benötigen. Dementsprechend wurde festgelegt, daß die Implantationszeit pro Scheibe weniger als 10 Sekunden betragen sollte. Durch diesen Parameter wird das vom Ablenksystem 43 durchgeführte Ablenkmuster und die damit einhergehenden Frequenzen von Wellenformen durch Yfahl der angewendeten Ablenkplatten begrenzt. Darüberhinaus sind die

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Frequenzen gegenüber den normalerweise im Stromübertragungssystem verwendeten 50 Hz oder 60 Hz unharmonisch..

Das Ablenksystem gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel soll anhand von Pig. 2 näher erläutert werden. Es wurde ein unharmonisches Frequenzverhältnis von 200:23 für die Ablenkfrequenzen in x- und y-Richtung gewählt, in der vorliegenden Beschreibung bezeichnet die x-Koordinate die Koordinate in 4er Ebene der versetzten .·. Ruhe -Ablenkung und orthogonal zum niohtmfcgelenkten Strahl (z-Aohse). Ein Haupttaktgeber 60 liefert eine impulsreihe von 3»00 MHz-Impulsen an Teiler 62 und 63. Diese Teiler liefern jeweils 8152 Hz-Impulse an einen χ-Ablenkgenerator 70 und 117 Hz-Impulse an einen y-Ablenkgenerator 71. Im x-Ablenkgenerator 70 wird die 8152 Hz-Impulsreihe in zwei zusätzliche Kanäle aufgeteilt. Einer dieser Kanäle liefert eine zusätzliche Teilung durch 8, um 1019 Hz-Impulse für die grundlegende x-Ablenkfrequenz _zu erzeugen. Eine zweite Teilung des 8152 Hz-Eingangs um die Größe 1024· führt zu einem 8 Hz-Ausgang, dessen Verwendung weiter unten im einzelnen erläutert wird. Die Kompensation der Spureninhomogenität wird in der erwähnten Weise dadurch erzielt, daß die Wellenform der gewünschten nichtlinearen Gestalt entsprechend maßgeschneidert wird, wodurch die Rate, mit der der Strahl abgelenkt wird, gesteuert wird» Er"£ihdungsgemäß wird eine nichtlineare Form aus einer Vielzahl linearer Segmente zusammengesetzt. Hierzu weist der x-Ablenkgenerator 70 einen Dreieckswellengenerator 72 auf, der einen zum Ablenken bestimmten Verstärker 74 über einen Widerstand 76 treibt. Eine gleichbleibende Verstärkung des endgültigen Verstärkers 74 aufgrund des Eingangswiderstandes führt zu einem linearen Überstreichen des abgelenkten Strahls. Es liegt auf der Hand, daß eine Basisrückführung des Dreieckssignals nötig ist, die mit Hilfe eines Schaltkreises 72' durch bekannte Einrichtungen erreicht wird, die außerhalb des Rahmens der Erfindung liegen. Die Dreieckswelle wird in einer direkten Weise durch Integration des 1019 Hz-Rechteckwelleneingangs erzielt. Die neigung des linearen Sweep wird dadurch geändert, daß nacheinander ein

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weiterer Widerstand parallel zum Eingangswiderstand 76 geschaltet wird. Das erfolgt mit Hilfe eines Oktaldekodierers 78, der die Frequenz der 8152 Hz-Rechteckwelle zählt, die am Dreieckswellengenerator 72 anliegt. Sin Rückstellimpuls mit der 1019 Hz-Rate gewährleistet die Synchronisierung. Dekodierte Ausgänge erscheinen nacheinander als Impulse "0" bis "7". Die dekodierten Ausgänge werden an ODER-Gatter 80 angelegt, um Ausgänge zu erzeugen, die einer zeitlich symmetrischen Sequenz folgen. Der dekodierte "O"-Ausgang und der dekodierte "7"-Ausgang wird ans ODER-Gatter 8O_n „

υ, ι

angelegt, um ein lineares Gatter 82_Q „ anzusteuern, welches seinerseits einen Widerstand 83_O _n mit dem Widerstand 76 parallelschaltet.

In ähnlicher Weise führt der dem ersten benachbarte und der dem letzten benachbarte Ausgang der Dekodierfolge ("1" und "6") schließlich dazu, daß ein Widerstand 83-ι g mit dem Widerstand 76 parallelgeschaltet wird und ähnlich die Ausgänge "2" und "5" gemeinsam ebenso wie die Ausgänge "3" und "4" gemeinsam. Dadurch wird eine aus 8 Segmenten bestehende symmetrische Wellenform erzielt, die unterschiedliche Größen linearer Neigung aufweist, wobei sowohl die steigenden wie die fallenden Abschnitte der Wellenform durch Ändern der Verstärkung des Abtastverstärkers erreicht werden. Gegebenenfalls könnte auch leicht eine unsymmetrische Wellenform aus 8 Segmenten geschaffen werden, wenn zusätzliche lineare Gatter und parallelschaltbare Widerstände vorgesehen wurden.

In einer mehr allgemeinen zweidimensionalen .Ablenkvorrichtung können die beiden orthogonale Ablenkwellenformen erzeugenden Generatoren identisch sein ader ziemlich unterschiedliche Merkmale haben, die genau entsprechend der auszugleichenden Wirkung gewählt sind. Beim vorliegenden System kommen z.B. Raumwinkelschwankungen vor, die eine Ungleichmäßigkeit sowohl bei der x- als auch bei der y- Ablenkung erzeugen, wobei jedoch die relative Größe dieser Wirkungen praktisch ziemlich unterschiedlich ist wegen der zusätzlichen versetzten

Ruhe-Ablenkung. Die Raumwinkelschwankung wird anhand

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y- au.

von Pig. 4 näher erläutert. In dieser pigur bestimmt der nichtabgelenkte Strahl die ζ'-Achse, und der Ruhestrahl unterliegt einer versetzten Ablenkung O_Q in der z-x-Ebene aufgrund der Ablenkplatten 42. Die Scheibe ist in der Bildebene 50 unter einem in der y-z-Ebene liegenden Neigungswinkeltf (der Null betragen könnte) angeordnet. Ähnlich kann die Scheibe unter einem in der z-x-Ebene liegenden Winkel angeordnet sein.

pur jede beliebige versetzte Ablenkung 9_Q kann entweder der Neigungswinkel cf oder γ oder beide so gewählt sein, daß er nicht Null beträgt, um zu gewährleisten, daß der Strahl nicht rechtwinklig einfällt. Normalerweise wird der Neigungswinkel </" so gewählt, daß er typischerweise einen Wert in der Nähe von 7° hat, um Kanalbildungseffekte zu vermeiden. Bei Außerachtlassung des Neigungswinkels <f haben die extremen Bahnen P und P₂ der Bahn gemäß Pig. 4 jeweils Einfallswinkel von 0 + 0_Q. Es läßt sich demonstrieren, daß bei einem linear abgelenkten Strahl die Rate der Dosisansammlung in einem Ablenkpurintervall dx proportional zum Kosinusquadrat des Einfallswinkels ist. Pur O₀ = 7° und θ im Bereich -2 1/2° < O < + 2 1/2° ist die prozentuale Ungleichmäßigkeit von Kante zu Kante proportional zu

Cos²(9 - Q₀)

π 2 1,021

Oos (Θ + Q₀

oder ca. 2,19ε. Es ist wichtig, einen systematischen Pehler dieser Größenordnung auszuschalten.

Typischerweise beträgt die Toleranz für die Ungleichmäßigkeit der Dosis bei der Halbleiterherstellung eine Standardabweichung oder ca. 0,75$. Wird die Scheibe nicht in der y-z-Ebene geneigt (</"=0), so liegt die Raumwinkel Schwankung innerhalb dieser Toleranz in der y-Ablenkkoordinate, weil der Winkelabstand des Ablenkens klein ist. Aus diesem Grund wird in dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel für die y-Ablenkung keine nichtlineare V/ellenform verwendet, obwohl eine solche Kompensation, wenn gewünscht, gemäß den Prinzipien der Erfindung leicht durchführbar ist. Teilweise

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aus den oben genannten Gründen arbeitet beim bevorzugten Auafühpungsbeisplel der y-Ablenkgenerator 71 ohne niohtlineare Kompensation mit einem Breieckswellengenerator 86 unter entsprechender Basisrückführung 86' zum Integrieren der von einem Heiler 63 gelieferten 117 Hz-Impulse in Reohteckwellenform. Die lineare Wellenform wird weiter in einem Verstärker 88 verstärkt, um an die y-Ablenkplatten abgegeben zu werden. Das resultierende x/y-Frequenzverhältnis von 200/ 25 liefert eine astabile Lissajous-Figur, die sich mit der Periode des x-Abtastens (1019 Hz) wiederholt, d.h. mit 98,133 ms.

Es liegt auf der Hand, daß ein Neigungswinkel /"=7° geometrisch äquivalent ist zur Wirkung eines Winkels θ_ο=7°, und eine nichtlineare Wellenform wird wirksam eingesetzt, um in diesem Fall die y- Ablenkung zu kompensieren.

In den Fig. 3A-D ist die Entwicklung des Ablenkmusters zu verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. Zu Erläuterungszwecken wird bei diesen Fig. davon ausgegangen, daß der Strahlquerschnitt unendlich klein ist. In Fig. 3A sind zwei vollständige Paare oder Zyklen Vorlauf-/Rücklaufspuren gemeinsam mit einer dritten Rücklaufspur in x-Richtung durchgeführt worden. Gleichzeitig sind in y-Richtung 21 vollständige Vorlauf-/Rücklaufspurenpaare durchgeführt und eine zusätzliche Spur im wesentlichen beendet worden. In Fig. 3B sind fünf vollständige Zyklen Vorlauf-/Rücklaufspuren durchgeführt worden und in der y-Koordinate 43 Zyklen Vorlauf-/ "Rücklauf spur en annähernd beendet worden. Diese Figur sollte in Richtung der rechts am Rand eingezeichneten Pfeile mit streifendem Blick längs der x-Achse betrachtet werden.Es zeigt sich dan, daß eine Reihe von Streifen oder Schlieren gebildet sind, von denen die am deutlichsten sichtbaren 102 und 104 bezeichnet sind. In gleichmäßigen Abständen seitlich von diesen Streifen sind Nebenstreifen 102' und 104' zu sehen. An den weiteren Pfeilen ist eine weitere Streifenbildung bemerkbar. Diese Streifenbildungen sind stellvertretend für Orte maximaler

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Inhomogenität der Oberflächendichte bei der Dosisverteilung. Die Schnittpunkte der Ablenkliniensegraente zeigen eine Doppeldosierung am Schnittpunkt an, während die rautenförmigen Lücken zwischen den Schnittpunkten Bereiche sind, die eine geringere Dosis empfangen haben.

in Fig. 30 hat nach 63,999 ms die volle Entwicklung der Abtastung sieben Zyklen Vorlauf-/Rücklaufspuren und eine achte Spur in x-Richtung gemeinsam mit 65 Zyklen in y-Richtung erreicht. Die in Pig. 3B zu sehenden Streifen sind auch in pig. 3C zum Vergleich angegeben. Darüberhinaus sind in Fig. 30 zusätzliche Streifen im Bereich zwischen den schon vorher erkennbaren Streifen vorhanden. Diese kann man als Auffüllen der ursprünglich rautenförmigen Zellen reduzierter Dosierung betrachten oder als eine Verkleinerung der Größe der rautenförmigen Zellen mit fortschreitender Abtastung. In Fig. 3D ist die Abtastung mit 11 1/2 Zyklen in der x-Koordinate und 100 Zyklen in der y-Koordinate beendet. Es zeigt sich, daß die Streifen an "Intensität" -etwa gleichmäßig sind und daß der Abstand zwischen Streifen (in der y-Koordinate) verringert ist. Die rautenförmigen Zellen mit reduzierter oder Null-Dosierung sind noch kleiner geworden, wobei die durchschnittliche Dosiskonzentration progressiv gleichmäßiger über die Oberfläche verteilt ist.

Ein Abstand ^Λ χ kennzeichnet die Entfernung von Spitze zu Spitze zwischen den Konzentrationsmaxima. Eine Spannungsversetzung, die ein Treppengenerator 90 liefert, wird an die x-Ablenkeinrichtung angelegt, um den Ausgang (0, 0) geringfügig längs des Streifens zu einer Position ( x/n, 0) zu versetzen, und dann wird der ebene Abtastzyklus (11 1/2 Zyklen in der x-KoOrdinate) wiederholt. Bei η derartigen Wiederholungen wird die Größe der rautenförmigen Zellen wiederum drastisch reduziert. Es sei daran erinnert, daß beim Antrieb derl0i9 Hz-Frequenz für die x-Abtastung ein weiterer Teilerausgang von im wesentlichen 8 Hz synchron mit der grundlegenden x-Abtasträte abgeleitet wurde.

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Diese verhältnismäßig langsame impulsreihe wird an den Treppengenerator 90 angelegt, von dem ein Ausgang abgeleitet wird, der eine steigende Sequenz von 8 Spannungsniveaus aufweist. Der Spannungsuntersohied zwischen dem maximalen und minimalen Niveau ist so gewählt, daß er dem y-Ablenkschritt entspricht (der der Länge der rautenförmigen Zellen in y-Richtung gleicht). Folglich wird dieser Abstand wieder in acht Unterabstände unterteilt, und der sich dabei ergebende Ausgang wird mit der y-Ablenkwellenform summiert, um die y-Ablenkung bei Beendigung jedes Ablenkdurchgangs zu versetzen, wie in Pig» 3D gezeigt. Nach acht Wiederholungen des oben beschriebenen .Ablenkmusters ist der Abstand zwischen den Maxima nominaler Dosierung auf etwa 1$ der gesamten Ablenkamplitude verringert worden. Beim Ionenimplantationssystem gemäß der Erfindung beträgt der Radiusvektor vom Mittelpunkt der Ablenkung ca. 104,14 cm (41 zoll), um eine Gesamtablenkamplitude von ca. 17,78 cm (7 Zoll) aufrechtzuerhalten, was einem Winkelbereich von +/-" 2 1/2° bei einer 10,16 cm (4 Zoll) Scheibe entspricht. Der nominale lineare Abstand zwischen den Maxima beträgt also ca. 1,78 mm (0,07 Zoll). In Pig. 3D ist eine Scheibe gezeigt, die eine zur implantation unter einem Neigungswinkel von 0° angeordnete Scheibe darstellt. Im Betrieb wird die Ablenkamplitude so eingestellt, daß sioh ein Überlaufen von ca. 20$ sowohl in x- als auch in y-Richtung ergibt. 'Beim Überlauf werden Schwierigkeiten vermieden, die von Randeffekten, Umkehr des Strahls und dgl. herrühren. Ein Teil des Überlaufbereichs wird zu Überwachungszwecken mit einem System von Paradayschen Schalen benutzt. Bei jedem Bestrahlungssystem hat der abgelenkte Strahl eine endliche Ausdehnung oder einen begrenzten Querschnitt. Normalerweise hat die Strahldichte eine radiale Abhängigkeit, hinsichtlich der, für die vorliegenden Zwecke, davon ausgegangen werden kann, daß sie einen konstanten Bereich mit einem Gaußschen abnehmenden Bereich aufweist. Der Querschnitt des Strahls kann durch Begrenzungslöcher definiert v/erden, die an der ionenquelle und an verschiedenen Stellen im System vorgesehen sind. Beim erfindungsgemäßen System ist der Strahlquerschnitt

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am Target hauptsächlich ein Abbild des aus der Ionenquelle ausgezogenen Strahls. Hierbei handelt es sich um eine rechteckige Gestalt, die durch die öffnung der Ionenquelle bestimmt ist. Der dadurch erzielte bandförmige Strahl beim bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt mit seiner Hauptachse in y-Richtung, orthogonal zur Yersetzungsebene. Die Strahlgröße ist teilweise durch Löcher in der Targetkammer begrenzt, und der dadurch entstehende Strahlfleck hat typischerweise Abmessungen von 2 mm χ 10 mm bei einem Schwachstrom System oder 10 mm χ 20 mm bei einem Stark-Strom-System. Der Strahl ist mit diesen Dimensionen nicht scharf begrenzt sondern hat einen Schweif. Es zeigt sich, daß die Strahlhalbbreite in der Größenordnung des nominalen minimalen linearen Abstandes der Maxima gemäß Fig. 3D oder groß im Verhältnis dazu sein kann. Folglich erhält die ganze rautenförmige Zelle bzw. der Raum zwischen den Modelldosen-Maxima eine Dosierung, die eine Überlagerung der mindestens vier Spuren darstellt, welche die Grenzen der Zelle bestimmen.

Das hier beschriebene Ablenksystem liefert ein systematisches Muster mit einer durch die radiale Verteilung des Strahls geschaffenen Glättung auf mikroskopischem Niveau. Eine weitere Glättung wird dadurch erzielt, daß eine ausreichende Rauschkomponente an den Ablenkplatten hingenommen wird. Durch dieses Vorsehen eines Zittereinflusses wird im wesentlichen eine Musterungleichförmigkeit ausgeschaltet, die nach dem Verschmieren aufgrund überlappender Gaußscher Bereiche des Strahlquerschnitts auf mikroskopischem Hiveau verbleiben kann. Gemäß der Erfindung schwanken typische Ablenkpotentiale für ein elektrostatisches Ablenksystem mit einem Winkelbereich +/- 2 1/2° im Bereich von +/- 6000 "V bei einem 250 kev B⁺ Strahl und im Bereich von +/- 750 V bei einem 25 ^keV B Strahl. Das am Ablenkausgang vorhandene Rauschen wird nicht absichtlich unter den Bereich von 1 bis 3 V reduziert, normalerweise ist dieses Rauschen auf Oberwellen der Stromversorgung zurückzuführen. Die Rauschkompo-

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nente der Ablenkung, die der Strahl erfährt, kann direkt als Fluktuation der Strahlbahn ausgedrückt werden. J3ei der in Frage stehenden Geometrie erzeugt der oben genannte relative Effektivwert der Rauschamplitude eine annähernde räumliche Fluktuation im Größenordnungsbereich von 0,10 0,20 mm (4 - 8 Mil) in der Targetebene. Dies ist eine bedeutsame Versetzung im Verhältnis zur Größe der elementaren Modellzelle, die vom gesamten Abtastmuster definiert wird, insbesondere im Vergleich zur Versetzungslänge des Ursprungs des Musters zwischen den Wiederholungen. Natürlich kann die Rauschkomponente nach Wunsch eingestellt werden.

Es liegt auf der Hand, daß die Dichte der Ablenklinien, die radiale Strahlverteilung und das Rauschen zur Gleichmäßigkeit einer raschen, effektiven, zweidimensionalen Ablenkung beitragen. Sowohl die radiale Strahlverteilung als auch das Rauschen wird normalerweise als parasitäre Wirkung betrachtet, die ausgeschaltet oder verringert werden muß. Hier wird nun gezeigt, daß diese parameter zur Erzielung einer nützlichen Wirkung ausgenutzt werden können. Wenn die Strahlfleckgröße scharfer fokussiert und der Rauschpegel weiter reduziert würde, wäre es nötig, die 'Dichte der Ablenklinien zu erhöhen, um die Zelle aufzufüllen. Das wäre nur erreichbar auf Kosten beträchtlicher Verarbeitungszeit, und der Scheibendurchsatz würde darunter leiden.

Ähnlich liegt für den Fachmann auf der Hand, daß ein Ausgleich für die Ungleichmäßigkeit der Dosierung durch ein geeignetes Ablenkspurenmuster allein erreicht werden könnte. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel braucht dann die Inhomogenität nicht gesondert durch eine nichtlineare Wellenform kompensiert zu werden. Alle Quellen der Ungleichförmigkeit werden gemeinsam betrachtet, um eine zweidimendionale Funktion zu ergeben, die durch eine entsprechende zweidimensionale Dichte der Ablenklinienverteilung ausgeglichen wird. Ein Mustergenerator, der auf der Basis eines Mikroprozessors arbeitet, kann dies Ergebnis mit der Fähigkeit

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der Überlagerung mathematisch deutlich getrennter Huster hervorbringen, die zur Durchführung der gewünschten Kompen sation entsprechend gewählt sind.

Die Vorrichtung wurde hier zwar zum Ausgleich einer spezifischen geometrischen Quelle der Ungleichförmigkeit der Do sis beschrieben, aber es können auch andere Erscheinungen, die die gleichförmige Ionendosierung beeinflussen, zum Ausgleich mittels einer entsprechend gestalteten Y/ellenform in Betracht kommen. Eb können zusätzliche Quellen der Ungleichförmigkeit auftreten und ausgeglichen werden. Das Werkstück braucht keine ebene Oberfläche zu haben. Tatsächlich ergibt sich dieser Pail bei der Ionenimplantation von Scheiben, die an eine nichtebene, gekühlte Platte angepaßt sind, wie in der US-Patentanmeldung 21 362 beschrieben. Weitere ausgleichbare Quellen für Ungleichförmigkeit der Dosierung sind dem Fach»»nn geläufig.

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Claims

Ansprüche

1/ lonenimplantationssystem zum Bestrahlen eines Werkstücks mit einer Ionenquelleneinrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahls, einer kinematischen Analysiereinrichtung zum Auflösen der im Strahl vorhandenen Ionenart, einer Ionenoptikeinrichtung zur Schaffung und Fokussierung des Strahls und einer Ionenstrahlablenkeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung mindestens eine Ablenkeinrichtung zum Ausgleich der Ungleichmäßigkeit der lonendosierung längs der Bahn einer Spur, welche in Abhängigkeit von einer nichtlinearen Wellenform gesteuert ist, eine Einrichtung, die die Spur in einem zweidimensionalen Muster lenkt, und eine Einrichtung zum Wiederholen der Spur in einer im Voraus ausgewählten Anzahl aufweist, wobei jede Wiederholung gegenüber der restlichen Wiederholung versetzt ist.
2. lonenimplantationssystem nach Anspruch 1,

dadurch gekennze i ohne t, daß die Versetzung zwischen den Wiederholungen im Größenordnungsbereich der Erstreckung des Strahls in Richtung der Versetzung liegt.
3. lonenimplantationssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß die Ablenkeinrichtung eine zeitabhängige Ablenkkomponente aufweist, die ausreicht, um die Einfallsbahn des Strahls um ein im Vergleich zur Versetzung kleines Ausmaß zu stören.
4. lonenimplantationssystem nach Anspruch 3,

dadurch gekennz e i ohne t, daß die Ablenkkomponente Rauschen aufweist.
5. Ablenksystem zum Ablenken eines Strahls geladener Teilchen über ein Werkstück,

daduroh ge.könnzeichnet, daß eine lineare periodische Wellenformeinrichtung vorgesehen ist, die mit

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einer ersten Frequenz wiederholbar ist, daß eine Verstärkereinrichtung auf die lineare periodische Wellenform einwirkt und eine ausgewählte Verstärkung hat, daß eine zweite Frequenzeinrichtung vorgesehen ist, die größer ist als die erste Frequenzeinrichtung und mit der ersten Frequenz synchronisiert ist, daß eine Zählereinrichtung auf die zweite Frequenz anspricht und nacheinander jedes einer Vielzahl logischer Signale aktiviert, daß eine gleiche Vielzahl linearer Schaltereinrichtungen auf jedes der logischen Signale anspricht, und daß eine Einrichtung die Verstärkung des Verstärkers in Abhängigkeit von der linearen Sehaltereinrichtung auswählt.
6. Verfahren zum Erzeugen einer nichtlinearen Wellenform, dadurch gekennze i ohne t, daß eine lineare periodische Wellenform der Frequenz f.« erzeugt wird, daß die Wellenform linear mit ausgewählter Verstärkung verstärkt wird, wobei die Verstärkung des Verstärkers mit einer Geschwindigkeit von f₂ > f-j geändert wird, wodurch der Verstärker eine Wellenform aneinanderstoßender linearer Segmente erzeugt.
7. Verfahren zum Sicherstellen einer gleichmäßigen akkumulierten Bestrahlung einer ebenen Oberfläche mit einem Strahl geladener Teilchen,

dadurch gekennzeichnet, daß a) ein Ursprung für den Einfall des Strahls auf die Oberfläche festgelegt wird, b) der Strahl periodisch mit einer ersten Frequenz in einer Koordinate und gleichzeitig periodisch mit einer anderen Frequenz in einer anderen Koordinate abgelenkt wird, c) die periodischen Ablenkungen fortgesetzt werden, bis das aus den Ablenkschritten resultierende Muster zu dem Ursprung zurückkehrt, d) der Ursprung versetzt wird, und e) die Schritte b) bis einschließlich ä) eine ausgewählte Anzahl von Malen wiederholt werden.

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8. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennz ei ohne t, daß die Versetzung des Ursprungs zwischen einander benachbarten parallelen Spuren gerichtet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Anzahl von Wiederholungen multipliziert mit der Versetzungslänge dem Abstand zwischen in gleichmäßigen Abständen voneinander liegenden Spuren entspricht.

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