DE3782799T2 - Fluessigmetall-ionenquelle und -legierung. - Google Patents

Description

• Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika hat gemäß dem Vertrag Nr. 83 F842300 Rechte an dieser Erfindung.
• Die vorliegende Erfindung betrifft Flüssigmetall-Ionenquellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere Legierungen, welche in langlebigen Flüssigmetall-Ionenquellen verwendet werden.
• Die vorliegende Erfindung betrifft gleichermaßen ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigionenquelle.
• Flüssigmetall-Ionenquellen ermöglichen Strahlen aus metallischen Ionen einer hohen Stromdichte, und zwar aus einer Quelle, welche eine kleine virtuelle Quellengröße aufweist. Eine derartige große Helligkeit und kleine Quellengröße wird benötigt, wenn der Ionenstrahl mit einer hohen Auflösung fokussiert werden muß, beispielsweise auf eine Spotgröße von weniger als 1 um (1 Mikrometer), und sie werden in Anwendungen wie der Herstellung von Halbleitermikroschaltkreisen mittels Ionenimplantation verwendet. Gemäß einem Lösungsansatz wird die hohe Stromdichte und die kleine virtuelle Quellengröße durch die Emission von Ionen von einem Substrat erreicht, das eine dünne Spitze aufweist, so wie die Spitze einer Nadel. Gemäß dieser Technik ist die Nadel mit einer Schicht einer flüssigen Ionenquellenlegierung bedeckt, und eine Nase wird in der flüssigen Legierung an der Spitze der Nadel mittels der Anwendung eines elektrostatischen Extraktionsfeldes erzeugt. Diese dünne Nase wird dann zur emittierenden Quelle für die Ionen. Wenn die Ionen aus der Quelle emittiert werden, fließt aus einem Reservoir neue flüssige Legierung zu der Nadel und von dort zu der Nase, um das Emittierte wieder aufzufüllen.
• Bei diesem Typ einer Ionenquelle besteht eine zu implantierende Spezies typischerweise aus einer Legierung, die flüssig ist, während sie sich in dem Reservoir und auf der Nase befindet. Diese Legierung muß bis auf wenigstens ihren Schmelzpunkt erwärmt werden und in dem geschmolzenen Zustand für lange Zeitperioden verbleiben, nämlich während die Ionenimplantation läuft. Wenn eine Legierung für eine solch lange Zeitperiode in dem geschmolzenen Zustand gehalten wird, können Spezies, welche hohe Dampfdrücke aufweisen, aus der Legierung in signifikantem Umfang verlorengehen, so daß sich die Zusammensetzung der Legierung über die Zeit hinweg ändert. Diese Änderung in der Zusammensetzung der Ionenquellenlegierung über die Zeit hinweg kann sehr signifikant werden und sich schädlich bei der Herstellung von Halbleitermikroschaltkreisen auswirken, und zwar infolge der Änderung der Stromdichte der in dem Halbleiterchip zu implantierenden Ionenspezies. Zusätzlich kann die lange Periode des Kontaktes zwischen der geschmolzenen Legierung und den emittierenden Elementen der Ionenquelle, welche das Reservoir und das Nadelsubstrat einschließen, zu Korrosion und zum Ausfall dieser Elemente führen. Die Lebensdauer einer Flüssigmetall-Ionenquelle ist oft durch den Angriff auf und die Korrosion der emittierenden Elemente durch die geschmolzene Legierung begrenzt, und eine derartige Korrosion kann desweiteren in unerwünschter Art und Weise die Emissionscharakteristiken einer sich in Betrieb befindenden Ionenquelle über die Zeit hinweg ändern.
• Der direkteste Ansatz, um eine Verdampfungsquelle für eine Ionenspezies zur Verfügung zu stellen, liegt darin, die Spezies in ihrer elementaren, unlegierten Form bereitzustellen. Indessen weisen viele wichtige Dotiermetalle und Halbmetall- Ionen für die Implantation in aktive Bereiche von Mikroschaltkreisen, so wie beispielsweise Arsen, Antimon und Phosphor, hohe Dampfdrücke bei ihren Schmelzpunkten auf, was zu einer signifikanten Verdampfung und zum Verlust des Elementes führt. Die Schmelzpunkte sind desweiteren sehr hoch, so daß eine Korrosion der Verdampfungselemente auftritt, wenn das reine flüssige Metall und das Verdampfungselement über lange Zeitperioden hinweg miteinander in Kontakt sind.
• Ein alternativer Ansatz liegt darin, eine Legierung der gewünschten Ionenverdampfungsspezies mit anderen Metallen oder Halbmetall-Konstituenten zu bilden, die derartig ausgewählt sind, daß der Schmelzpunkt der Legierung unterhalb dem der Elemente der Komponenten liegt, sowie derartig, daß die Korrosion der Emissionselemente durch die flüssige Legierung vermindert wird, und zwar verglichen mit dem Fall der unlegierte Elemente. Konventionellerweise ist die Legierung derartig ausgewählt worden, daß sie von eutektischer oder nahezu eutektischer Zusammensetzung ist. Die Anwesenheit einer eutektischen Reaktion führt zu einer Erniedrigung der Liquidus-Temperaturen der Legierung. Die Verwendung einer flüssigen Legierung einer eutektischen oder nahezu eutektischen Zusammensetzung in einer Flüssigmetall-Ionenquelle erlaubt es der Quelle, mit der flüssigen Legierung bei einer minimalen Temperatur betrieben zu werden, wodurch die Korrosionsrate der Legierung auf die Verdampfungsquellenelemente vermindert wird. Ionen von sowohl der gewünschten Spezies als auch den Legierungselementen werden aus der Quelle emittiert, aber die gewünschte Spezies kann für die Implantation unter Verwendung eines Geschwindigkeitsfilters ausgesondert werden, der als ein Massentrenner fungiert, um so nur die gewünschte Spezies hindurchzulassen.
• Eine weitere wichtige Überlegung in dem Bereich der Flüssigmetall-Ionenquellenlegierungen betrifft die Befeuchtung der Quellenelemente durch die Legierung. Die Legierung muß die Verdampfungselemente in ausreichendem Umfang befeuchten, so daß sie eine flüssige Schicht auf den Verdampfungselementen bildet, und so daß zusätzliches Metall aus dem Resevoir zu der Nadelspitze fließen kann, während die kontinuierliche Emission läuft. Der Erhalt einer ausreichend guten Befeuchtungsfähigkeit und die Minimierung der Korrosion sind schwierig gleichzeitig zu erhalten, da von der Befeuchtungsfähigkeit im allgemeinen angenommen wird, daß sie ein hohes Maß an chemischer Reaktion zwischen der flüssigen Legierung und dem Verdampfungselement voraussetzt, wobei diese Reaktion andererseits dazu tendiert, die unerwünschte Korrosion zu erzeugen.
• Durch die Bereitstellung der zu verdampfenden Spezies in einer eutektischen oder nahezu eutektischen Legierung sind Flüssigmetall-Ionenquellen für andere Ionenspezies als Arsen entwickelt worden, welche akzeptable Lebensdauern aufwiesen. Beispielsweise sind Quellen für Gold und Silicium unmittelbar oberhalb der eutektischen Temperatur des Legierungssystemes betrieben worden und sie erzielten typischerweise Operationslebensdauern von mehr als 50 Stunden. Unglücklicherweise ist die Lebensdauer und die Stabilität der besten Ionenstromquellen für Arsen für die Anwendung in kommerziellen Bereichen unakzeptabel.
• Darüberhinaus berichtet die GB-A-2.087.139, daß Gold und Germanium in ungefähr dem stöchiometrischen Verhältnis einer eutektischen Zusammensetzung aus einer Legierung für Flüssigmetall-Ionenquellen emittiert worden sind und berichtet weiter von einer Legierung für eine Flüssigmetall-Ionenquelle, welche aus 57% Pd, 31,5% Ni, 1,5% B und 10% As besteht.
• Ferner berichtet das "Japanese Journal of Applied Physics", Band 19, Nr. 10, Oktober 1980, (Tokyo, JP), K. Gamo et al: "B, As und Si Feldionenquelle", Seiten L595-L598 von einer Legierung, die aus Sn-Pb-As besteht und für die Zwecke einer Feldionenquelle bereitgestellt ist, in der der Bruchteil der Ionenflußintensität sich in Übereinstimmung mit der Legierungszusammensetzung befindet und darüber, daß eine derartige Legierungszusammensetzung sich nicht während des Betriebes ändern wird.
• Daher besteht ein anhaltender Bedarf für bessere Quellenlegierungen mit Arsen zur Verwendung in Flüssigmetall-Ionenquellen.
• Derartige Arsenlegierungen würden wünschenswerterweise den Betrieb der Quellen unter stabilen Betriebsbedingungen erlauben, und zwar mit einheitlichen Strahlenergien- und - intensitäten, und zwar für lange Zeitperioden ohne schädliche Korrosionseffekte. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und sorgt für die damit verbundenen Vorteile.
• Darüberhinaus betrifft die PCT-US-8 700 454 des gleichen Anmelders, welche der europäischen Anmeldungsnummer 87 903 757.0 (EP-A-0.262.219) entspricht und welche das gleiche Prioritätsdatum wie die vorliegende Erfindung aufweist gleichermaßen eine Flüssigmetall-Ionenquelle, welche aufweist: Emissionsvorrichtungen zum Emittieren einer positiv geladenen Ionenspezies; und Quellenvorrichtungen, um die Emissionsvorrichtungen mit der zu emittierenden Ionenspezies zu versorgen, wobei die Spezies in einer im wesentlichen nickelfreien Legierung bereitgestellt wird, die im Prinzip aus Palladium, Arsen und wenigstens einem mitzuemittierenden Element besteht, wobei das Element aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Bor, Phosphor und Kombinationen aus ihnen besteht.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung stellt eine Flüssigmetall-Ionenquelle und eine Legierung bereit, welche einen neuen Ansatz in Bezug auf die Legierungsauswahl und das Design verwendet. Der Dampfdruck der zu emittierenden Spezies ist bei dem Legierungsschmelzpunkt niedrig, so daß die Quellenlegierung in der Verdampfungsquelle für lange Zeitperioden geschmolzen gehalten werden kann, und zwar ohne signifikante Änderungen in der Chemie. Die Quelle zeigt eine im wesentlichen stöchiometrische Ionenverdampfung über die Zeit hinweg und ist stabil, mit geringfügigen Variationen der emittierten Ionenintensität über der Zeit. Signifikanterweise korrodieren die Legierungen die Emissionselemente wie die Emissionsnadel oder das Heizelement nicht wesentlich, so daß die Quelle über lange Zeitperioden hinweg betrieben werden kann, ohne die Notwendigkeit des Austausches der Quellen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Flüssigmetall- Ionenquelle Emissionsvorrichtungen zum Emittieren von positiv geladenen Ionen einer elementaren chemischen Spezies auf, und zwar insbesondere Arsen; Quellenvorrichtungen zum Versorgen der Emissionsvorrichtung mit der zu emittierenden Spezies, wobei die Spezies in einer Legierung aus der elementaren chemischen Spezies und wenigstens einem anderen Element besteht, wobei die die Spezies enthaltende Legierung als eine Mixtur aus wenigstens zwei Feststoffen geliefert wird, wobei die Mixtur eine Zusammensetzung aufweist, die der einer kongruent verdampfenden Zusammensetzung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Spezies in einer Legierung aus Arsen und Palladium angelegt wird; und die Legierung ungefähr 24 bis 33 Atom-% Arsen enthält.
• Der unabhängige Anspruch 3 beschreibt ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Das obere Ende dieses Bereiches entspricht der Festkörperverbindung Pd&sub2;As. Bevorzugtesterweise weist die Legierung eine Zusammensetzung aus ungefähr 24 Atom-% Arsen und ungefähr 76 Atom-% Palladium auf, welches als die kongruent verdampfende Zusammensetzung bei einer Temperatur von 1200ºK erachtet wird, die einer ungefähren Betriebstemperatur der Ionenquelle entspricht.
• Gemäß eines Lösungsansatzes kann eine Flüssigmetall-Ionenquelle für Arsen und Palladium durch die Erzeugung einer Mischung hergestellt werden, die im wesentlichen aus Palladium und Arsen besteht, die eine Quellenlegierung bilden und Anordnen der Quellenlegierung in Ionenemissionsvorrichtungen, um positiv geladenen Ionen zu emittieren. Eine bevorzugte Palladium-Arsen-Quellenlegierung weist eine Zusammensetzung von ungefähr 24 bis 33 Atom-% Arsen auf. Vorzugsweise wird die Legierung aus der Mischung durch Verbrennungssynthese gewonnen, wobei eine exotherme Reaktion durch lokale schnelle Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb der gemeinsamen Zündtemperatur von Palladium und Arsen stattfindet. Die Reaktion setzt sich durch die verbleibende, noch nicht reagierende Mischung als eine Verbrennungswelle fort, so daß die Reaktion schnell vervollständigt wird, und zwar mit minimalen Verlusten an flüchtigem Arsen.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine signifikante Abweichung in der bisherigen Praxis der Auswahl der Emissionslegierungen für Flüssigmetall-Ionenquellen dar. Früher sind reine Elemente, Legierungen eutektischer Zusammensetzung und Legierungen nahezu eutektischer Zusammensetzung als Ionenquellen verwendet worden. Die eutektischen und nahezu eutektischen Zusammensetzungen sind ausgewählt worden, um niedrige Schmelzpunkte der Emissionslegierungen zu erhalten, aber es ist nun herausgefunden worden, daß andere Zusammensetzungen, selbst wenn sie höhere Schmelzpunkte aufweisen, zu nahezu stöchiometrischen Emissionen von Ionen, einer exzellenten Stabilität des Ionenstrahles und einer akzeptablen Befeuchtung des Substrates ohne signifikante Korrosion auf dem Substrat führen können. Flüssigmetall-Ionenquellen, welche erheblich verlängerte Lebensdauern aufweisen, werden daher möglich, und diese Quellen langer Lebensdauer sind außergewöhnlich stabil, so daß kommerzielle Ionenimplantationsverfahren möglich werden.
• Es wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung einen signifikanten Fortschritt in Bezug auf Flüssigmetall- Ionenquellen bereitstellt, insbesondere für Metalle und Halbmetalle, welche hohe Dampfdrücke aufweisen, so wie beispielsweise Arsen. Die Quellen, welche die ausgewählten Legierungen einsetzen, sind stabil und weisen verlängerte Betriebslebensdauern auf. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung deutlich, die im Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung zu verstehen ist, welche mittels eines Beispieles die Prinzipien der Erfindung erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Types einer Flüssigmetall-Ionenquellenstruktur;
• Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Details aus Fig. 1, die die Spitze der Emitternadel zeigt;
• Fig. 3 ist eine schematische Seitenschnittansicht einer abtastenden Ionensonde, welche eine Flüssigmetall-Ionenquelle verwendet;
• Fig. 4 ist ein Massenspektrum einer flüssigen Legierung, welche eine Zusammensetzung aufweist, die der von Pd&sub2;As entspricht, die von einer Wolframnadel ionenemittiert wurde;
• Fig. 5 ist ein Phasendiagramm des relevanten Teiles des Palladium-Arsen-Legierungssystems.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigmetall-Ionenquelle, von der ein Beispiel durch das Bezugszeichen 10 in Fig. 1 bezeichnet ist. Die Ionenquelle 10 enthält eine Ionenverdampfungssubstratnadel 12, deren Spitze typischerweise einen Radius von weniger als ungefähr 20 um und einen Öffnungshalbwinkel von weniger als ungefähr 49,5º aufweist, und die sich durch ein Loch (nicht sichtbar) in dem unteren Ende eines im wesentlichen U-förmigen Heizelementes 14 erstreckt. Das Heizelement 14 liegt in der Form eines U-förmigen Metallbandes vor, das eine reliefartige Falte 16 in jedem seiner Beine aufweist, um die Säulenstärke des Heizelementes 14 zu erhöhen. Wenn sie verwendet wird, dann nähert sich die Falte 16 einem Scheitelbogen 18 an dem unteren Ende des Heizelementes 14, aber sie selbst betritt den Bereich des Scheitelbogens 18 nicht. Eine Ionenquellenlegierung (entweder in puderförmiger, Chip- oder sonstiger geteilter Form vorliegend) wird in dem Scheitelbogen 18 des Heizelementes 14 angeordnet, und ein elektrischer Strom, der bei einer Spannung VH erzeugt wird, wird durch dieses Heizelement geführt, so daß die Legierung schmilzt und ein natürliches Reservoir 19 aus dem flüssigen Metall in dem Scheitelbogen 18 des Heizelementes 14 bildet. Das Reservoir 19 verbleibt unter dem Einfluß der Schwerkraft stationär in dem Scheitelbogen 18, da die Oberflächentension dazu tendiert, den Oberflächenbereich des Meniskuses 20 des flüssigen Metalles zu minimieren.
• Die Nadel 12 tritt durch ein nicht kreisförmiges Loch (nicht sichtbar) in dem Heizelement 14 hindurch, das so entworfen ist, daß es flüssigem Metall erlaubt, zu einer Nadelspitze 22 zu fließen, das aber die Nadel 12 selbst zurückhält. Im geeigneten Betrieb der Ionenquelle 10 führt die Erwärmung des Heizelementes 14 zum Schmelzen der Quellenlegierung in dem Reservoir 19, wodurch die innere Oberfläche des Scheitelbogens 18 des Heizelementes 14 befeuchtet wird. Die geschmolzene Quellenlegierung leitet Wärme zu der Nadel 12, so daß die geschmolzene Legierung die Nadel 12 benetzt. Schließlich fließt die geschmolzene Legierung entlang der Nadel 12 für die nachfolgende Ionenverdampfung zu der Nadelspitze 22.
• Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 fließt die flüssige Quellenlegierung aus dem Reservoir 19, das in dem Scheitelbogen 18 angeordnet ist, zu der Spitze 22 der Nadel 12 und bildet eine flüssige Schicht 24 entlang der Spitze 22 der Nadel 12. An der spitzesten Stelle der Nadel 12, wo sich die Flüssigkeitsschichten 24 von den Seiten der Nadel 12 kommend treffen, zieht der Einsatz eines angelegten externen elektrostatischen Feldes, das von einer Extraktionselektrode 18 erzeugt worden ist, die Flüssigkeitsschichten 24 nach unten, um eine Nase 26 zu bilden. Die von der Ionenquelle 10 emittierten Ionen werden vorzugsweise nur von der Nase 26 emittiert, die benachbart zu dem am weitesten entfernten Ende der Nadelspitze 22 angeordnet ist, so daß die Ionen scheinbar von einer Punktquelle mit extremen kleinen Dimensionen ausgehen. Positiv geladene Ionen werden von der Nase 26 mittels eines elektrostatischen Feldes angezogen, das zwischen der Ionenquelle 10 und der Extraktionselektrode 28 durch die Anwendung einer Spannung VE eingerichtet worden ist. Die Ionen verlassen die Nase 26 und treten durch eine Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 28 hindurch. Mit dieser Konfiguration wird die Helligkeit der emittierten Ionen bei der Nase 26 sehr hoch.
• Die Flüssigkeit in der Schicht 24 muß von dem Reservoir 19 kommend, das in dem Scheitelbogen 18 angeordnet ist, nach unten zu der Oberfläche der Nadel 12 und von dort zu der Nase 26 fließen, um die Emission zu initiieren und aufrechtzuerhalten. Indessen ist es oft schwierig, einen Fluß einer Legierung aus dem Reservoir 19 in die Schicht 24 entlang der Nadel 12 zu initiieren und aufrechtzuerhalten, und zwar aufgrund der Schwierigkeiten, die mit der Befeuchtung des Substrates mit der Legierung zusammenhängen. Demgegenüber kann, wenn die Befeuchtung zu intensiv ist, eine chemische Wechselwirkung zwischen der geschmolzenen Legierung und dem festen Substrat zu der Korrosion des Substrates führen, so daß Teile des Substrates aufgelöst werden. Als ein Ergebnis hiervon können Anfressungen, Risse oder Sprünge in der Nadelspitze 22 entstehen, die Nadel 12 kann völlig ausfallen oder eine Mehrzahl von Nasen kann infolge der Korrosionsgeometrie ausgebildet werden, so daß die Quelle 10 nicht mehr in geeigneter Art und Weise fokussiert werden kann.
• Fig. 3 zeigt eine wichtige Anwendung von Flüssigmetall- Ionenquellen des in den Fig. 1 und 2 illustrierten Typs. Die Ionenquelle 10 wird innerhalb einer abtastenden Ionensonde 30 befestigt. Die Extraktionselektrode 28, welche negativ bezüglich der Nadelspitze um eine Spannung VE vorgespannt ist, zieht positiv geladene Ionen aus der Nase 26, um einen Ionenstrahl 32 zu bilden. Einem kleinen Teil dieses Strahles 32, nämlich typischerweise ungefähr 1 Milliradianten, wird erlaubt, durch eine Apertur 34 in den optischen Bereich der abtastenden Ionensonde 30 einzutreten. Ein transmittierter Strahl 36, der von der Apertur 34 ausgeht, wird durch beschleunigende Elektroden 38 hindurchgeführt, die die Energie des Strahles 36 erhöhen, wobei die zweite beschleunigende Elektrode 38b bezüglich der ersten Elektrode 38a um eine Spannung VL negativ vorgespannt ist. Der transmittierte Strahl 36 tritt dann durch elektrostatische Ablenkungselektroden 40 hindurch, zwischen denen der Strahl von Seite-zu- Seite gelenkt wird, um in einer abtastenden Art und Weise über die Oberfläche eines Zieles 42 bewegt zu werden. Der transmittierte Strahl 36 kann dann verwendet werden, um verschiedene Muster auf die Oberfläche des Zieles 42 in der Form von ionenimplantierten Zonen von regelbarer Form und vom regelbaren Typ zu schreiben. Der Strahl kann auch verwendet werden, um enge Spalten oder kleine Löcher ionenzuverarbeiten. Durch den Einsatz eines zweiten Elektronendetektors (nicht dargestellt) kann der Strahl verwendet werden, das Ziel in einer Art und Weise zu beleuchten, die der eines abtastenden Elektronenmikroskopes ähnlich ist. Durch den Einsatz eines zweiten Ionenmassenspektrometers (nicht dargestellt) kann die Mikrozusammensetzung eines sehr kleinen Bereiches, der auf dem Ziel 42 angeordnet ist, in sowohl qualitativer als auch quantitativer Art und Weise analysiert werden.
• Vorzugsweise wird auch ein E x B Massenseparator 44 vorgesehen, um Ionen mit verschiedenen Massen um verschiedene Beträge abzulenken. Der Massenseparator 44 ist vorzugsweise ein Wien-Geschwindigkeitsfilter, der als ein Massenseparator fungiert, und zwar aufgrund der sehr geringen Energiestreuung des Strahles, der aus einer Flüssigmetall-Ionenquelle erhalten wird, sofern sie geeignet betrieben wird. Der Massenseparator 44 wird zwischen der Extraktionselektrode 28 und der Apertur 34 positioniert und enthält Vorrichtungen, um magnetische und elektrische Felder innerhalb des Massenseparators 44 zu erzeugen. Felder innerhalb des Massenseparators 44 lenken die sich bewegenden Ionen, die durch ihn hindurchtreten, um Beträge ab, die von der Masse, Geschwindigkeit und Ladung der Ionen in dem Strahl abhängen. Durch die Variation der Stärke der magnetischen und elektrischen Felder und der Position des Massenseparators 44 wird es möglich, es nur einer einzelnen erwünschten Spezies, die in dem Ziel 42 implantiert werden soll, zu erlauben, durch die Apertur 34 hindurchzutreten, während all die anderen Spezies auf die obere Seite der Apertur 34 aufgebracht werden. Fig. 4 illustriert das Massenspektrum eines Ionenstrahles aus einer der bevorzugten Quellen für Arsen, namlich einer Legierung, welche eine Zusammensetzung von 67 Atom-% Palladium und 33 Atom-% Arsen aufweist, wobei der relative Targetstrom als eine Funktion der relativen Plattenspannung des Massenseparators 44 dargestellt ist. Es wird deutlich, daß Ionen bestimmter Typen und Ladungszustände ausgewählt werden können, indem die Plattenspannung derartig gesetzt wird, daß sie dem Spitzenwert bei der ausgewählten Ionenspezies entspricht.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine von der Ionenquelle 10 zu emittierende Spezies eine Zusammensetzung auf, die derartig ausgewählt ist, daß die flüssige Quellenlegierung das Substrat benetzt, sie im wesentlichen mit dem Substrat nicht reagierend ist und die Legierungskomponenten bei ähnlichen Raten verdampfen. Der Ausdruck "kongruent verdampfende Zusammensetzung" wird hier derartig verwendet, als daß er sich auf die Zusammensetzung einer Legierung bezieht, in der die Komponenten mit einer Rate derartig verdampft werden, daß die Zusammensetzung der Flüssigkeit sich bei einer bestimmten Betriebstemperatur der Ionenquelle nicht ändert.
• Wenn die Bedingungen für eine kongruent verdampfende Zusammensetzung erfüllt sind, wird der Schmelzpunkt der Legierung, welcher zuvor bei der Legierungsauswahl als am wichtigsten empfunden worden ist, weniger kritisch, da eine kongruent verdampfende Legierung eine konstante Zusammensetzung aufrechterhält, solange geschmolzenes Material verbleibt. Darüberhinaus befeuchtet die Quellenlegierung zwar das Substrat, aber sie reagiert nicht, um es zu korrodieren. Die Zusammensetzung, bei der diese Bedingungen erfüllt sind, können zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht einfach vorhergesagt werden, und es ist daher nötig, kongruent verdampfende Zusammensetzungen mittels empirischer Studien zu bestimmen. Wenn ausreichende thermodynamische Informationen verfügbar sind, können kongruent verdampfende Zusammensetzungen errechnet werden. Eine solche Zusammensetzung steht wahrscheinlich eher mit einer chemischen Verbindung des Systemes in Beziehung, als mit der eutektischen Zusammensetzung mit dem geringsten Schmelzpunkt.
• Fig. 5 ist das Temperatur-Zusammensetzungs-Phasendiagramm eines Teiles des Palladium-Arsen-Systemes, wie es gegenwärtig verstanden wird. Arsen ist die bevorzugte Ionenverdampfungsspezies zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung. Es ist herausgefunden worden, daß Legierungen aus Arsen mit Palladium die oben aufgeführten Bedingungen zur Auswahl einer Ionenquellenlegierung erfüllen. Flüssige Schmelzen aus Palladium-Arsenlegierungen befeuchten Wolframsubstrate, aber sie korrodieren die Substrate nicht mit hohen Raten, und zwar selbst dann nicht, wenn die Quellenlegierungen auf Temperaturen erwärmt werden, die erheblich oberhalb ihrer Liquidus-Temperaturen liegen.
• Ein Bereich von besonders bevorzugten Palladium-Arsenlegierungen für die Verwendung als Ionenquelle für Arsen ist in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet. Diese Legierungen enthalten von ungefähr 24 bis ungefähr 33 Atom-% Arsen oder umgekehrt von ungefähr 76 bis ungefähr 67 Atom-% Palladium. Die Zusammensetzung 67 Atom-% Palladium-33 Atom-% Arsen ist in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 62 bezeichnet.
• Es wird deutlich, daß Legierungszusammensetzungen, welche weniger als 24 Atom-% Arsen und mehr als 33 Atom-% Arsen aufweisen, niedrigere Schmelzpunkte haben als die, die innerhalb des Bereiches 60 liegen, aber es ist herausgefunden worden, daß eine Legierung, die innerhalb des Bereiches 60 liegt im flüssigen Zustand kongruent verdampft. Wenn eine derartige Legierung in einer Ionenquelle 10 ionenverdampft wird, dann ist die Zusammensetzung des Ionenstrahles 32 ungefähr gleich der der flüssigen Quellenlegierung, die sich auf der Spitze der Nadel 22 befindet. Die Strahl- und Legierungszusammensetzungen verbleiben während ausgedehnten Perioden der Ionenverdampfung aus einer derartigen Quelle im wesentlichen konstant, und diese Bedingung wird ungefähr auch für andere Legierungen in dem Bereich von ungefähr 24 bis ungefähr 33 Atom-% Arsen aufrechterhalten. Dieses Ergebnis deutet an, daß die Palladium- und Arsenverdampfung aus der Oberfläche im wesentlichen in Form von Ionen stattfindet. Legierungen, die außerhalb dieses Bereiches liegen, sind gleichfalls verwendbar. Derartige Legierungen benetzen das Substrat und korrodieren es nicht, aber sie sind weniger bevorzugt, da die Ionenspezies mit verschiedenen Raten verdampfen. Die Ionenquelle 10 kann daher in einem stabilen Zustand für lange Zeitperioden betrieben werden, da die Zusammensetzung des flüssigen Metalls der Ionenquelle sich mit der Zeit nicht wesentlich ändert. Die in dem Kasten enthaltene Legende in Fig. 4 deutet an, daß die Ionenstrahlzusammensetzung einer ionenverdampften Legierung 67 Atom-% Palladium und 33 Atom-% Arsen enthält. Auch der Strahl enthält ungefähr 67 Atom-% Palladium und 33 Atom-% Arsen, wobei das Arsen in der Form von einzeln- und doppelionisierten Spezies vorliegt.
• Da die Legierungszusammensetzung während langer Verdampfungsläufe im wesentlichen konstant bleibt, kann das Reservoir 19 einfach aufgefüllt werden, indem einfach mehr Feststoff hinzugefügt wird, das eine gesamtstöchiometrische Zusammensetzung aufweist, die gleich der der kongruent verdampfenden Zusammensetzung ist. Es ist nicht nötig, übermäßige Beträge eines der konstituierenden Elemente hinzuzufügen, um die Gesamtzusammensetzung der Legierungsschmelze auf einen nominalen Wert zurückzubringen, nämlich infolge einer bevorzugten Verdampfung von einem der Elemente.
• Demgegenüber ist es bisher nötig gewesen, Flüssigmetall-Ionenquellenlegierungen aus eutektischen Zusammensetzungen mit geringem Schmelzpunkt herzustellen, so wie die in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 64 Bezeichneten. Im allgemeinen zeigt eine Legierung wie die mit der eutektischen Zusammensetzung 64 eine im wesentlichen ähnliche Verdampfungsrate für die Komponenten der Legierung, wodurch sich die Zusammensetzung der Legierung auf der Emitternadel kontinuierlich ändert. Konstante Justagen der Betriebsparameter für die Ionenquelle werden daher nötig, um einen stabilen Betrieb der Quelle 10 sicherzustellen, was die Steuerung der Ionenquelle schwieriger macht. Die eutektische Zusammensetzung 64 weist einen Schmelzpunkt von ungefähr 610ºC auf, während die Legierungen, die in dem Bereich 60 von ungefähr 24 bis ungefähr 33 Atom-% Arsen liegen, signifikant höhere Liquidus-Temperaturen von ungefähr 700 bis 830ºC aufweisen. Ein tieferer Schmelzpunkt ist zuvor als bevorzugt erachtet worden, und zwar während des ausgedehnten kontinuierlichen Kontakts mit der Flüssigmetallegierung, um so die nachteiligen Effekte aufgrund der Korrosion der Emissionselemente, so wie beispielsweise der Nadel 12 und dem Beizelement 14, zu verhindern. Überraschenderweise ist dies für den Fall der Legierungs zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht gefunden worden, und insbesondere die Legierungszusammensetzung entsprechend 67 Atom-% Palladium-33 Atom-% Arsen führte zu extrem langen Betriebslebensdauern, wenn sie in Verbindung mit Wolframemissionselementen verwendet worden ist. Diese verlängerte Lebensdauer ist beobachtet worden, obgleich die Ionenquelle 10, welche eine flüssige Legierung dieser Zusammensetzung verwendet, bei einer Temperatur betrieben werden muß, die höher ist als ungefähr 760ºC. Im Gegensatz dazu kann eine Quelle, welche die eutektische Zusammensetzung 64 verwendet, bei erheblich niedrigeren Temperaturen betrieben werden, nämlich unmittelbar oberhalb der eutektischen Temperatur von ungefähr 610ºC.
• Wie angedeutet, enthalten die bevorzugten Palladium-Arsenlegierungen von ungefähr 24 bis ungefähr 33 Atom-% Arsen. Es wird angenommen, daß eine Palladium-Arsenlegierung, die innerhalb dieses Zusammensetzungsbereiches liegt, eine kongruente Ionenverdampfung von Palladium und Arsen zeigen wird. Experimente haben gezeigt, daß die Zusammensetzung von 76 Atom-% Palladium-24 Atom-% Arsen die ideale Legierung ist, um eine kongruente Ionenverdampfung bei einer Temperatur von ungefähr 930ºC zu erreichen.
• Es wird darauf hingewiesen, daß für eine kongruent verdampfende Zusammensetzung der Gesamtdampfdruck des Systems nahe einem Minimum ist, so daß der Verlust der Elemente mittels Verdampfung minimiert wird.
• Obgleich Palladium-Arsenlegierungen von ungefähr 24 bis ungefähr 33 Atom-% Arsen die Wolframsubstrate nicht korrodieren, wird eine exzellente Befeuchtung des Substrates erhalten. Beispielsweise ist herausgefunden worden, daß eine Legierung von 33 Atom-% Arsen ein Wolframsubstrat derartig befeuchtet, daß die Verdampfung von der Nase 26 und der Legierungsfluß entlang der Nadel 12 erreicht wird.
• Da elementares Arsen einen hohen Dampfdruck bei Herstellungstemperaturen zeigt, kann es während konventionellen Quellenlegierungs-Herstellungsverfahren leicht verlorengehen. Es ist daher als besonders bevorzugt herausgefunden worden, die bevorzugten Palladium-Arsenlegierungen mittels einer Verbrennungssynthesetechnik herzustellen, welche auch als selbsttragende Hochtemperatursynthese (self-sustaining high-temperature synthesis) bezeichnet wird. Gemäß dieser Lösung werden fein zerteilte Palladium- und Arsenpuder miteinander vermischt und dann kaltgepreßt, um ein Pellet zu bilden. Die nachfolgende Verarbeitung ist mit gepreßten Pudern durchgeführt worden, und es wird angenommen, daß eine nicht gepreßte Mixtur gleichfalls mit verminderter Effizienz zu betreiben ist. Gemäß der bevorzugten Lösung werden Palladium- und Arsenpuder, welche Durchmesser von weniger als 74 um aufweisen, in den geeigneten stöchiometrischen Verhältnissen vermengt und gepreßt, und zwar bei einem Druck von 1723,7 Bar (25000 psi) und Umgebungstemperatur, nämlich in gerade Kreiszylinder, welche Durchmesser von ungefähr 1,27 cm (1/2 Inch) und Höhen von ungefähr 1,27 cm (1/2 Inch) aufweisen. Die Wiege-, Misch- und Preßschritte werden unter einer Schutzgasatmosphäre, so wie unter Argon oder Helium in einer Glove-Box durchgeführt, um die Oxidation des Arsenpuders zu minimieren. Der Sauerstoffpegel in der Glove-Box war typischerweise weniger als 1 Teil pro Million.
• Das zylindrische Pellet ist in einem Quarzschmelztiegel angeordnet worden, welcher seinerseits auf einem Graphitstreifen in einer Glove-Box angeordnet wurde, die eine Schutzgasatmosphäre aufwies. Das Pellet ist schnell auf die Zündtemperatur der exothermen Reaktion zwischen Palladium und Arsen erwärmt worden, indem ein Gleichstrom von einigen 100 Ampere durch den Graphitstreifen geführt wurde, der den Streifen, den Schmelztiegel und das Pellet erwärmte. Die schnelle Erwärmung von einer Seite des Pellets her erhöhte einen Teil des Volumens des Materiales auf eine Temperatur, die höher als die Zündtemperatur der Palladium-Arsenmischung ist. Bei einer derartigen Temperatur reagieren die Elemente und kombinieren in einer exothermen Reaktion. Die mit der Reaktion verbundene Wärme wärmt das unmittelbar benachbarte Volumen von noch nicht reagierendem Material, das seinerseits exotherm reagiert. Auf diese Art und Weise wird eine Reaktions- oder Verbrennungswelle durch die Mischung geführt, die eine Legierung zurückläßt, die im wesentlichen vollständig reagiert hat und die für die Verwendung in einer Flüssigmetall-Ionenquelle geeignet ist. Die Verbrennungswelle benötigt ungefähr 1-2 Sekunden, um die zylindrischen Pellets zu durchqueren, so daß sich die Mischung nur für eine sehr kurze Zeit bei einer erhöhten Temperatur befindet und nur eine sehr kleine Menge an Arsen verlorengeht.
• Die Verbrennungsynthesetechnik stellt eine angenehme Möglichkeit zur Herstellung der gewünschten Legierungen aus Palladium und Arsen bereit, obgleich auch andere Methoden akzeptabel sind.
• Eine Ionenquelle 10, welche eine Wolframnadel und Heizelemente aufweist, ist unter Verwendung einer Legierung aus 67 Atom-% Palladium-33 Atom-% Arsen als Quelle für Arsen betrieben worden. Fig. 4 zeigt das Massenspektrum des emittierten Ionenstrahls. Die Ionenemission ist im wesentlichen stöchiometrisch, wobei die Atomprozente der Konstituenten in dem Strahl im wesentlichen denen der Quellenlegierung entsprechen. Das Massenspektrum zeigt exzellente Definitionen der Spitzenwerte, so daß ionische Spezies für die Implantation ausgewählt werden können, indem die Plattenspannung des Massenseparators 44 geregelt wird. Insbesondere können entweder einzel- oder doppeltionisierte Arsenatome für die Implantation ausgewählt werden. Die Energiestreuung von doppeltionisierten Arsenatomen ist zu weniger als 15 Elektronen-Volt gefunden worden, bei einem extrahierten Strom von 20 uA (Mikroampere), und ein Target-Strom von mehr als 30 pA (Picoampere) von doppeltionisierten Arsenionen ist mit einem Strahlakzeptanzhalbwinkel von 1,5 Milliradianten erhalten worden.
• Ein 200 x 200 um (Mikrometer) Bereich eines Siliciumwafers ist mittels dieser Technik implantiert worden und mit einem Bereich auf dem gleichen Wafer verglichen worden, welcher mittels einer Maske durch Standardionenimplantationstechniken mit Arsen implantiert worden ist. Die implantierten Profile sind analysiert worden, und es ist gefolgert worden, daß die implantierten Profile der fokussierten und bekannten Arsenionen im wesentlichen die gleichen waren.
• Die Betriebscharakteristiken der Wolframquelle, welche die 33 Atom-% Arsenzusammensetzung als Quellenlegierung verwendet, sind als exzellent zu betrachten. Beim Erwärmen schmilzt die Legierung bei ungefähr 773 ± 3ºC. Eine exzellente Befeuchtung des Wolframs ist beobachtet worden. Keine Verluste von Arsen mittels thermischer Verdampfung sind bei Betriebstemperaturen von bis zu ungefähr 1100ºC beobachtet worden, was darauf hindeutet, daß das Arsen auf effektive Art und Weise innerhalb der Flüssigkeitslegierung zurückgehalten wird. Zehn verschiedene Quellen sind hergestellt und betrieben worden, in jedem Fall für Zeiten zwischen 50 und 120 Stunden. In keinem Fall ist die Benutzung einer bestimmten Quelle aufgrund eines Ausfalles oder der Korrosion der Emissionselemente beendet worden. Die Quellen sind nach dem Betrieb untersucht worden und im wesentlichen keine Korrosion der Elemente ist beobachtet worden. Andere Korrosionstests sind durchgeführt worden, in denen die flüssige Legierung mit einem Stück aus Wolfram in einem Feuerraum (nicht in einer Ionenquelle) für eine Periode von über 150 Stunden bei einer Temperatur von ungefähr 800ºC in Kontakt gebracht worden ist. Im wesentlichen ist keine Korrosion oder eine andere chemische Reaktion zwischen der flüssigen Legierung und dem Substrat bei dem Herunterkühlen und der Zerteilung des Materiales beobachtet worden. Es wird daher angenommen, daß die Ionenquellen, die Palladium-Arsenlegierungen verwenden, in einer stabilen Art und Weise für Perioden von Hunderten von Stunden betrieben werden können.
• Der Betrieb von Ionenquellen, welche Palladium- Arsenlegierungen als eine Quelle für Arsen verwenden, ist extrem stabil. Die Betriebstemperatur kann sehr nahe der Legierungs-Liquidus-Temperatur gehalten werden, und es treten keine insignifikanten Variationen im Quellenstrom oder der Spannung auf. Erfahrungen haben gezeigt, daß die stabilen Ionenquellen ohne die konventionellen Ionenquellen-Rückkopplungssteuerungen betrieben werden können, welche für die Verdampfung von anderen Legierungen, wie den eutektischen Zusammensetzungen, benötigt werden.
• Es wird daher zur Kenntnis genommen, daß Ionenquellen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Betriebsleistungsfähigkeit erreichen, die sonst für Arsen nicht verfügbar war. Die Quellen sorgen für effektive Ströme der gewünschten Ionenspezies, sie sind stabil, und sie sind über verlängerte Lebensdauern ohne Ausfälle der Verdampfungselemente zu betreiben. Obgleich eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung aus Gründen der Illustration im Detail beschrieben worden ist, sind verschiedene Modifikationen möglich, ohne den Bereich der Ansprüche zu verlassen.

Claims (8)

1. Eine Flüssigmetall-Ionenquelle mit:

Emissionsvorrichtungen, zum Emittieren positiv geladener Ionen einer elementaren chemischen Spezies, insbesondere Arsen;

Quellenvorrichtungen, um die Emissionsvorrichtungen mit der zu emittierenden Spezies zu versorgen, wobei die Versorgung mit der Spezies in der Form einer Legierung aus der elementaren chemischen Spezies und wenigstens einem anderen Element geschieht, wobei die Legierung, die die Spezies enthält, in einer Mischung aus wenigstens zwei Feststoffen geliefert wird, wobei die Mischung eine Zusammensetzung aufweist, die der einer kongruent verdampfenden Zusammensetzung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß

die Versorgung mit der Spezies in der Form einer Legierung aus Arsen und Palladium geschieht; und

die Legierung ungefähr 24 bis ungefähr 33 Atom-% Arsen umfaßt.

2. Die Ionenquelle nach Anspruch 1, worin die Versorgung mit Spezies in der Form einer Legierung geschieht, welche im wesentlichen aus 76 Atom-% Palladium und 24 Atom-% Arsen besteht.

3. Ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigionenquelle, welches die Schritte aufweist:

Erstellung einer Mischung, bestehend aus im wesentlichen Palladium und Arsen;

Erhöhen der Temperatur der Mischung bis zu der Zündtemperatur der Palladium-Arsenmischung mittels schneller Erwärmung, wobei eine exotherme Reaktionswelle erzeugt wird und die Mischung durchquert, und wobei eine Quellenlegierung aus Palladium und Arsen, welche einen Arsengehalt von ungefähr 24 bis ungefähr 33 Atom-% enthält,erzeugt wird;

Anordnen der Quellenlegierung in Ionenemissionsvorrichtungen, um positiv geladene Ionen zu emittieren.

4. Das Verfahren nach Anspruch 3, das nach dem Schritt des Erstellens und vor dem Schritt des Erhöhens als zusätzlichen Schritt enthält: Pressen der Mischung, um ein Pellet zu bilden.

5. Das Verfahren nach den Ansprüchen 3 oder 4, worin die Mischung sich während des Schrittes der Erhöhung in einem Quarzschmelztiegel befindet.

6. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, worin die Mischung mittels eines Widerstandheizers erwärmt wird.

7. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, worin der Schritt des Erhöhens in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.

8. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, worin das Arsen und das Palladium als Puder geliefert wird.