DE3021221A1 - Mikrowellenplasma-ionenquelle - Google Patents
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Description
TAN-'.ALTE
SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜ BEL-HOPF EBBINGHAUS FlNCK
MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 90 POSTADRESSEcPOSTFACH 95 O1 6O, D-8O0O MÖNCHEN 95
HITACHI, LTD. 4. Juni 19 80
DEA-25 192
Mikrowellenplasma-Ionenquelle
Patentansprüche
Λ I Mikrowellenplasma-Ionenquelie, mit einer Entladungskammer,
mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Mikrowellen-Entladungsplasmas
innerhalb der Entladungskammer und mit einem Ionenabzugs-Elektrodensystem zum Abziehen von Ionen
aus. dem Mikrowellen-Entladungsplasma, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenabzugs-Elektrodensystem (10)
eine Elektrode (19) aufweist, die mit der Entladungskammer (6) in Kontakt steht, daß die Elektrode (19) in ein Teil (19A),
das im wesentlichen gegenüber dem Plasma freiliegt,und ein anderes Teil (19B) unterteilt ist, das im wesentlichen nicht
gegenüber dem Plasma freiliegt, und daß beide Teile (19A, 19B) in elektrischem Kontakt miteinander stehen.
2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden die Elektrode (19) bildenden
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ORIGINAL INSPECTED
ORIGINAL INSPECTED
ladung durch Thermionen aus einem Heizfaden parallel zu einem Ionenabsaugschlitz erzeugt wird, und die Ionen werden
in Form eines schlitzförmigen Strahles aus dem durch die Entladung erzeugten Plasma abgezogen. Im anderen Falle handelt
es sich um ein Gerät bei dem eine Mikrowellenplasma-Ionenquelle verwendet wird, die nachstehend im einzelnen
erläutert ist. Das erste Gerät ist beispielsweise im "The PR-3O Ion and Implantation System" auf dem 14. Symposium
on Electron - Ion and Photo Beam Technology im Mai 1977 vorgestellt
worden, während das zweite Gerät in der US-PS 4 048 748 beschrieben ist. Die Ionenquellen dieser beiden
Bauformen sollen nachstehend miteinander verglichen werden.
Die Lebensdauer des ersten Gerätes ist durch die Lebensdauer des verwendeten Heizfadens bestimmt und beträgt
üblicherweise einige Stunden bis zu 10 oder 15 Stunden. Im Gegensatz dazu hat das zweite Gerät eine sehr lange Lebensdauer,
da es keine sich verbrauchenden Teile aufweist, wie z.B. die Kathode beim ersten Gerät. Wenn jedoch PH3-GaS
für P -Ionen, AsH^-Gas für As -Ionen oder dergleichen als
zu ionisierendes Gas verwendet wird, lagert sich das dissociierte P oder As allmählich auf den Oberflächenteilen der
Elektroden ab, da die Elektroden mit der Entladungskammer in Kontakt stehen. Die Ablagerungen verschließen den Ausgang
für den Ionenstrahl, was die Ursache für eine anormale Entladung innerhalb der Entladungskammer ist. Infolgedessen
wird der Ionenstrahl nach etwa 10 bis 20 Betriebsstunden in nachteiliger Weise unstabil.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine für Implantationsgeräte geeignete Mikrowellenplasma-Ionenquelle anzugeben,
mit der es möglich ist, einen stabilen Ionenstrom großer Stromstärke für eine lange Zeit zu erhalten.
Zur Erreichung dieses Zieles wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung folgende Konstruktion verwendet: Die mit
der Entladungskammer in Kontakt stehende Elektrode ist in zwei Teile geteilt, nämlich ein Oberflächenteil, das für
das Plasma im wesentlichen frei liegt, und ein übriges Teil,
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das im wesentlichen nicht für das Plasma frei liegt, wobei die beiden Teile in elektrischem Kontakt miteinander gehalten
sind. Mit einer derartigen Konstruktion kann die Temperatur des Oberflächenteiles, das gegenüber der Entladungskammer
frei liegt, auf einem so hohen Wert gehalten werden, daß sich das Dissoziationsprodukt des Entladungsgases nicht
darauf ablagert.
Die Erfindung basiert auf folgendem Prinzip. Man betrachtet ein Objekt, das in die beiden Teile A und B unterteilt
ist, die in ihren ursprünglichen relativen Positionen miteinander in Kontakt stehen. Makroskopisch gesehen machen
die beiden Teile A und B den Eindruck, als ob sie das ursprüngliche einzige Objekt bilden. Mikroskopisch gesehen
jedoch stehen die beiden Teile A und B nur bei einer großen Anzahl von Punkten miteinander in Kontakt. Wenn daher beispielsweise
nur der Teil A beheizt wird, ist die Menge an Wärme, die vom Teil A durch Wärmeleitung auf den Teil B übertragen
wird, sehr klein. Dies ist deswegen so, weil die Teile A und B nur an einer großen Anzahl von Punkten miteinander
in Kontakt stehen, so daß der Wärmewiderstand zwischen ihnen viel höher ist als bei dem ursprünglichen einzigen Objekt.
Infolgedessen ist die Wärmeübertragung vom Teil A auf das Teil B sehr begrenzt, und die Temperatur des Teiles A kann
sehr hoch gehalten werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Oberflächenteil der mit der Entladungskammer in Kontakt stehenden Elektrode
vom anderen Teil durch Teilung der Elektrode thermisch isoliert, wobei dieser Teil seine Funktion als Elektrode aufgrund
seines elektrischen Kontaktes mit dem anderen Teil aufrechterhält. Bei dieser speziellen erfindungsgemäßen Konstruktion
kann der Oberflächenteil der Elektrode in Kontakt mit der Entladungskammer im Betrieb auf ausreichend hoher Temperatur
gehalten werden, so daß auch dann, wenn PH-^-Gas oder
AsHn-Gas als zu ionisierendes Gas verwendet wird, nur vernachlässigbare
Mengen an P oder As sich auf dem Oberflächenteil
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der Elektrode niederschlagen. Infolgedessen ist es möglich, einen stabilen Ionenstrom mit hoher Stromstärke über eine
lange Zeitdauer zu erhalten. Ein Implantationsgerät, das eine derartige Mikrowellenplasma-Ionenquelle verwendet,
liefert ständig einen stabilen Ionenstrom hoher Stromstärke auch nach mehr als 200 Betriebsstunden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und im Vergleich zu herkömmlichen
Anordnungen sowie unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Figur 1 eine schematische .Darstellung zur Erläuterung eines
Implantationsgerätes unter Verwendung einer Mikrowellenplasma-Ionenquelle;
Figur 2 einen Schnitt durch die Ionenquelle nach Figur 1 längs der Linie X-JX1 in Figur 1; Figur 3 einen Schnitt durch die wesentlichen Teile einer herkömmlichen Ionenquelle;
Figur 2 einen Schnitt durch die Ionenquelle nach Figur 1 längs der Linie X-JX1 in Figur 1; Figur 3 einen Schnitt durch die wesentlichen Teile einer herkömmlichen Ionenquelle;
Figur 4 einen Schnitt durch die wesentlichen Teile einer erfindungsgemäßen Ionenquelle; und in
Figur 5 eine Draufsicht auf das Teil 19B in Figur 4.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Implantationsgerätes
hoher Stromstärke^ bei dem als Ionenquelle eine Mikrowellenplasma-Ionenquelle verwendet wird. Die
von einem Mikrowellengenerator 1, einem Magnetron mit einer Frequenz von 2745 GHz und einer Leistung von 600 W, erzeugten
Mikrowellen breiten sich zum Steghohlleiter 4 über einen rechteckigen Wellenleiter 2 aus und breiten sich von dort
zur Entladungskammer 6 über ein vakuumdichtes Dielektrikum 5 aus aluminiumhaltigem Porzellan aus. Ein elektrisches
Mikrowellenfeld wird zwischen die Entladungskammer bildenden Stegelektroden 7 ausgebildet. Diejenigen Oberflächen der
Stegelektroden 7, die der Entladungskammer 6 gegenüberliegen, sind im wesentlichen parallel angeordnet. Wie sich aus
der vergrößerten Schnittdarstellung in Figur 2 längs der Linie X-X1 in Figur 1 entnehmen läßt, sind die anderen Teile
als der von den gegenüberliegenden Stegelektroden 7 gebildete
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-ι
Raum mit Dielektrika 8 aus Bornitrid gefüllt, um einen Bereich zur Erzeugung eines Plasmas zu begrenzen. Das bedeutet,
unter den zwei Paaren von Wänden der Entladungskammer 6 parallel zur Richtung des Ionenabzuges wird ein Paar von
Wänden von den Stegelektroden 7 und das andere Paar von Wänden von den Dielektrika 8 gebildet. Außerdem ist die Entladungskammer
6 von einem dielektrischen Gehäuse 9 aus Bornitrid umgeben, um zu verhindern, daß das die Stegelektroden
7 bildenden Metallelement sich in die Kammer hineinmischt, und um die Kammer thermisch gegenüber ihrer Umgebung
zu isolieren. Wie sich aus Figur 2 entnehmen läßt, ist die Entladungskammer so ausgebildet, daß der Umfang des Schnittes
senkrecht zur Richtung des Ionenstrahlabzuges als längliches Viereck ausgebildet ist, wobei die Abmessungen mit 5 mm χ 44 mm
des Rechtecks etwas größer sind als die Abmessungen von 2 mm χ 40 mm des Ionenabzugs-Elektrodensystems 10.
PHn-Gas wird durch eine nicht dargestellte Gaseinführungsöffnung
in die Entladungskammer 6 eingelassen, wobei der Druck in der Entladungskammer 6 nach der Einleitung ungefähr 8 χ
Torr beträgt, und ein Magnetfeld von ungefähr 1000 Gauss, das auf das elektrische Feld der Mikrowellen einwirkt, wird von
einer Magnetfelderregerspule 11 erzeugt. Dann wird innerhalb der Entladungskammer 6 das Plama erzeugt. Die Ionen werden
vom Ionenabzugs-Elektrodensystem 10 aus dem in der Entladungskammer
6 erzeugten Plasma abgezogen. Die Entladungskammer 6 wird mit einem Vakuumsystem 12 auf einem vorgegebenen Druck
von etwa 1 χ 10 Torr gehalten. Darüber hinaus wird ein Sperrflansch 3 verwendet, um für eine Gleichstromisolierung
zwischen dem Mikrowellengenerator 1 und der Ionenquelle zu sorgen.
Der Ionenstrahl, der P , P , P ,PH usw. enthält, wird bei seinem Abzug durch das Ionenabzugs-Elektrodensystem
10 einer Massentrennung durch den Massenseparator 13 unterworfen,
der einen Ablenkungswinkel von 60 , einen Radius von 40 cm und ein Magnetfeld von 9500 Gauss aufweist, und
nur die P -Ionen werden in die Ionen-Targetkammer 14 einge-
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leitet. Der in die Targetkammer 14 eingeleitete P -Ionenstrahl
mit einem Implantationsstrom von 3 mA bestrahlt Halbleiterplättchen 16, die jeweils einen Durchmesser von
7,5 cm (3 inch) aufweisen, durch ein Schlitzsystem 15. Es sind vierundzwanzig Plättchen 16 auf der Außenoberfläche
einer Trommel 17 mit einem Radius von 40 cm angeordnet. Die Trommel 17 dreht sich mit einer festen Geschwindigkeit von
15 Umdrehungen pro Minute in einer Richtung senkrecht zur Bestrahlungsrichtung des Ionenstrahles und bewegt sich außerdem
in Richtung der Achse der Trommel 17 vorwärt und rückwärts. Dies dient dazu, eine Überhitzung der Plättchen 16
durch den Ionenstrahl hoher Stromstärke zu vermeiden.
Figur 4 zeigt einen auseinandergezogenen Schnitt eines Teiles der Entladungskammer 6 und des Ionenabzugs-Elektrodensystems
10 aus Figur 1 bei einer erfindungsgemäßen Anordnung. Wie bereits im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert, ist die
Entladungskammer 6 von den Stegelektroden 7 und anderen Teilen der Umgebung durch das dielektrische Gehäuse 9 aus
Bornitrid isoliert. Das Ionenabzugs-Elektrodensystem 10 in
Figur 1 weist eine positive Elektrode 19 mit einem Potential von + 50 kV, eine negative Elektrode 20 mit einem Potential
von - 2 kV sowie eine geerdete Elektrode 21 mit einem Potential von 0 V auf. Die Stegelektroden 7 und die positive Elektrode
19 sind durch das Dielektrikum 18 aus Bornitrid isoliert. Bei dem Ionenabzugs-Elektrodensystem 10 besteht die
mit der Entladungskammer 6 in Kontakt stehende positive Elektrode 19 aus den beiden Teilen 19A und 19B, wobei eine
Draufsicht vom Teil 19B in Figur 5 gezeigt ist. Der Grund hierfür ist folgender. Es gibt einen Ionenschlauch oder eine
Ionenschicht, die sich zwischen dem Plasma, das in der Entladungskammer
6 und der Innenwandoberfläche des die Entladungskammer 6 bildenden Gehäuses 9 erzeugt wird, und zwischen
dem Plasma und der Innenwandoberfläche des Teiles 19B der
Elektrode 19 erstreckt, welche auf der Seite der Entladungskammer 6 liegt, so daß das Plasma ein Floatingpotential von
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üblicherweise einigen Volt bis zu einigen 10 Volt gegenüber diesen Flächen besitzt.
Dementsprechend prallen Ionen mit einer Energie gleich dem Floatingpotential stets gegen diese Oberflächen und
heizen sie mit der thermischen Energie der Ionen auf. Da jedoch die positive Elektrode 19 in die beiden Teile 19A und
19B unterteilt ist, steigt nur die Temperatur des Teils 19B
an, und der Temperaturanstieg des Teiles 19A ist, wie bereits
erwähnt, sehr gering. Das gleiche gilt zwischen dem dielektrischen
Gehäuse 9 und den Stegelektroden 7 und den anderen umgebenden Teilen. Das bedeutet, sämtliche Wandoberflächen,
welche das Plasma umgeben, sind gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Infolgedessen bleiben die Wandoberflächen um
das Plasma sehr heiß, so daß auch dann, wenn PH3-GaS oder
AsEU-Gas als zu ionisierendes Gas verwendet wird, sich P oder
As nicht auf der Wandoberfläche des Teils 19B ablagern können.
Es wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem rostfreier Stahl als Elektrodenmaterial für die beiden Teile 19A und 19B verwendet
wurde. Es gab eine sehr geringfügige Ablagerung, aber eine gewisse Deformation,' die als thermische Deformation anzusehen
ist.
Anschließend wurde Kohle als Material für das Teil 19B
verwendet. Dies führte zu nahezu keiner Verformung, und es wurden gute Ergebnisse erhalten.
Das Teil 19B bei dieser Ausführungsform besaß eine
Flächenabmessung von 50 mm χ 10 mm und eine Dicke von 2 mm. Andererseits hatte die herkömmliche Anordnung gemäß Figur 3
eine aus rostfreiem Stahl bestehende Elektrode 19' in einstückiger
Ausbildung. Wie bereits erwähnt, hat die Verwendung eines einstückigen Gebildes eine sehr hohe Wärmeleitung zur
Folge. Dementsprechend stieg die Temperatur der dem Plasma gegenüberliegenden Wandflächen nicht an, was zu einer Ablagerung
von P oder As führte. Infolgedessen wurde die Lebensdauer der Ionenquelle wesentlich verkürzt.
Bei der Anordnung gemäß Figur 4 stehen die beiden Teile 19A und 19B, welche die positive Elektrode 19 bilden, mit-
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einander in Kontakt, so daß eine elektrische Verbindung vorliegt. Demen-tsprechend ist der beste Aufbau der Anordnung
einer, bei dem das Teil 19B zwischen dem Dielektrikum 18 sowie dem dielektrischen Gehäuse 9 und dem Teil 19A gehalten
ist.
Bei der oben beschriebenen Ausfuhrungsform wird die
elektrische Verbindung zwischen den Teilen 19A und 19B durch
gegenseitigen Kontakt hergestellt. Es können jedoch auch andere elektrische Verbindungsmittel verwendet werden. Somit
läßt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine thermische Isolierung durch Unterteilung der Elektrode erreichen, wobei
die beiden Teile miteinander in Kontakt gebracht werden.
Dabei ist die Unterteilung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, vielmehr können auch andere
Arten der Teilung gewählt werden. Die Erfindung ist auch nicht auf Mikrowellenplasma-Ionenquellen beschränkt, sondern läßt
sich auch für sämtliche anderen lonenquellen verwendet, bei denen eine Elektrode vorgesehen ist, um Ionen von den Plasmaflächen
des Plasmas abzuziehen. Des weiteren können mit lonenquellen der oben beschriebenen Art stabile Ionenstrahlen
hoher Stromstärke über eine lange Zeitspanne erreicht werden, so daß der industrielle Wert der erfindungsgemäßen Anordnung
sehr hoch ist.
Zusammenfassend wird somit eine Ionenquelle angegeben, die sich durch eine spezielle Konstruktion der Abzugselektrode
in Kontakt mit der Entladungskammer auszeichnet. Die Elektrode ist unterteilt in ein Teil, das im wesentlichen gegenüber
dem Plasma freiliegt und ein anderes Teil, das nicht gegenüber dem Plasma freiliegt. Außerdem sind diese beiden Teile
in einem Zustand gehalten, in dem sie elektrisch miteinander verbunden sind. Infolgedessen schlägt sich sehr wenig P oder
As auf der Oberfläche der Elektrode nieder, und es kann ein stabiler Ionenstrahl hoher Stromstärke über eine lange Zeitspanne
geliefert werden.
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Claims (1)
- BeschreibungDie Erfindung betrifft eine Ionenquellen, genauer gesagt eine Mikrowellenplasma-Ionenquelle, die als Implantationsgerät für hohe Ströme geeignet ist.Implantationsgeräte lassen sich ganz allgemein in solehe mit niedrigem Strom mit Werten von 10 μΑ bis unterhalb von 1 mA und solche mit hohem Strom mit Werten von 1 mA oder darüber einteilen. Dies ist der Fall, weil die erforderlichen Verunreinigungsdosen sich in Abhängigkeit von den herzustellenden Halbleitereinrichtungen ändern, wobei derΛ 0 1 fi *)Bereich zwischen 10 und 10 Ionen/cm liegt. Da Implantationsgeräte mit niedrigem Strom leichter herzustellen sind, sind die meisten derzeit in Betrieb befindlichen Implantationsgeräte von einem derartigen Typ mit niedrigem Strom. Dementsprechend waren die Anwendungsgebiete der Implantationsgeräte auf die Fälle begrenzt, wo die Dosen verhältnismäßig klein sind, beispielsweise für die Kanäle von MOS-Transistoren und die Basen von bipolaren Transistoren. In jüngster Zeit ist jedoch das Bedürfnis entstanden, Emitter von biplaren Transistoren und Source- und Drain-Elektroden von MOS-Transistoren herzustellen, wo die Dosen groß sind, und zwar auch durch Ionenimplantation. Daher sind Implantationsgeräte mit hohem Strom erforderlich, um diesem Bedürfnis nachzukommen. Im allgemeinen weist ein Implantationsgerät eine Ionenquelle, einen Massenseparator und eine Targetkammer auf. Ob das Implantationsgerät mit hohem oder niedrigem Strom arbeitet, hängt von der Ausführungsform der verwendeten Ionenquelle ab. Derzeit gibt es zwei Arten von Geräten, die. in der Lage sind, eine Implantation in der Größenordnung von 1 mA durchzuführen. In einem Falle handelt es sich um ein Gerät, bei dem eine Ionenquelle mit einem thermionischen Heizfaden verwendet wird, wobei eine Niedervolt-Bogenent-30 0 50/0933g) Int. Cl. 3:19) BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHESPATENTAMT H OU 37/08Offenlegungsschrift 30 21 221
Aktenzeichen: P 30 21 221.6-33 Anmeldetag: 4. 6.80 Offenlegungstag: 11.12.80 Unionspriorität: @) ®) ÖD4. 6.79 Japan P 68952-79Bezeichnung: Mikrowellenplasma-lonenquelleAnmelder:Hitachi, Ltd., TokioVertreter:Erfinder: Füner, A.v., Dr.; Strehl, P., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing.;
Schübel-Hopf, U., Dr.; Ebbinghaus, D., Dipl.-Ing.; Finck, D., Dr.-Ing.;
Pat.-Anwälte, 8000 MünchenSakudo, Noriyuki; Tokiguchi, Katsumi; Tokio;Koike, Hidemi, Tokorozawa, Saitama; Kanomata, Ichiro, Tokio (Japan)Prüfungsantrag gem. § 28 b PatG ist gestellt© 11.80 030 050/933
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