DE3826432A1

DE3826432A1 - Radio-frequency plasma source and ion source for continuous operation

Info

Publication number: DE3826432A1
Application number: DE19883826432
Authority: DE
Inventors: Hartmut Frey
Original assignee: LSG LOET und SCHWEISSGERAETE G
Current assignee: LSG LOET und SCHWEISSGERAETE G
Priority date: 1987-02-04
Filing date: 1988-08-03
Publication date: 1989-01-05

Abstract

The proposed radio-frequency plasma source and ion source has a double-walled electrically insulating plasma discharge vessel, the inner cylinder of the plasma discharge vessel (7) being longitudinally slotted. During operation of the source, the plasma discharge vessel is charged positively; there is therefore no sputtering of the vessel. During operation of the ion source, no discharge is struck between the inner wall of the discharge chamber (2) and the outer cylinder of the plasma discharge vessel (7). A substrate holder which can be cooled and to which permanent magnets are fitted can be inserted into the plasma discharge vessel, from which substrate holder solid materials can be dusted off reactively or even inertly. The solid material atoms are ionised in the plasma and are then accelerated by the extraction system. The potential of the substrate support can be set by means of block capacitors. The source can be operated in the electron-cyclotron resonant frequency regime by impressing a DC component onto the radio-frequency induction coil (5). This results in a very high ionisation level of the plasma. The source is maintenance-free since no undesireable sputtering effects occur in the plasma discharge vessel (6, 7). The ion beam or plasma beam is free of impurities. As a result of the extraction grids being coated with dielectric materials, they are not sputtered either. The ion source can also be operated using solid materials, since the design of the ... Original abstract incomplete. <IMAGE>

Description

Die Erfindung ist eine elektrodenlose Hochfrequenzplasma- und ionen quelle für einen Druckbereich von 100 mbar bis 10^-6 mbar nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is an electrodeless high-frequency plasma and ion source for a pressure range from 100 mbar to 10 ^-6 mbar according to the preamble of claim 1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Hochfrequenz- und Mikrowellen-Ionenquellen dahingehend zu verbessern, daßThe invention has for its object the known radio frequency and to improve microwave ion sources in that

- die Ionenstromdichte wesentlich erhöht wird,- the ion current density is increased significantly,
- eine Extraktion von Ionen aus elektrisch leitenden Festkörpern möglich wird und- Extraction of ions from electrically conductive solids becomes possible and
- eine Verunreinigung des extrahierten Ionenstrahls vermieden wird.- contamination of the extracted ion beam is avoided.

Diese Aufgabe wird bei einer Hochfrequenzionenquelle nach dem Ober begriff des Anspruchs 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.This task is done with a high frequency ion source according to Ober Concept of claim 1 by those mentioned in its characteristics Features solved.

Ein Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenzionenquelle mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.An embodiment of a high-frequency ion source with the Features of claims 1 and 2 is in the drawing shown schematically and is explained in more detail below.

Durch den Deckel (3) der doppelwandigen, gekühlten Entladungskammer der Ionenquelle führen die elektrisch isolierten Zuleitungen der mit einem Kühlmedium gekühlten Hochfrequenzinduktionsspule (5). Die Hoch frequenzinduktionsspule (5) umschließt den doppelwandigen Plasmaent ladungstopf aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff, z. B. Quarz glas oder Al₂O₃-Keramik. Der innere Zylinder des Plasmaentladungs topfes ist geschlitzt, der äußere Zylinder ist nicht geschlitzt.The electrically insulated leads of the high-frequency induction coil ( 5 ) cooled with a cooling medium lead through the cover ( 3 ) of the double-walled, cooled discharge chamber of the ion source. The high-frequency induction coil ( 5 ) encloses the double-walled plasma discharge from an electrically non-conductive material, for. B. quartz glass or Al ₂ O ₃ ceramic. The inner cylinder of the plasma discharge pot is slotted, the outer cylinder is not slotted.

Zur Zündung des Plasmas im Plasmaentladungstopf wird der Druck des zu ionisierenden Gases bzw. Dampfes so weit angehoben, daß in der gesamten Entladungskammer kurzfristig eine Plasmaentladung auftritt. Durch Absenken des Druckes schnürt sich die Entladung ein und brennt nur noch in dem doppelwandigen Plasmaentladungstopf (7). Das zu ioni sierende Gas bzw. der zu ionisierende Dampf (Metalldampf) strömt über Schlitze an der Targethalterung (15) in den Plasmaentladungs topf.In order to ignite the plasma in the plasma discharge pot, the pressure of the gas or vapor to be ionized is raised to such an extent that a plasma discharge occurs briefly in the entire discharge chamber. By lowering the pressure, the discharge constricts and burns only in the double-walled plasma discharge pot ( 7 ). The gas to be ionized or the steam to be ionized (metal vapor) flows through slots on the target holder ( 15 ) into the plasma discharge pot.

Längsschlitze im inneren Zylinder des Plasmaentladungstopfes (7) erlauben auch die Verwendung von metallischen Dämpfen bzw. das Ionisieren von Metallen, die von der Targethalterung (15) abgestäubt werden können. Zur Erhöhung der Zerstäubungsausbeute befinden sich auf der Rückseite des Targethalters Permanentmagnete (16), die ein stationäres magnetisches Feld erzeugen. Geladene Teilchen werden von den magnetischen Feldlinien eingefangen; ihre Ionisationswahrschein lichkeit steigt an, d. h. insgesamt steigt die Plasmadichte vor dem Target an. Durch Verschieben des Targets in die Mitte der HF-Spule (5) kann die Zerstäubungsausbeute - und damit der Strom an abge stäubten Ionen - noch weiter erhöht werden. Dies eignet sich insbe sondere zur Dotierung von Halbleitern. So läßt sich z. B. ein Target aus B₆Si₂ zur Bor-Dotierung von aus Silan SiH₄ hergestellten Silizium schichten einsetzen. Das Potential des Targethalters (15) läßt sich durch die Verwendung eines Blockkondensators gegenüber dem Plasma potential verändern.Longitudinal slots in the inner cylinder of the plasma discharge pot ( 7 ) also allow the use of metallic vapors or the ionization of metals that can be dusted off by the target holder ( 15 ). To increase the sputtering yield, there are permanent magnets ( 16 ) on the back of the target holder, which generate a stationary magnetic field. Charged particles are captured by the magnetic field lines; Their probability of ionization increases, ie overall the plasma density in front of the target increases. By moving the target in the middle of the RF coil ( 5 ), the atomization yield - and thus the current of dusted ions - can be increased even further. This is particularly suitable for doping semiconductors. So z. B. use a target made of B ₆ Si ₂ for boron doping of silicon made of silane SiH ₄ layers. The potential of the target holder ( 15 ) can be changed by using a block capacitor compared to the plasma potential.

Durch die Doppelmantelausführung des Plasmaentladungstopfes mit dem inneren, geschlitzten Zylinder kommt es zu keiner Berührung des Plasmas mit metallischen Teilen der Entladungskammer. Scheiden sich metallische (elektrisch leitende) Schichten am geschlitzten inneren Zylinder ab, so können sich aufgrund der Schlitze keine die Hochfrequenzschwingungen abschirmenden Wirbelströme ausbilden, d. h. die elektromagnetischen Wellen können weiter in das Plasma eindringen. Da durch die Schlitze des inneren Zylinders (7) des Plasmaentladungstopfes nur eine längs gestreifte Beschichtung des äußeren, geschlossenen Zylinders möglich ist, d. h. über den Umfang des äußeren Zylinders kann sich z. B. keine geschlossene elektrisch leitende Schicht ausbilden, können auch hier keine das HF-Feld verdrängenden Wirbelströme entstehen.The double-jacket design of the plasma discharge pot with the inner, slotted cylinder means that the plasma does not come into contact with metallic parts of the discharge chamber. If metallic (electrically conductive) layers are deposited on the slotted inner cylinder, eddy currents shielding the high-frequency vibrations cannot form due to the slots, ie the electromagnetic waves can penetrate further into the plasma. Since only a longitudinally striped coating of the outer, closed cylinder is possible through the slots of the inner cylinder ( 7 ) of the plasma discharge pot, ie over the circumference of the outer cylinder z. B. do not form a closed electrically conductive layer, no eddy currents displacing the HF field can arise here either.

Ein weiterer wesentlicher Fortschritt zu bisherigen HF-Ionenquellen ist das gleichzeitige Aufprägen eines Gleichstromes auf die HF-Spule; damit ist es möglich, unter jeden Entladungskammerbedingungen die Elektronenzyklotron-Resonanz-Heizung optimal durch Veränderung des Gleichstromanteils zu nutzen. Im Prinzip ist dies das gleiche wie die Beschleunigung geladener Teilchen in einem Zyklotron.Another significant advance over previous RF ion sources is the simultaneous application of a direct current to the RF coil; this makes it possible to operate the under any discharge chamber conditions Electron cyclotron resonance heating optimally by changing the DC component to use. In principle, this is the same as the acceleration of charged particles in a cyclotron.

Legt man nun an das erste Extraktionsgitter (8), das mit der Innenwand der Entladungskammer elektrisch verbunden ist, eine Spannung an, so verschiebt sich das Plasmapotential ebenfalls auf diesen Spannungs wert. Die Folge davon ist, daß sich die Innenwand des äußeren Zylinders des Plasmaentladungstopfes (6) ebenfalls positiv auflädt (Kondensatoreffekt). Die positiv geladene Grenzschicht verhindert aufgrund von Coulomb-Kräften das direkte Auftreffen von im Hoch frequenzfeld erzeugten und beschleunigten Ionen. Eine Zerstäubung des Plasmaentladungstopfes wird damit vermieden.If one now applies a voltage to the first extraction grid ( 8 ), which is electrically connected to the inner wall of the discharge chamber, the plasma potential also shifts to this voltage value. The consequence of this is that the inner wall of the outer cylinder of the plasma discharge pot ( 6 ) also charges positively (capacitor effect). The positively charged boundary layer prevents the direct impact of ions generated and accelerated in the high-frequency field due to Coulomb forces. An atomization of the plasma discharge pot is avoided.

Um auch eine Zerstäubung der Extraktionsgitter, vor allem des ersten Extraktionsgitters (8) zu vermeiden, wird die der Plasmaseite zuge wandte Gitteroberfläche mit einem dielektrischen Werkstoff beschichtet. Der aus dem Plasma extrahierte Plasma- bzw. Ionenstrahl ist damit absolut frei von unerwünschten Verunreinigungen.In order to avoid atomization of the extraction grid, especially the first extraction grid ( 8 ), the grating surface facing the plasma side is coated with a dielectric material. The plasma or ion beam extracted from the plasma is therefore absolutely free of undesired impurities.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber existierenden Ionenquellen ist die Homogenität der Ionenstrahldichte über dem Extraktionsgitter querschnitt.Another significant advantage over existing ion sources is the homogeneity of the ion beam density over the extraction grid cross-section.

Erreicht wird dies durch eine sich stetig erhöhende Transparenz der Extraktionsgitter hin zum Extraktionsgitterrand und durch die Über lagerung eines DC-Feldes zum HF-Feld. This is achieved through a steadily increasing transparency of the Extraction grid to the extraction grid edge and through the over Storage of a DC field to the HF field.

Bezugszeichenliste 1 Äußerer metallischer Zylinder der Entladungskammer der Ionenquelle
2 Innerer metallischer Zylinder der Entladungskammer
3 Deckel der Entladungskammer
4 Elektrisch isolierte Durchführung der Hochfrequenzinduktionsspule
5 Hochfrequenzinduktionsspule
6 Äußerer Zylinder des Plasmaentladungstopfes
7 Innerer geschlitzter Zylinder des Plasmaentladungstopfes
8 Extraktionsgitter
9 Extraktionsgitter
10 Extraktionsgitter
11 Isolatorscheiben
12 Isolatorscheiben
13 Isolatorscheiben
14 Handrad
15 Targethalterung
16 PermanentmagneteLIST OF REFERENCE NUMERALS 1 outer metallic cylinder of the discharge chamber of the ion source
2 Inner metallic cylinder of the discharge chamber
3 Discharge chamber cover
4 Electrically insulated feed-through of the high-frequency induction coil
5 high-frequency induction coil
6 Outer cylinder of the plasma discharge pot
7 Inner slotted cylinder of the plasma discharge pot
8 extraction grids
9 extraction grid
10 extraction grids
11 isolator washers
12 insulator washers
13 insulator washers
14 handwheel
15 target holder
16 permanent magnets

Claims

1. Hochfrequenzplasma- und ionenquelle für einen kontinuierlichen Betrieb,

a) bei der am Deckel (3) einer Entladungskammer isolierte Durch führungen befestigt sind. Diese dienen zur Aufnahme einer von Kühlmittel durchflossenen Hochfrequenz-Induktionsspule (6), die so gestaltet ist, daß dem Hochfrequenzstrom ein Gleichstrom überlagert werden kann,

1. high frequency plasma and ion source for continuous operation,

a) in the insulated on the cover ( 3 ) of a discharge chamber are fastened through guides. These are used to hold a high-frequency induction coil ( 6 ) through which coolant flows, which is designed in such a way that a direct current can be superimposed on the high-frequency current.

dadurch gekennzeichnet, daß

b) sich innerhalb der Hochfrequenz-Induktionsspule ein doppelwandiger Plasmaentladungstopf mit einem äußeren und einem inneren Zylinder (7) aus einem nichtleitenden Werkstoff, beispielsweise Keramik oder Quarzglas befindet, wobei der innere Zylinder (7) des doppel wandigen Entladungstopfes längsgeschlitzt ist.

characterized in that

b) a double-walled plasma discharge pot with an outer and an inner cylinder ( 7 ) made of a non-conductive material, for example ceramic or quartz glass, is located within the high-frequency induction coil, the inner cylinder ( 7 ) of the double-walled discharge pot being slit lengthways.

2. Hochfrequenzplasma- und ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb des doppelwandigen Entladungs topfes eine durch ein Handrad (14) verschiebbare, mit einem Kühl medium kühlbare Targethalterung (15) befindet, die mit Permanent magneten (16) ausgelegt ist.2. High-frequency plasma and ion source according to claim 1, characterized in that within the double-walled discharge pot is a by a handwheel ( 14 ) displaceable, with a cooling medium coolable target holder ( 15 ), which is designed with permanent magnets ( 16 ).

3. Hochfrequenzplasma- und ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die HF-Spule (5) durch eine Mikrowellenantenne ersetzt wird und der Gleichstrom durch eine Zusatzspule auf dem Entladungs topf erzeugt wird. 3. High-frequency plasma and ion source according to claim 1, characterized in that the RF coil ( 5 ) is replaced by a microwave antenna and the direct current is generated by an additional coil on the discharge pot.

4. Hochfrequenzionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Extraktionsgitter (8, 9, 10) und damit die Transparenz so ausgelegt sind, daß sich eine Ionenstromdichtehomogenität von ±0,2 Prozent ergibt.4. High-frequency ion source according to claim 1, characterized in that the openings of the extraction grid ( 8, 9, 10 ) and thus the transparency are designed so that there is an ion current density homogeneity of ± 0.2 percent.

5. Hochfrequenzionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionsgitter mit einer Keramikschicht überzogen sind.5. High-frequency ion source according to claim 1, characterized in that that the extraction grid is covered with a ceramic layer.