CH659150A5 - Verfahren und anlage zum gleichmaessigen akkumulierten bestrahlen einer ebenen oberflaeche mit einem strahl geladener teilchen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Ionenimplantationsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 4.

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 Transversiergeschwindigkeit 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 Ionenimplantationsanlage, 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 mittleren 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 Einkristallwerkstücke vermieden wird, um KristallkanalisierungsWirkungen zu vermeiden, die die Steuerung der Tiefe der Ionenpenetration in das Substrat beeinflussen. Die Ebene des Substrats kann also geneigt sein, und/oder die nichtabweichende 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 ein-schliesst, wenn die genannte Kanalwirkung 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 Anlagen wird eine Ruhe-Versetzung von 7° elektrostatisch angelegt, um den Strahl abzulenken, und die periodische Abtastbewegung von z.B. + /—3° wird zusätzlich angelegt. Der Strahl erfährt eine beträchtliche Änderung hinsichtlich seines Einfallswinkels von einem Ende der Bewegung zum anderen, die sich aus dem Ablenkungsprozess und aus einfachen geometrischen Verhältnissen ergibt.

Es darf nicht ausser Acht gelassen werden, dass es meistens erwünscht ist, die Dosis über die zweidimensionale Oberfläche

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

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erzielen einer verbesserten Gleichmässigkeit der Ionendosis über der ebenen Oberfläche eines Werkstückes, über welche Oberfläche ein Ionenstrahl periodisch bewegt wird, anzugeben. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Ionenimplantationsanlage zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen, wobei die Ungleichmässigkeit der Ionendosierung ebener Substrate mittels darüber bewegter Ionenstrahlen ausgeglichen werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Die erfindungsgemässe Ionenimplantationsanlage ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 4 gekennzeichnet.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer typischen Ionenimplantationsanlage, welche die Erfindung aufweist;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ablenkeinheit;

Fig. 3A-D die Entwicklung des Ablenkmusters und die zugehörigen Zeitbasisprojektionen; und

Fig. 4 die geometrische Quelle der Ungleichmässigkeit.

Die Erfindung ist im Zusammenhang mit einer in Fig. 1 dargestellten Ionenimplantationsanlage beschrieben. Ein Hochspannungsteil 2 wird mit Hilfe einer Hochspannungsquelle 4 auf hohem Potential im Verhältnis zur Erde gehalten. Im Teil 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 Gashandhabungsgerät 6 erzeugtes Quellengas auf eine Ionenquelle 8 gerichtet. Eine typische Ionenquelle erfordert eine Stromquelle 10, um eine Ionisierungsentladung aufrecht zu erhalten, eine Stromquelle 12, um ein axiales Magnetfeld über den Entladungsbereich aufzuprägen, und eine Extraktionsquelle 14 sowie einen Feineinsteller 14', der mit einer Extraktionselektrode 16 zusammenwirkt, um das elektrische Feld am Loch der Ionenquelle 8 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 einer entsprechenden Stromquelle 22 gespeist wird, momentanalysiert. Der analysierte Strahl tritt durch den Ausgangsschlitz 24 des Analysators aus und in eine Beschleunigungsröhre 26 ein, in der er auf ein sorgfältig bestimmtes Feldgefälle von dem Hochspannungsteil 2 auf Erdpotential trifft. Optische Elemente, wie ein Quadrupol-triplet 28, 30, 32 und ein zugehöriges Steuergerät 34 erzeugen eine räumlich energiemässige Fokussierung in einer gewünschten Bildebene. Zwei Sätze elektrostatischer Ablenkplatten 40 und 42, die willkürlich mit Y bzw. X bezeichnet werden, haben die Aufgabe, den Strahl über den gewünschten Bereich der Bildebene zu lenken. Die an den jeweiligen Ablenkplatten anliegende Ablenkspannung und die Synchronisation derselben zur Erzeugung des jeweils passenden Ablenkprogramms wird mit Hilfe einer Ablenkeinheit 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.

Vakuumpumpvorrichtungen und die Vakuumhülle der Anlage 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 von der Ablenkeinheit 43 durchgeführte Ablenkmuster und die damit einhergehenden Frequenzen der Ablenkspannungen durch Wahl der angewendeten Ablenkplatten begrenzt. Darüber hinaus sind die Frequenzen gegenüber den normalerweise im Stromversorgungsnetz verwendeten 50 Hz oder 60 Hz unharmonisch.

Die Ablenkeinheit 43 gemäss dem bevorzugten Ausführungsbeispiel soll anhand von Fig. 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 der Ebene der versetzten Ruhe-Ablenkung und orthogonal zum nichtabgelenkten Strahl (z-Achse). Ein Haupttaktgeber 60 liefert eine Impulsreihe von 3,00 MHz-Impulsen an Teiler 62 und 63. Diese Teiler liefern jeweils 8152 Hz-Impul-se an einen X-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 die5

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ser Kanäle liefert eine zusätzliche Teilung durch 8, um 1019 Hz-Impulse für die grundlegende X-Ablenkfrequenz zu erzeugen. Eine zweite Teilung des 8152 Hz-Eingangssignals durch 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 Ablenkspannung der gewünschten nichtlinearen Gestalt entsprechend massgeschneidert wird, wodurch die Rate, mit der der Strahl abgelenkt wird, gesteuert wird. Eine nichtlineare Form wird aus einer Vielzahl linearer Segmente zusammengesetzt. Hierzu weist der X-Ablenkgenerator 70 einen Dreieckwellengenerator 72 auf, der einen Endverstärker 74 über einen Widerstand 76 treibt. Eine gleichbleibende Verstärkung des Endverstärkers 74 aufgrund des Eingangswiderstandes führt zu einem linearen Überstreichen des abgelenkten Strahls. Es liegt auf der Hand, dass eine Basisrückkopplung des Dreiecksignals nötig ist, die mit Hilfe eines Schaltkreises 72' durch bekannte Einrichtungen erreicht wird, die ausserhalb des Rahmens der Erfindung liegen. Die Dreieckspannung wird in einer direkten Weise durch Integration der 1019 Hz-Rechteckspannung erzielt. Die Neigung des linearen Teils wird dadurch geändert, dass nacheinander ein weiterer Widerstand parallel zum Eingangswiderstand 76 geschaltet wird. Das erfolgt mit Hilfe eines Oktal-dekodierers 78, der die Freuquenz der 8152 Hz-Rechteckspan-nung zählt, die am Dreieckwellengenerator 72 anliegt. Rückstellimpulse mit der Freuquenz von 1019 Hz gewährleisten die Synchronisierung. Dekodierte Ausgänge erscheinen nacheinander als Impulse «0» bis «7». Die dekodierten Ausgänge werden an ODER-Gatter 80 angelegt, um Ausgangssignale zu erzeugen, die einer zeitlich symmetrischen Sequenz folgen. Das dekodierte «0»-Ausgangssignal und das dekodierte «7»-Ausgangssignal wird an das ODER-Gatter 80oj angelegt, um ein lineares Gatter 82o,7 anzusteuern, welches seinerseits einen Widerstand 83o,7 mit dem Widerstand 76 parallelschaltet.

In ähnlicher Weise führt das an dem ersten benachbarten und am letzten benachbarten Ausgang auftretende Signal der Dekodierfolge («1» und «6») schliesslich dazu, dass ein Widerstand 83i,6 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 Ablenkspannung erzielt, die unterschiedlich grosse linearer Neigungen aufweist, wobei sowohl die steigenden wie die fallenden Abschnitte der Ablenkspannung durch Ändern der Verstärkung des Endverstärkers 74 erreicht werden. Gegebenenfalls könnte auch leicht eine unsymmetrische Ablenkspannung aus 8 Segmenten geschaffen werden, wenn zusätzliche lineare Gatter und parallelschaltbare Widerstände vorgesehen würden.

In einer mehr allgemeinen zweidimensionalen Ablenkvorrichtung können die beiden orthogonale Ablenkspannungen erzeugenden Generatoren identisch sein oder ziemlich unterschiedliche Merkmale haben, die genau entsprechend der auszugleichenden Wirkung gewählt sind. Bei der vorliegenden Anlage kommen z.B. Raumwinkelschwankungen vor, die eine Ungleichmässigkeit sowohl bei der X- als auch bei der Y-Ablen-kung erzeugen, wobei jedoch die relative Grösse dieser Wirkungen praktisch ziemlich unterschiedlich ist wegen der zusätzlichen versetzten Ruhe-Ablenkung. Die Raumwinkelschwankung wird anhand von Fig. 4 näher erläutert. In dieser Figur bestimmt der nichtabgelenkte Strahl die Z' -Achse, und der Ruhestrahl unterliegt einer versetzten Ablenkung 0o in der Z-X-Ebe-ne aufgrund der Ablenkplatten 42. Die Scheibe ist in der Bildebene 50 unter einem in der Y-Z-Ebene liegenden Neigungswinkel 5 (der Null betragen könnte) angeordnet. Ähnlich kann die Scheibe unter einem in der Z-X-Ebene liegenden Winkel y angeordnet sein.

Für jede beliebige versetzte Ablenkung 9o kann entweder der Neigungswinkel 8 oder y oder beide so gewählt sein, dass er nicht Null beträgt, um zu gewährleisten, dass der Strahl nicht rechtwinklig einfällt. Normalerweise wird der Neigungswinkel S so gewählt, dass er typischerweise einen Wert in der Nähe von 7° hat, um Kanalbildungseffekte zu vermeiden. Bei Ausseracht-lassung des Neigungswinkels 5 haben die extremen Bahnen Pi und P2 der Bahn gemäss Fig. 4 jeweils Einfallswinkel von 0 ± 0o. Es lässt sich demonstrieren, dass bei einem linear abgelenkten Strahl die Rate der Dosisansammlung in einem Ablenkintervall dx proportional zum Kosinusquadrat des Einfallswinkels ist. Für 0o = 7° und 0 im Bereich —2 1/2° < 0 < + 2 1/2° ist die prozentuale Ungleichmässigkeit von Kante zu Kante proportional zu

Cos2(0 — 0O)

= 1,021

Cos2(0 + 0O)

oder ca. 2,1%. Es ist wichtig, einen systematischen Fehler 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-Ebe-ne geneigt (8 = 0), so liegt die Raumwinkelschwankung 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 Wellenform verwendet, obwohl eine solche Kompensation, wenn gewünscht, gemäss den Prinzipien der Erfindung leicht durchführbar ist. Teilweise aus den oben genannten Gründen arbeitet beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Y-Ablenkgenerator 71 ohne nichtlineare Kompensation mit einem Dreieckwellengenerator 86 unter entsprechender Basisrückführung 86' zum Integrieren der von einem Teiler 63 gelieferten 117 Hz-Impulse in Rechteckwellenform. Die lineare Ablenkspannung wird weiter in einem Verstärker 88 verstärkt, um an die Y-Ablenkplatten abgegeben zu werden. Das resultierende x/y-Frequenzverhältnis von 200/23 liefert eine astabile Lissajous-Figur, die sich mit der Periode der X-Ab-lenkung (1019 Hz) wiederholt, d.h. mit 98,133 ms.

Es liegt auf der Hand, dass ein Neigungswinkel 8 = 7° geometrisch äquivalent ist zur Wirkung eines Winkels 0o = 7°, und eine nichtlineare Ablenkspannung 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 Figuren 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-/Rück-laufspurenpaare 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-/Rücklaufspuren 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 dann, 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 Inhomogenität der Oberflächendichte bei der Dosisverteilung. Die Schnittpunkte der Ablenkliniensegmente zeigen eine Doppeldosierung am Schnittpunkt an, während die rautenförmigen Lücken zwischen den Schnittpunkten Bereiche sind, die eine geringere Dosis empfangen haben.

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In Fig. 3C hat nach 63,999 ms die volle Entwicklung der Ablenkung sieben Zyklen Vorlauf-/Rücklaufspuren und eine achte Spur in X-Richtung gemeinsam mit 65 Zyklen in Y-Rich-tung erreicht. Die in Fig. 3B zu sehenden Streifen sind auch in Fig. 3C zum Vergleich angegeben. Darüber hinaus sind in Fig. 3C zusätzliche Streifen im Bereich zwischen den schon vorher erkennbaren Streifen vorhanden. Diese kann man als Auffüllen der ursprünglich rautenförmmigen Zellen reduzierter Dosierung betrachten oder als eine Verkleinerung der Grösse der rautenförmigen Zellen mit fortschreitender Abtastung. In Fig. 3D ist die Abtastung mit 111/2 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 Ax 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 Ursprung (0, 0) geringfügig längs des Streifens zu einer Position (Ax/n, 0 zu versetzen, und dann wird der ebene Ablenkzyklus (11 1/2 Zyklen in der X-Koordinate) wiederholt. Bei n derartigen Wiederholungen wird die Grösse der rautenförmigen Zellen wiederum drastisch reduziert. Es sei daran erinnert, dass beim Antrieb der 1019 Hz-Frequenz für die X-Ablenkung ein weiterer Teilerausgang von im wesentlichen 8 Hz synchron mit der grundlegenden X-Ab-lenkrate abgeleitet wurde.

Diese verhältnismässig langsame Impulsreihe wird an den Treppengenerator 90 angelegt, von dem ein Ausgangssignal abgeleitet wird, das eine steigende Sequenz von 8 Spannungsniveaus aufweist. Der Spannungsunterschied zwischen dem maximalen und minimalen Niveau ist so gewählt, dass er dem Y-Ab-lenkschritt 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 Fig. 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. Bei der Ionenimplantationsanlage 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 Fig. 3D ist eine Scheibe 95 gezeigt, die eine zur Implantation unter einem Neigungswinkel von 0° angeordnete Scheibe darstellt. Im Betrieb wird die Ablenkamplitude so eingestellt, dass sich ein Überlaufen von 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 Faradayschen 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 werden, die an der Ionenquelle und an verschiedenen Stellen der Anlage vorgesehen sind. Bei der erfindungsgemässen Anlage ist der Strahlquerschnitt 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 Versetzungsebene. Die Strahlgrösse ist teilweise durch Löcher in der Targetkam-mer begrenzt, und der dadurch entstehende Strahlfleck hat typischerweise Abmessungen von 2 mm x 10 mm bei einem Schwach-Strom-System oder 10 mm x 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 Modelldo-sen-Maxima eine Dosierung, die eine Überlagerung der mindestens vier Spuren darstellt, welche die Grenzen der Zelle bestimmen.

Die hier beschriebene Ablenkeinheit 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 aus mikroskopischem Niveau 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 in der Ablenkspannung vorhandene Rauschen wird nicht absichtlich unter den Bereich von 1 bis 3 V reduziert. Normalerweise ist dieses Rauschen auf Oberwellen der Stromversorgung zurückzuführen. Die Rauschkomponente der Ablenkung, die der Strahl erfährt, kann direkt als Fluktuation der Strahlbahn ausgedrückt werden. Bei 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 schärfer 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 Ablenkspannung kompensiert zu werden. Alle Quellen der Ungleichförmig-keit werden gemeinsam betrachtet, um eine zweidimensionale Funktion zu ergeben, die durch eine entsprechende zweidimensionale Dichte der Ablenklinienverteilung ausgeglichen wird.

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Ein Mustergenerator, der auf der Basis eines Mikroprozessors arbeitet, kann dies Ergebnis mit der Fähigkeit der Überlagerung mathematisch deutlich getrennter Muster hervorbringen, die zur Durchführung der gewünschten Kompensation entsprechend gewählt sind.

Die Anlage wurde hier zwar zum Ausgleich einer spezifischen geometrischen Quelle der Ungleichförmigkeit der Dosis beschrieben, aber es können auch andere Erscheinungen, die die gleichförmige Ionendosierung beeinflussen, zum Ausgleich mittels einer entsprechend gestalteten Ablenkspannung in Betracht kommen. Es können zusätzliche Quellen der Ungleichförmigkeit auftreten und ausgeglichen werden. Das Werkstück braucht keine ebene Oberfläche zu haben. Tatsächlich ergibt 5 sich dieser Fall 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 Fachmann geläufig.

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6 Blätter Zeichnungen

Claims (8)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum gleichmässigen akkumulierten Bestrahlen einer ebenen Oberfläche eines Werkstückes mit einem Stralli 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 Ablenkungen resultierende Muster zu dem Ursprung zurückkehrt, d) der Ursprung versetzt wird, und e) die Schritte b) bis einschliesslich d) eine ausgewählte Anzahl von Malen wiederholt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versetzung des Ursprungs zwischen einander benachbarten parallelen Spuren gerichtet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Anzahl von Wiederholungen multipliziert mit der Versetzungslänge dem Abstand zwischen in gleichmässigen Abständen voneinander liegenden und parallelen Spuren entspricht.
4. 4. Ionenimplantationsanlage zum Durchführen des Verfahrens nach Patentanspruch 1 und zum Bestrahlen eines Werkstücks, mit einer Ionenquelle (8) zum Erzeugen eines Ionenstrahls, einer kinematischen Analysiereinrichtung (20, 22) zum Auflösen der im Strahl vorhandenen Ionenart, einer Ionenop-tikeinrichtung (26, 28, 30, 32, 34) zur Fokussierung des Strahls und einer Ionenstrahlablenkeinrichtung (40, 42, 43), dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (40, 42, 43) mindestens eine Ablenkvorrichtung (40; 42) zum Ausgleich der Un-gleichmässigkeit der Ionendosierung längs einer Spur, welche in Abhängigkeit von einer nichtlinearen Ablenkspannung gesteuert ist, eine Ablenkeinheit (43), die die Spur in einem zweidimensionalen Muster lenkt, und eine Einrichtung (71, 90) zum Wiederholen der Spur in einer im Voraus ausgewählten Anzahl aufweist, wobei jede Wiederholung gegenüber allen restlichen Wiederholungen versetzt angeordnet ist.
5. 5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Versetzung zwischen den Wiederholungen im Grössenord-nungsbereich der Erstreckung des Strahls in Richtung der Versetzung liegt.
6. 6. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung eine zeitabhängige Ablenkkomponente aufweist, die ausreicht, um die Einfallsbahn des Strahls um ein im Vergleich zur Versetzung kleines Ausmass zu stören.
7. 7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkkomponente Rauschen aufweist.
8. 8. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung zum Ablenken eines Strahls geladener Teilchen über dem Werkstück einen ersten Ablenkgenerator (86, 86' ) zum Erzeugen einer linearen periodischen Ablenkspannung mit einer ersten Frequenz aufweist, dass eine Verstärkereinrichtung (88, 90) auf die lineare periodische Ablenkspannung einwirkt, dass ein zweiter Ablenkgenerator (70) vorgesehen ist, der eine Ablenkspannung mit einer zweiten Frequenz erzeugt, die grösser ist als die erste Frequenz und mit derselben synchronisiert ist, dass eine Zählereinrichtung (78) auf die zweite Frequenz anspricht und nacheinander jedes einer Vielzahl logischer Signale aktiviert, dass eine gleiche Vielzahl linearer Schaltereinrichtungen (82, 83) auf jedes der logischen Signale anspricht, und dass die Zählereinrichtung (78) und ODER-Gat-ter (80) eine Vorrichtung zum Auswählen des Verstärkungsgrades eines Verstärkers (74) in Abhängigkeit von den linearen Schaltereinrichtungen bilden.