DE1948396A1

DE1948396A1 - Vorrichtung zur Beschleunigung und Ablenkung eines Ionenstrahles

Info

Publication number: DE1948396A1
Application number: DE19691948396
Authority: DE
Inventors: Brewer George R; Buckey Charles R
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1968-10-04
Filing date: 1969-09-25
Publication date: 1970-06-04
Also published as: US3569757A; GB1280305A; NL6914944A

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 23* September

Hughes Aircraft Company P 2032 B/kg

Centinela and Teale Street

Culver City, Califo, V.St.A. ·

Vorrichtung zur Beschleunigung und Ablenkung eines Ionenstrahles

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beschleunigung und Ablenkung eines lonenstrahles, insbesondere zum Einbetten von Ionen in Halbleiterkörper.

Eine colche Vorrichtung ermöglicht es_$ den Oberflächenzustand eines Objektes mit Hilfe einer loneneinbettung · zu beeinflussen Für eine solche loneneinbettung ist es besonders wichtig, den Ionenstrahl mit hoher Genauigkeit abzulenken und in Richtung auf das Objekt zu beschleuniget

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Die Steuerung und Ablenkung geladener submolekularer Teilchen ist seit mehreren Jahren bekannt, insbesondere die Steuerung und Ablenkung von Elektronenstrahlen in Kathodenstrahlröhren u.dgl. In den bekannten Geräten wird ein Elektronenstrahl auf gewünschte Stellen oder Bezirke einer phosphorbeschichteten Fläche oder eines Schirmes gelenkt, um so eine spezifische Lumineszenz dieser Bezirke hervorzurufen; für diesen Zweck ist der Einfallswinkel, unter dem der Strahl auf den Schirm auftrifft, ohne Bedeutung.

Bei der Ioneneinbettung werden jedoch die Oberfläpheneigenschaften eines Objektes oder Materialteiles absichtlich durch den Aufprall und die Einbettung von Ionen verändert, beispielsweise um den Einbau von Fremd- oder Dotierungsatomen in Halbleiterbauteile zu erreichen. Da die Gitterstruktur des Objektmaterials den einfallenden Ionen eine Vorzugsrichtung erteilt, sind die bekannten Vorrichtungen zur Steuerung und Ablenkung von Elektronen nicht unmittelbar für Einbettungszwecke geeignet.

Die bei der ioneneinbettung verwendeten Objekte oder Materialteile bestehen zum Beispiel aus Kristallen hoher Qualität und Reinheit, doh. aus Kristallen mit nur geringen Verunreinigungen. In einem solchen Kristall sind die Atome in solcher Weise ausgerichtet, daß zwischen den Atomreihen Kanäle bestehen. Zur Herstellung eines geeigneten Materialteiles wird der Kristall so geschnitten, daß die Kanäle und die aufgereihten Atome in einem

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bekannten Winkel zur Oberfläche des Kristalls angeordnet sind. Prallen Ionen auf die Oberfläche auf, dann werden &ristallatome von ihren Gitterplätzen entfernt, d.h· es treten Strahlungsschäden auf und es werden einige der Gitteratome dazu veranlaßt, in die Kanäle einzudringen, so daß sie die elektrischen und physikalischen Eigenschaften des Kristalls stören. Um solche Strahlungsschaden zu verringern, werden diese Kristalle erwärmt, so daß ihre Gitterschwingungen größer werden und die verlagerten Atome die Möglichkeit erhalten, ihre ursprünglichen Gitterplätze wieder einzunehmen·

Solche Strahlungsschaden treten ungeachtet des Einfallswinkels des lonenstrahles auf, jedoch können diese Strahlungsschäden verringert werden indem der Ionenstrahl in solcher Weise ausgerichtet wird, daß er in Richtung der Achse eines Kanals auf den Kristall auftrifft· Es verringert sich "dann die Wahrscheinlichkeit, daß Ionen mit Kristallatomen zusammenstoßen, und es ergibt sich eine größere Wahrscheinlichkeit für eine ungestörte Einbettung von Ionen in die Kanäle·

Bei der Ioneneinbettung ist es besonders wichtig, im Ob-Qektmaterial eine gleichmäßige Einbettung zu erzielen, insbesondere'eine gleichmäßige Kristallvolumendichte, gemessen in Anzahl der Ionen pro Kubikzentimeter· Außerdem ist es erwünscht, eine gleichmäßige Eindringtiefe der Ionen in das Material zu erzielen» Der Einfallswinkel des lonenstrahles in bezug auf die Kristallkanäle

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hat einen bedeutenden Einfluß auf die Eindfingtiefe der Ionen in den Kristall und folglich auf das Profil . der Dotierungsdichte. ' ■

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Beschleunigung und Ablenkung eines'Ionenstrahles zu schaffen, die bei einem Minimum an Strahlungsschaden das besonders gleichmäßige Einbetten von Ionen in Kristalle ermöglicht. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß sie eine Anordnung zum Bündeln und Beschleunigen des.Ionenstrahles in Richtung auf ein Objekt und zwei Ablenkanordnungen enthält, die den Strahl von einer Bezugsachse in zwei zueinander orthogonalen Richtungen so ablenkt, daß der auf das Objekt auftreffende Strahl auch bei sich verändernden Abständen von der Bezugsachse zu ihr parallel bleibt. Auf diese Weise wird erreicht, daß beim Überstreichen der Auftrefflache des Kristalls der. Ionenstrahl an jeder Stelle mit gleichbleibendem Einfallswinkel und gleicher Dichte auf das Material auftrifft·

TJm den Einfallswinkel der Ionen immer konstant zu halten, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Ionenstrahl in bezug auf die Bezugsachse auf solche Weise zweifach abgelenkt, und zwar zuerst von der Bezugsachse weg und danach in einer zur Bezugsachse parallele Bahnrichtung wieder zurückgelenkte Eine gleiche Ablenkung und Rücklenkung wird orthogonal zu der obigen Ab- und Rücklenkung ausgeführt. Steht die Bezugsachse z»B_e senkrecht auf der Mäterialoberflache, so trifft der Strahl

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immer rechtwinklig auf die fflaterialoberflache auf, und zwar auch dann, wenn der Strahl über einen großen Bereich der Kristalloberfläche elektrisch abgelenkt wird»

Bei der bevorzugten Aus'führungsf orm der Erfindung wird also von einer Doppelablenkung des Ionenstrahles Gebrauch gemacht, um den Innenstrahl von einer Bezugsachse weg auf eine zur Bezugsachse parallelen Bahn zu bringen» Zusätzliche Einrichtungen können dann noch dazu dienen, den Ionenstrahl in geeigneter Weise so zu bündeln, daß beim Überstreichen der Objektfläche die Dichte des Ionenstrahles konstant bleibt·

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird· Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln "für sich oder in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

die schematische Darstellung einer Doppelablenk- und Beschleunigungsvorrichtung nach der Erfindung und

Figo 2 die schematische Darstellung zueinander orthogonal angeordneter Ablenkplatten einer weiteren Vorrichtung nach der Erfindung·

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• »

Entsprechend den Darstellungen in den Pig. 1 und 2 enthält eine Vorrichtung 10 zur Ionenanreicherung eine Quelle 12 zur Erzeugung eines Ionenstrahles, eine Ablenk- und Beschieunigungsanordnung 14 zur Steuerung und zur zweifachen Doppelablenkung des Ionenstrahles und eine Ziel- oder Objjektkammer 16, die ein Ziel oder Objekt 18 schließt und trägt.

k Die Quelle 12 erzeugt einen in die Anordnung 14- eintretenden Ionenstrahl und besteht entweder nur aus einer ionisierenden Quelle oder aus einer ionisierenden Quelle und einem Massenseparator. Die Doppelablenk- und Beschleunigungsanordnung 14 enthält eins kegelförmige · üOkussiereinrichtung 20, die zum Beispiel aus einer Einzellinse bestehen kann, um so mit einem Minimum an Fokussierung eine Beschleunigung des Strahles zu erreichen, oder, wenn ein Massenseparator verwendet wird, die Ionen nach ihrem Austritt aus dem Massenseparator in geeignete Bahnen zu lenken, eine zweidimensionale Doppelablenkvorrichtung 22 und einen Beschleuniger 24.

f Die Fokussiereinrichtung 20 kann in irgend einer herkömmlichen Weise ausgebildet sein, die sich mit der ; Ablenkanordnung und dem Zweck ihres Einbaus verträgt»

Die Ablenkvorrichtung 22 enthält eine erste Anordnung zur Doppelablenkung eines Ionenstrahles in Richtung der X-Achse und eine zweite Anordnung 28 zur Doppelablenkung / des Ionenstrahles in Richtung der X-Ächse_o Die erste An-Ordnung 26 besteht Z₀B₀ aus zwei Paaren zueinander parallel

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angeordneter Platten 30 und 32, während die Anordnung 28 aus zwei Paaren zueinander parallel angeordneter Platten 34 und 36 besteht· Die Fokussiereinrichtung 20, die zweidimensionale Doppelablenkvorrichtung 22, der Beschleuniger 24 und das Objekt 18 sind alle längs einer zentralen Bezugsachse 38 angeordnet, die mit der Oberfläche 39 des Objektes 18 einen gewünschten Winkel bildet·

Wie Fig. 1 zeigt, sind die Platten 30 näher zueinander und zu der Bezugsachse 38 angeordnet als die Platten 32 und es sind ebenso die Platten 34· näher zu der Bezugsachse 38 angeordnet als die Platten 36, Bei dieser Konstellation erhalten die Platten 30 und 34 ein kleineres elektrostatisches Potential als die Platten 32 und 36, um die geeignete Beschleunigung und Ablenkung zu.erzielen· Es können jedoch, wie in Fig. 2 dargestellt, die Platten 30 und 32 und die Platten 34 und 36 auch alle im gleichen Abstand von der Bezugsachse 38 angeordnet sein und mit? gleichen Potentialen versehen werden. Außerdem sind die Platten 30 und 32 orthogonal zu den Platten 34 und 36· angeordnet, um eine Doppelablenkung des lonenstrahles in Richtung der Y-Achse und eine Doppelablenkung in Richtung der X-Achse zu bewirken.

Im Betrieb tritt der Ionenstrahl aus der Quelle 12 aus und wird mit' Hilfe der Fokussiereinrichtung 20 längs der Bezugsachse 38 gebündelt· Wenn der Strahl, die Platten 30 passiert, wird er von der Achse 38 weg abgelenkt. Anschließend wird der Strahl beim Eintritt in den Bereich zwischen den Platten 32 wieder parallel zur Bezugsachse

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-β- "'■■'"■ ■■ ■ Γ. ;

abgelenkt. Die beiden Ablenkungen bilden eine erste \ Doppelablenkung und werden in Richtung der Y-Richtung . ausgeführte Die Platten 34· "und 36 bewirken den gleichen Ablenkvorgang wie die Platten 30 und 32 mit der Ausnahme, daß diese zweite Doppelablenkung in Richtung der X-Achse stattfindete Um die beiden Doppelablenkunge.n in den Richtungen der X- und der Y-Achse ausführen zu können, müssen die Transversalgradienten in den beiden Plattenpaaren 30 und 32 und ebenso in den beiden Platten-paaren 34- und 36 jeweils entgegengesetzt gerichtet sein· Die Platten der Doppelablenkvorrichtung 22 können 90 betrieben werden, daß ihnen sich gleichmäßig ändernde Spannungen zugeführt werden und der Ionenstrahl die ^; ganze Oberfläche des Objektes 18 im rechten Winkel überstreicht oder abtastet. Wenn jedoch der Ionenstrahl genügend schmal ist, könnte ebenso leicht eine Einbet-Ionen an punktf örmigen Stellen bewirkt werden.

Der Beschleuniger 24 enthält eine Reihe von Zylindern oder Platten, die mit zentralen öffnungen versehen sind· Zum Erzeugen einer Beschleunigung können diese Platten in gleicher Entfernung voneinander angeordnet und mit einem konstanten Spannungsgradienten versehen sein. Gleichermaßen wirkungsvoll ist aber auch eine Plattenanordnung, bei der die Platten nicht mit gleichen Ab- " ständen, sondern mit sich gleichmäßig verringernden Plattenabständen angeordnet sind und bei der an allen Platten eine konstante und gleiche Spannung angelegt ist· Ferner kann der Beschleuniger nicht nur, wie hier gezeigt, hinter der Doppelablenkvorrichtung 22, sondern auch vor ihr liegen.

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Wenn auch, nur einige spezielle Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben worden sind, versteht es sich, daß zahlreiche Abwandlungen gegenüber den dargestellten Ausführungsbeispielen möglich. sind_t ohne den durch die Ansprüche gesteckten Rahmen der
Erfindung zu verlassen·

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Claims

Patentansprüche ·

Vorrichtung zur Beschleunigung und Ablenkung eines lonenstrahles, insbesondere zum Einbetten von Ionen in Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anordnung (12, 20) zum Bündeln und Beschleunigen des lonenstrahles in Richtung auf ein Objekt (18) und zwei Ablehkanordnungen (26 und 28) enthält, die den Strahl von einer Bezugsachse (38) in zwei zueinander orthogonalen Richtungen so ablenkt, daß der auf das Objekt (18)" auftreffende Strahl auch bei sich ver- * ändernden Abständen von der Bezugs achse (38) zu ihr parallel

2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Ablenkanordnungen (26 und 28) eine erste Einrichtung (30 bzw· 340 zum Ablenken des Ionenstrahles unter einem bestimmten Winkel von der Bezugsachse (38) und eine zweite Einrichtung (32 bzw. 36) zum Ausrichten des Ionenstrahles parallel zur Bezugsachse (38) umfassen·

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Einrichtung zum Ablenken des Ionenstrahles jeweils aus Paaren elektrostatischer, einander gegenüberstehender und längs der Bezugsachse (38) angeordneter Ablenkplatten (30, 32, 34· und 36) besteht und die Platten der ersten und der zweiten Einrichtungen einen gleichen Abstand von der Bezugsachse (38) haben und mit der gleichen Spannung , beaufschlagt sind.

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4. yorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, .i daß die erste und die zweite Einrichtung zum Ab-. lenken des Ionenstrahles jeweils aus Paaren elektrostatischer, einander gegenüberstehender und längs der Bezugsachse (38) angeordneter Ablenkplatten (30, 32, 34 und 36) besteht und ein erstes Paar (30 bzw. 34) der Platten näher zur Bezugsachse (38) angeordnet ist und eine niedrigere Spannung führt als das andere Paar (32 bzw. 36).

5· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf der Bezugsachse (38) einen Beschleuniger (.24·) aufweist, der den Ionenstrahl nach dessen Ablenkung beschleunigt.

6· Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleuniger (24) aus einer Reihe parallel angeordneter und mit Löchern versehener Beschleunigungsplatten besteht·

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsplatten einen gleichen Abstand voneinander haben und zwischen ihnen ein konstanter Spannungsgradient besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6," dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsplatten in sich verkleinernden Abständen voneinander angeordnet sind und an die gleiche Spannung angelegt sind.

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9· Vorrichtung nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (12, 20) zum Bündeln und Beschleunigen des Ionenstrahles eine Linsenanordnung (20) zun Fokussieren des Strahles vor seiner Ablenkung enthält.

10. Vorrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (22) so eingerichtet ist, daß der Ionenstrahl auf das Objekt (18) immer im rechten Winkel auftrifft.

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