DE2043865A1

DE2043865A1 - Gerat fur das Beschießen mit Ionen

Info

Publication number: DE2043865A1
Application number: DE19702043865
Authority: DE
Inventors: James Harry Abingdon Berkshire Freeman (Großbritannien)
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1969-09-05
Filing date: 1970-09-04
Publication date: 1971-03-11
Also published as: FR2060966A5; DE2043865C2; NL172805B; JPS521159B1; NL172805C; US3689766A; NL7013146A; GB1280013A; DE7032987U

Description

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W.1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 44171/69 vom 5. Sept. 1969 beansprucht.

Gerät für das Beschießen mit Ionen

Die Erfindung bezieht sich auf Geräte zum Beschießen eines Targets,eines Auffängers oder einer Auffangelektrode mit Ionen, um beispielsweise Ionen in das Target bzw. die Auffangelektrode "einzupflanzen".

Zugammenfasflung^der^Erfindung

Durch die Erfindung wird ein Gerät zum Beaohießen einee Targets oder Auffängere mit Ionen geschaffen, welches sich «ueammensetzt aus einer Ionenstrahlquelle, einem Magneten zum Ablenken des Ionenstrahles in Richtung auf ein Eenster,

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aus einer Einrichtung zum Stabilisieren des Ionenstrahls, um den durch das Fenster hindurchgehenden Ionenstrahlstrom im wesentlichen konstant zu halten, aus einem Halter für einen Auffänger bzw. eine Auffangelektrode hinter dem Fenster sowie aus einer Antriebseinrichtung, welche dem Auffängerhalter eine kontrollierte Bewegung auferlegt, um den Auffänger durch den Ionenstrahl entsprechend einem vorbestimmten Abtastmuster abzutasten.

Vorzugsweise weist die Einrichtung zum Stabilisieren 'des Ionenstrahls eine Detektorvorrichtung zum Ermitteln des das Fenster passierenden Ionenstrahlstromes sowie eine Ionenstrahl-Steuereinrichtung auf, welche auf den Ausgang der Detektorvorrichtung zum Kontrollieren des Ionenstrahls anspricht, um so den genannten Ionenstrahlstrom im wesentlichen konstant zu halten.

Bei bestimmten Anwendungen, insbesondere beispielsweise dann, wenn die Ionen Borionen aufweisen, welehe ohne weiteres von anderen Ionen getrennt werden können, kann das Fenster ebenso breit sein wie die zu beschießende Auffangelektrode, und die Einrichtung zum Stabilisieren des Ionenstrahls steuert den Ionenstrahl so, daß sich eine im wesentlichen gleichförmige Ionenstrahldichte über die Fläche des Fensters hinweg ergibt.

In diesem Falle lokalisiert bei e iner bevorzugten Anordnung nach der Erfindung der Auffängerhalter die Auffangelektrode hinter dem Fenster in solcher. Weise, daß die Breite der Auffangelektrode mit der Breite des durch das Fenster hindurchgehenden Ionenatrahls fluchtet, und die erwähnte Antriebseinrichtung bewegt die abgestützte Auffangelektrode in Längsrichtung m^⁴- einer kontrollierten Geschwindigkeit am Fenster vorbei.

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Vorzugsweise wird der Auffängerhalter so eingerichtet, daß er eine Vielzahl von Auffangelektroden in einer Reihe tragen kann und, wenn er in der vorerwähnten Weise bewegt wird, die Auffänger in Aufeinanderfolge mit kontrollierter Geschwindigkeit am Fenster vorbeibewegt.

Vorzugsweise bewegt die Antriebseinrichtung den Auffängerhalter hin und her, wodurch die Auffangelektroden wiederholt am Fenster vorbei'bewegt werden, wobei die Gesamt-Ionendosis durch die Anzahl von Hin- und Herbewegungen bestimmt wird. -

Vorzugsweise ist der Auffängerhalter in der Lage oder eingerichtet, mehrere Reihen von Auffangelektroden zu tragen, und die Antriebseinrichtung enthalt Mittel zum Weiterschalten bzw. Versetzen des Auffängerhalters, um eine andere Reihe von Auffangelektroden in Flucht mit dem Fenster zu bringen.-

Vorzugsweise weist der'Auffängerhalter einen Zylinder mit einer Vielzahl von Gerüsten oder Gestellen auf, die um die Peripherie herum angeordnet sind, wobei jedes Gestell eine Reihe von Auffangelektroden trägt, die sich parallel zur Achse des Zylinders erstrecken.

Ist ein schmaleres Fenster zum Trennen der gewünschten Ionen von unerwünschten Ionen erforderlich, so wird eine Alternativanordnung vorgezogen, bei welcher der Auffängerhalter eine Platte aufweist, .die in der Lage ist, eine große Auffangelektrode oder eine Vielzahl von kleineren Auffängern zu tragen, wobei ferner eine Halterung für die Platte vorgesehen ist und diese Halterung durch die genannte Antriebst-inri.ortung bewegt wird.

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Bei dieser Anordnung "bildet die Antriebseinrichtung vorzugsweise einen X-Y-Antrieb (Koordinatentrieb).

Vorzugsweise ist die genannte Halterung so eingerichtet, daß sie eine von ihr getragene Platte automatisch am Ende eines vollständigen Abtastvorganges freigibt und in die Ausgangsposition für einen weiteren Abtastvorgang zurückkehrt.

Zweckmäßig ist eine Einrichtung zum Anbringen einer Vielzahl von mit Auffangelektroden beladenen Platten an einer Lade- oder Beschickungsstation mit Mitteln zum automatischen Aufladen einer Platte auf die Halterung vorgesehen, wenn sie in die Ausgangsposition zurückkehrt.

Vorzugsweise ist eine Einrichtung zum Modulieren der Energie des Ionenstrahls vorgesehen, so daß die durch den Magneten erzeugte Ablenkung sich in Übereinstimmung mit der Modulation ändert, wodurch der abgelenkte Ionenstrahl dazu gebracht wird, hin und zurück über das Fenster zu streichen, wobei die genannte Ionenstrahl-Steuervorrichtung, die auf den Ausgang der Detektorvorrichtung anspricht, die Ionenstrahlenergie-Modulierungseinrichtung so steuert, daß sie den durch das Fenster hindurchgehenden Ionenstrahlstrom konstant zu halten sucht.

Bei einer bevorzugten Anordnung nach der Erfindung wird der Ionenstrahl durch einen Ionenstrahl-Separator erzeugt, bei welchem der Magnet ein Elektromagnet ist. Bei Ionenstrahl-Separatoren wird ein Strahl, welcher Ionen von eine^. Vielzahl von Isotopen enthält, durch ein starkes Magnetfeld hindurchgelassen, welches sich im wesentlichen senkrecht zum Ionenstrahlweg erstreckt. DciS Magnetfeld lenkt die Ionen in einen gekrümmten Weg ab, wobei die Stärke der Ablenkung unter anderem von der Masse und der Energie der Ionen ab-

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hängig ist. Auf diese Weise können Ionen von verschiedenen Isotopen in divergierende Strahlen aufgetrennt werden, und durch entsprechende geometrische Anordnung der Einzelteile bzw. Komponenten des Separators und Anordnung des Fensters können Ionen eines ausgewählten Isotops auf die Auffangelektrode hin fokussiert bzw» gebündelt werden. In diesem Falle ist es wichtig, daß die dem Ionenstrahl gegebene Abtastbewegung nicht so ist, daß unerwünschte Ionen von einer Masse, die sich von der für die Beschießung der Auffangelektrode ausgewählten unterscheidet, durch das Fenster hindurchgelassen werden.

"Vorzugsweise weist die Einrichtung zum Modulieren der Energie des Ionenstrahls eine elektrische Lieferquelle auf, die so angeschlossen ist, daß sie eine Wechselspannung einer hohen Gleichspannung überlagert, welche an die Beschleunigungselektrode der Ionenstrahlquelle angelegt wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf das Gerät, Figt 2 einen Schnitt durch einen Teil des Gerätes nach

der Linie O-C der Fig. 3,

Pig, 3 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 2, Fig. 4 einen Teilschnitt nach der Linie B-B in Fig. 2, Fig.. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren Teils des Gerätes, während

Fig., 6 schematisch, in Perspektive und zum Teil aufgeschnitten, einen Teil eines abgeänderten Gerätes wiedergibt.

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Beschreibung_der_bevorzugten_Ausführungsbeisgiele

Bei diesen Ausfiihrungsbeispielen weist das Gerät einen elektromagnetischen Ionenstrahlseparator derjenigen Bauart auf, welche in den deutschen Patentanmeldungen P 20 02 970.7 (Anwaltsakte 70 015) und P 20 03 715.4 (Anwaltsakte 70 016) beschrieben ist. Fig. 1 zeigt den Separator schematisch, wobei eine Beschleunigungselektrode 11 einer Ionenquelle dargestellt ist, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 20 03 715.4 beschrieben ist.

Ein divergierender Ionenstrahl 12 .geht von der Ionenquelle aus durch die Beschleunigungselektrode 11 hindurch und gelangt zwischen Polstücke eines Elektromagneten, von denen ein Polstück 13 dargestellt ist. Das Magnetfeld zwischen den Polstücken verläuft senkrecht zur Bahnrichtung des Ionenstrahls und senkrecht zu der Ebene, in welcher der Ionenstrahl abzulenken ist. Das heißt, wie in Fig. 1 dargestellt, die Magnetfeldlinien zwischen den Polstücken verlaufen senkrecht zur Zeichenblattebene.

Der Ionenstrahl wird durch das Magnetfeld in Richtung auf ein Fenster 14 abgelenkt, welches durch eine Aussparung in einer Platte 15 gebildet wird. Ionen im Strahl, die durch das Fenster 14 hindurchgelangen, treffen auf einen Auffänger bzw. eine Auffangelektrode 16 auf. Sine Detektorsonde 17 steht ein kleines Stück in den Weg des Ionenstrahls vor, der durch das Fenster H hindurch verläuft,und fängt einen klei<nen Bruchteil des Ionenatrahls ab, um eine Anzeige für den durch das Fenster H hindurchgehenden Ionenstrom vorzusehen bzw. zu liefern..

Eine hohe stabilisierte Gleichspannung, die an die Beschleunigungselektrode 11 angelegt wird, wird durch einen stabilisierten Höchstspannunge-Iatsteil baw. -Versorgung·ttil /E.H,T. power supply/ geliefert, der bei 18 angedeutet iet.

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Dieser an die Beschleunigungselektrode 11 angelegten Gleichspannung wird eine Wechselspannung überlagert, welche durch einen Kippspannungsgenerator 19 erzeugt wird. Die Amplitude der Kippspannung wird durch eine bei 21 angedeutete Kippoder Wobbleisteuerung eingeregelt, die ihrerseits durch ein Elektrisches Signal gesteuert wird, welches für den durch das Fenster 14 hindurchgehenden Ionenstrahlstrom bezeichnend ist und von der Sonde 17 über einen Verstärker 22 abgeleitet wird.

Fig. 1 veranschaulicht schematisch die Trennung von zwei Ionen unterschiedlicher Masse. Die vollen Linien zeigen den Ionenstrahl aus Ionen der einen Masse, wobei der Abtasteffekt durch einen Pfeil 23 angedeutet ist. Die strichpunktierten linien deuten'den Ionenstrahlweg der Ionen der anderen Masse an, wobei der-Abtast- bzw. Kippeffekt durch Pfeil 24 angedeutet ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die im Maßstab der Fig. 1 angedeuteten Ablenkungen stark übertrieben dargestellt sind» Die Amplitude der Abtastung sollte jedoch so sein, daß unerwünschte Ionen bei jeder Stellung der Abtastung nicht durch das Fenster hindurchgelangen.

Beim Betrieb wird das Gerät so aufgebaut, daß das Fenster 14 die gewünschten Ionen abfängt, und die an die Beschleunigungselektrode 11 angelegte Gleichspannung wird als Grobeinstellung so eingeregelt, daß sich die gewünschte Ionenstrahlintensität an der. Auffangelefctrode 16 ergibt. Eine Feineinstellung dieser Intensität wird durch Einregelung des Kipp- bzw. Abtastspannungsverstärkers erzielt. Ist einmal die Ionenstrahlintensität durch das Fenster H hindurch eingestellt, so wird durch Rückkopplung von der Sonde 17 über die Kipp- bzw. Abtaststeuerung 21 die Amplitude der Abtastung in solcher Weise gesteuert, daß sie das

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Bestreben hat, Änderungen in der Ionenstrahlintensität zu reduzieren. Es ist ein wesentliches Merkmal der Anordnung, daß der Kipp- bzw. Abtasteffekt durch das Magnetfeld einfach durch Verändern der Energie des Ionenstrahls erzeugt wird.

Wenn auch das Magnetfeld die prinzipielle Fokussierung der austretenden Ionenstrahlen liefert, so ist doch eine Vorsorge für eine Feinfokussierung der gewünschten Ionen auf die Auffangelektrode erforderlich.

Dies wird, zusammen mit dem Fenster 14, durch eine Linsen-Bauteilgruppe erreicht, die in den Fign. 2, 3 und 4 dargestellt ist.

Nach Fig. 2 wird ein Vakuumgehäuse durch einen elektriscxisolierenden Glaszylinder 23 gebildet, welcher an jedem Ende an Flanschen 24 und 25 mit zwischengelegten Dichtungsringen 26, 27 festgeklemmt ist.

Der Flansch 24 ist in abgedichteter Weise an das Vakuumsystem des elektromagnetischen Separators gekuppelt. Der Flansch 25 ist in abgedichteter Weise an eine evakuierte Auffängerkammer gekuppelt, die im nachfolgenden mit Bezug auf Fig.5 ausführlicher beschrieben wird.

Drei ausgesparte Metallplatten, die jeweils einen die Masse bestimmenden Schlitz 28, eine Unterdrückerelektrode und eine Sonde 29 aufweisen, sind so befestigt, daß sie gegeneinander elektrisch isoliert sind und auf einer rohrförmigen Halterung 32 innerhalb des Glaszylinders 23 sitzen.

Die rohrförmige Halterunng 32 trägt neben den drei Metallplatten 28, 29 und 31 außerdem eine weitere geerdete Elektrodenplatte 34 und zwischen dieser geerdeten Elektrodenplatte 34 und der Unterdrücker-Ele_;ktrodenplatte 31 eine

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Strahl-Anschlagvorrichtung 35.

Die Feinfokussierung des Ionenstrahls wird in der Linsengruppe durch ein elektrostatisches Feld erzeugt, welches zwischen der geerdeten llektrodenplatte 34 und einer Elektrodenplatte 36 erzeugt wird, die von der geerdeten Elektrodenplatte 34 auf Abstand gehalten ist und auf dem Plansch 25 sitzt. Bei diesem AusfUhrungsbeispiel wird die Elektrodenplatte 36 auf einem positiven Potential von 140 kV gehalten» Es versteht sich, daß sowohl die Erd- at

elektrodenplatte 34 als auch die Elektrodenplatte 36 in der Fitte ausgespart sind, um den Ionenstrahl hindurchzulassen.

Die Einstellung des Fokussierungseffektes erfolgt durch Einstellung der Trennung bzw. des Abstandes zwischen der Erdelektrodenplatte 34 und der Elektrodenplatte 36. Zu diesem Zweck sitzt das Halterohr 32 teleskopartig auf einem Rohr 33, welches am Flansch 24 befestigt ist. Ein starres Rohr 37» welches bei 38 an der rohrförmigen Halterung32 befestigt ist, erstreckt sich durch einen Schlitz 39 im Rohr 33 nach einem Antriebsmechanismus 40 (s» Fig. 4)> der in der Lage ist, das Rohr 37 in Längsrichtung bei entsprechender Drehung eines Antriebsritzels 42 vor und zurück ■-" zu bewegen'^

■ . [. ■

Das I mere des Rohres 37. "bildet-einen bequemen Durchgang für d is Kabel, um die verschiedenen elektrischen Ver bindungen

Kabel nach

alt den auf dem Halterohr 32 getragenen Einzelteilen her austeilen

Wie a its Fig. 2 hervorgeht, geijen die Drähte in dem einem Verbindungsstück 43 fächerartig auseinander, von uelchera die Verbindungen nach den verschiedenen Einzelteilin hergestellt werden.

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Auf dem Halterohr 32 sitzt eine den Bereich der elektrostatischen Linsen umgebende Röntgenstrahlabschirmung

Die Strahl-Anschlagvorrichtung 35 weist eine Metallplatte 45 auf, die innerhalb eines farad.ayschen Bechers 46 sitzt und gegenüber diesem Becher elektrisch isoliert ist, welcher die Metallplatte 45 umgibt, mit Ausnahme der Aussparung, welche in Richtung des einfallenden Ionenstrahls zeigt, und durch welchen die Ionen nach der Strahl-Anschlagplatte 45 gelangen. Die Strahl-Anschlagvorrichtung 35 ist •als Ganzes um einen Drehzapfen 47 drehbar. Ein Drehen der Vorrichtung 35 in die und aus der Strahl-Anschlagstellung wird durch einen Betätigungs-Elektromagneten 48 über eine Kupplung 49 und einen drehbaren Stab 51 bewirkt.

Der die Masse bestimmende Schlitz 28 hat eine Fläche von 1 Quadratzoll (6,4 cm ), und beim Betrieb wird der elektromagnetische Separator so aufgebaut, daß die Ionen der gewünschten Masse sich auf den die Masse bestimmenden Schlitz fikussieren und über eine Fläche von annähernd 1 1/4 Zoll χ 1 1/4 Zoll (3,2 cm χ 3_f2 cm) geschwenkt werden.

Die Aussparung der Sondenplatte 29 ist so angeordnet, daß eine kleine bekannte Fläche der Platte den Ionenstrahl schneidet bzw, abfängt, der durch den die Masse bestimmenden Schlitz 28 hinaurchgelangt. Die Unterdriickerelektrode 31 liegt an einem positiven elektrischen Potential, um Sekundärelektronen anzuziehen und zu entfernen, welche durch die Beschießung der Sonde 29 oder der mit dem die Masse bestimmenden Schlitz versehenen Platte 28 durch den Ionenstrahl erzeugt werden können.

Der faradaysohe Becher 46 wird gleichfalls auf einem positiven Potential gehalten, u*a eine ähnliche Punktion in Bezug auf die Strahl-Anschlagplatte 45 auiauüben, wenn dieqe eioh in der Strahl-Anachlags-tellung befindet.

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Es versteht sich, daß es wichtig ist, Sekundärelektronen daran zu hindern, in den Separator zurückzugelangen, da sie auf hohe Energien beschleunigt werden können, wobei sie in der entgegengesetzten Richtung zum positiven Ionenstrahl wandern und eine Röntgenstrahlung an irgendeiner unbestimmten Stelle, im elektromagnetischen Separator erzeugen.

Es sei darauf hingewiesen, daß der die Masse bestimmende Schlitz, welcher durch die Platte 28, wie mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben, vorgesehen ist, das Fenster 14 bildet, welches mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, und daß die.Sondenplatte 29, wie mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben, die Sonde 17 bildet, welche mit Bezug auf Fig. 1 beschrie-, ben wurde.

Der durch den die Masse bestimmenden Schlitz hindurchgelangende Ionenstrahl wird durch die elektrostatische Linse auf einen .Auffänger bzw. eine Auffangelektrode fokussiert, die innerhalb der Auffängerkammer angeordnet ist, welche an den Flansch 25 gekuppelt ist.

Fig. 5 ist eine Ansicht einer Ausführungsform von Auffängerkammer, von hinten in Richtung auf den ankommenden Ionenstrahl gesehen.

Bei diesem Ausführungsbeißpiel ist für eine systematische Bewegung der Auffänger bzw. Targets gesorgt, so daß sie mittels des Ionenstrahls in solcher Weise abgetastet werden können, daß eine gleichförmige Dosis von Ionen, die am Auffönger zur Einwirkung kommen, erzielt wird.

Ein Ausführungsbeispiel des l^ochanisraus zum Bewegen ^' " A.uf fänger ist in Fig. 5 dargestellt, in welcher der äußere Zylinder 51a das "Vakuumgehäuse der Auffängerkammer bildet.

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Dieser Mechanismus ist insbesondere dann angemessen, wenn es notwendig ist, einen schmalen massebestimmenden Schlitz zum Auswählen der gewünschten Ionen zu verwenden.

Der Mechanismus ist für die automatische Behandlung einer großen Anzahl von Scheiben oder Schnitten eines Substrats, beispielsweise für die Herstellung von Halbleitern durch Einpflanzen von gedopten bzw. angereicherten Ionen in die Substratscheiben, gedacht. Die Substratscheiben werden auf rechteckigen Halteplatten (nicht dargestellt) getragen, welche die Abmessung von annähernd 5x4 Zoll (12,7 x 10,2 cm) aufweisen. Im allgemeinen werden verschiedene Halbleiterscheiben auf jeder einzelnen Halteplatte befestigt, wo aber eine besonders große Substratoberfläche bepflanzt bzw. bespickt werden soll, kann eine Halteplatte auch nur eine einzige Halbleiterscheibe tragen.

Die rechteckigen Haltepäatten sind mit einem Paar von seitlich vorstehenden Ösen an den entgegengesetzten oberen Kanten versehen.

Ein Stoß- bzw. eine Charge von Platten, welche Substratscheiben tragen, wird innerhalb der Auffängerkammer auf zwei in Abstand angeordneten horizontalen Kettentrums (nicht dargestellt) getragen, wobei die Ösen der Halteplatten auf den Ketten ruhen. Die Ketten werden in Stufen angetrieben, und zwar synchron mit dem Antrieb des übrigen Teils des Mechanismus, um die Platten in Aufeinanderfolge nach einer ladestation zu fördern, die in der oberen linken Ecke des Mechanismus, in Fig. 5 gesehen, angeordnet ist.

An dipsar Tiäc^Lation wird eine Platte auf einen Träger ^2 in einer nachföl "ρη<ί beschfie^p""^. V: j.se ^ufpehracht.

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Der Träger 52 sitzt an einem X-Y-Antriebsmechanismus. Die Y-Bewegung wird durch die Bewegung des Trägers 52 selbst auf Haltestäben 53, 54 vorgesehen. Die X-Bewegung ist durch Seitwärtsbewegung der Stäbe 53 und 54 .ihrerseits auf horizontalen Wellen 55, 56 vorgesehen.

Der Y-Antrieb wird von einem Schrittschaltmotor abgeleitet, der eine Welle 57, welche mit dem Träger bzw. Wagen 52 gekuppelt ist, über einen Antriebsmechanisnius mit Seil und Seilscheibe bzw. Seiltrieb (nicht dargestellt) antreibt. Der X-Antrieb, der ebenfalls von einemSchrä-ttschaltmotor abgeleitet wird, wird an einem Rohr 59 zur Einwirkung gebracht, welches zur -Ausführung einer Seitwärtsbewegung von einem .Kreuzarm 58 abgestützt wird, der über Lager 61 auf Wellen 62 getragen wird.

Bei der Beschreibung der Betriebsweise des Mechanismus soll von der Bewegung ausgegangen werden, wenn der Wagen oder Träger· 52 sich in der linken oberen Ecke des in Fig. 5 dargestellten P.ahmenwerks befindet und gerade dabei ist, die Abtastung der Platte, welche automatisch auf den Wagen oder Träger 52 aufgebracht worden ist, mittels des Ionenstrahls zu beginnen. Der X-Antrieb trägt den Wagen 52 mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit hinüber zur rechten Seite des Rahmenwerkes, und es wird ein Schritt des Y-Antriebs ausgeführt, um eine zusätzliche -Bewegung des V/agens 52 nach unten durchzuführen. Der X-Antrieb treibt dann den Wagen zurück nach der linken Seite, wie in Fig. 5 ersichtlich, und ein weiterer zusätzlicher Y-Schritt nach unten erfolgt nach dem X-Antrieb zurück zur rechten Seite. Diese Folge wird wiederholt, bis die ganze Fläche der Platte, die auf dem Wagen 52 sitzt, mittels des Ionenstrahle abgetastet worden ist. Die Anordnung .-ist so getroffen, daß die Platte aus dem Ionenstrahl herauskommt, bevor sie jedes Ende der X-Abtastung erreicht, so daß kein Ruhe- oder Stillst^ndeffekt an den -k'nden des Durchlauf a auftritt,.

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-H-

Bei Beendigung des Abtastvorganges wird der Wagen 52 nach unten in die linke untere Ecke, wie in Fig. 5 ersichtlich, durch den Y-Antrieb bewegt, woraufhin zwei nach unten vorragende Schlitten oder Gleitstücke 63, 64 an ortsfesten Stehbolzen im Rahmenwerk angreifen. Die oberen Enden dieser Gleitstücke 63 und 64 weisen Schrägflächen auf, die mit den Ösen der auf dem Wagen 52 sitzenden Platte in Wirkverbindung kommen, sobald der Wagen 52 sich weiter nach unten bewegt, und die Gleitstücke 63 und 64 heben die Platten durch ihre Ösen aus U-förmigen Schlitzen im Wagen 52, in welchen sie ruhen, heraus. Sobald die Ösen die U-förmigen Schlitze freigeben, gleiten die Platten vom Wagen 52 auf den Schrägflächen der Gleitstücke 63 und 64 auf einen ortsfesten geneigten Schienenweg, der neben dem Rahmenwerk entsprechend angeordnet ist.

Der Y-Antrieb kehrt dann um und treibt den leeren Wagen 52 nach oben in Richtung auf die linke obere Ecke (wie in Fig. 5 gesehen). Während dieses Y-Laufes wird eine nicht dargestellte Zahnstange an der Seite des Wagens 52 durch einen Nocken in eine Betriebsstellung gebracht, so daß die Zahnstange in ein Zahnrad 65 eingreift. Die Drehung des Zahnrades 65 wird über ein Zahnrad 66 auf Finger 67 und 68 übertragen. Die Länge der Zahnstange ist so gewählt, daß eine vollständige Umdrehung diesen Fingern 67 und 68 gegeben wird, die so angeordnet sind, daß sie das obere Ende der Platte ergreifen, welches gerade vom Wagen 52 freigegeben wurde, um es entlang dem Schienenweg in eine Speicherstellung zu bewegen. Wenn die Zahnstange am Wagen 52 ihre Betätigung des Zahnrades 65 vollendet hat, wird sie durch eine weitere IJockenfläche in eine Ruhestellung bewegt.

Sobald die Platte vom Wagen 52 beim Abladevorgang freigegeben ist, werden die Ketten, welche die Platten tragen, die dem Ionenstrahl noch ausgesetzt werden aollen, angetrieben, um die vordere Platte hinauf in eine Ladestation auf

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Schienen zu bewegen, welche dicht an der Startposition in der oberen linken Ecke des in Fig. 5 ersichtlichen Mechanismus liegen.

Sobald der Wagen 52 durch den Y-lntrieb nach oben in die Ladeposition bewegt wird, greift eine Zahnstange 69 am Wagen in ein Ritzel 71 ein und veranlaßt zwei Pinger 72 und 73, sich .zu drehen. Diese Finger, greif en hinter das obere Ende der Platte, welches sich in die Ladestation hinein bewegt hat,- und schieben die Platte nach vorne, so daß sie auf den Wagen 52 fällt, wobei ihre Ösen in die. U-förmigen Ausnehmungen eingreifen, die am Wagen 52 vorgesehen sind. Der T-Antrieb kehrt dann um und bewegt den Wagen 52 nach unten/ bis die Zahnstange 69 außer Vvirkverbindung nit dem Ritzel kommt j und der Wagen 52 befindet sich in der Startposition für die X-I-Abtastung, Die Rückkehrbewegmig der Zahnstange über das Ritzel 71 verursacht eine harmlose Rdckwärts'drehunng der Einger 72 und 73.

Es ist ersichtlich, daß mit der Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine hohe Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit für das Dotieren von Target-Substraten durch die Kombination zweier wichtiger Merkmale erzielt wird, nämlich durch Strahl-Wobblung mit Rückkopplungs-Stabi-.lisierung, damit sich eine konstante Ionenstrahldiehte ergibt, und durch X-Y~Abtastung der Substrate vor dem stationären Ionenstrahl. Das mechanische System zum Abtasten der Targets bzw. Auffänger mittels des Strahles ist vollständig von der Strahl-Steuereinrichtung getrennt, so daß jegliche Kopplung zwischen den X- und Y-Abtastfrequenzen und der Modulation des Ionenstrahls (die sich beispielsweise aus Schwankungen an der Ionen-Meferquelle ergibt) vermieden wird. Dies ist wesentlich, da im Falle irgendeiner solchen Kopplung stehende Wellen sich ergeben und zu einer nicht einheitlißiaen bzw, nicht gleichförmigen Dotierung führen.

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Darüber hinaus ist die Strahlform unwichtig, da eine Summierung wiederholter Einpflanzungen zu einer Glättung von Unregelmäßigkeiten führt.

Um eine fehlerhafte Dotierung von Auffängern bzw. Targets zu vermeiden, ist ein Mechanismus zur Betätigung der Strahl-Anschlagvorrichtung 35 vorgesehen, was automatisch für den Fall geschieht, daß der Ionenstrahl außer Kontrolle geraten sollte. Es ist Vorsorge getroffen, daß der X-Y-.Antriebsmechanismus gestoppt wird, wenn die Strahl-Anschlagvorrichtung 35 betätigt wird und daß der X-Y-Antriebs~ mechanismus wieder gestartet wird, wenn die Strahl-Anschlag vorrichtung 35 weggenommen ist und nachdem der richtige Ionenstrahl wieder hergestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zur Vereinfachung des Steuermechanismus der X-Y-Antrieb nur dann gestoppt, wenn das Ende der X-Abtastung erreicht ist, bei welcher die Strahl-Anschlagvorrichtung 35 betätigt wird. Es kann jedoch Vorsorge dafür getroffen werden, daß sowohl der X- als auch der Y-Antrieb automatisch anhalten und anlaufen, und zwar gleichzeitig mit der entsprechenden Betätigung der Strahl-Anschlagvorrichtung 35.

Die Anordnung dieses Ausführungsbeispiels weist eine Reihe von Vorteilen für die Ioneneinpflanzung von Substraten auf. Insbesondere kann eine große Anzahl von Target-Substraten in einem einzigen Durchgang behandelt werden, so daß der Ausstoß der Vorrichtung auf dem Stand der industriellen Massenproduktion liegt, während gleichzeitig die Probleme der Gleichmäßigkeit der Dosis und der Strahlerhitzung der Substrate gelöst worden sind.

Die Verwendung einer großen Platte zum Abstützen der Substrat-Targets vermindert df*n Strahl-Drwärwungseffekt, ohne die Einpflanzungs- bzw. Implantationsrate zu reduzieren, da sich individuelle Scheiben abkühlen können, während sie sich außerhalb des Strahls befinden. Die große Platte gest^Luot

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außerdem die Implantation einer Probe jeder beliebigen Abmessung bis zu den Plattenabmessungen. Dies ist beispielsweise dann wichtig,, wenn Kerndetektoren großer Fläche (z.B. mit einem Durchmesser von 3 Zoll = 76 mm) dotiert werden.

; Eine automatische Programmsteuerung der X-Y-Bewegungen ermöglicht (a) wiederholte Abtastungen, wenn diese für sehr hohe Dotierungspegel oder beispielsweise für eine aufeinanderfolgende Implantation mit unterschiedlichen Dotierungsmitteln erforderlich sind, und (b) ermöglicht die Kontrolle über Geschwindigkeit der Abtastung und Anzahl der X-Abtastungen pro Streckeneinheit der Y-Bewegung eine Einstellung des Durchsatzes bzw. Ausstoßes der Auffängerkammer. Beispielsweise kann der Durchsatz bzw. Ausstoß erhöht werden, wenn der Verlust an Gleichförmigkeit annehmbar ist. Die automatische Programmsteuerung der X-Y-Bewegung ermöglicht ferner eine Kontrolle über die Größe der Abtastfläche, so daß einzelne kleine Proben für experimentelle Erfordernisse schnell implantiert werden können.

Durch Verwendung einer elektrisch isolierten Auffängerkammer kann der Ionenstrahl beschleunigt werden (bis auf 180 keV insgesamt) oder verzögert werden, damit sich eine präzise Energiekontrolle für die Implantation über einen weiten Bereich ergibt. Falls notwendig, kann die Auffänger-Kammer-Spannung so programmiert werden, daß sich eine Kontrolle des implantierten Profils ergibt, ohne daß es notwendig wäre, den Elektromagneten des Separators einzuregeln. Dazu ist es jedoch wesentlich, daß keine Kopplung zwischen der niedrigen Abtastfrequenz und der hohen Frequenz des Spannungsprogramms vorhanden ist.

Diese Möglichkeit der Prc^rprnrnierung der Auffänger-Kammer-Spannung hat der Planung der Linsengruppe besondere Erfordernisse bzw. Bedingungen auferlegt, um (a) den Verlust von Strahl-Winkel-Definition auf ein Mindon+maß herabzusetzen

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und um (b) sicherzustellen, daß trotz großer Spannungsschwankungen der gesamte, mittels der Strahldefinierungsund -Überwachungsschlitze übertragene Strahl durch eine 1 χ 1-Zoll-Öffnung (25,4 χ 25,4 mm) in der Auffängerkammer hindurchgeht.

Fig. 6 veranschaulicht eine Alternativ-AusfUhrungsform für einen Mechanismus zum Bewegen von Auffängern bzw. Auffangelektroden am Fenster vorbei. Dieser Mechanismus eig net sich insbesondere für spezielle Implantationen, wo eine Trennung gewünschter Ionen von unerwünschten Ionen verhältnismäßig einfach und ein breiterer Massen-Definierungsschlitz annehmbar ist.

So werden beispielsweise Bor-Ionen und in einem gewissen geringeren Ausmaß Phosphor-Ionen ziemlich weitgehend in der Masse aus Verunreinigungs-Ionen bzw. Begleitionen getrennt, die durch Ionenquellen gemeinsam mit Bor- oder Phosphor-Ionen erzeugt werden. PUr eine Implantation soloher Ionen ist es folglich möglich, die Anordnung so zu treffen, daß der Massen-Definierungsschlitz so breit wie die Breite des Target-Substrates ist, welches implantiert werden soll.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, weist eine Auffänger- bzw. Targetkammer ein zylinderisches Gehäuse 81 mit einem Rohr für die Verbindung nach einer Vakuumpumpe auf. Eine rohrförmige Verlängerung 83 eignet sich für die Verbindung mit . dem Vakuumsystem des elektromagnetischen Separators und nimmt eine Linsengruppe in sich auf, welche der in Fig. 2 dargestellten ähnlich sein kann, jedoch ein breiteres Fenster oder einen breiteren Massenbestimmungsschlitz aufweist.

Entlang der Achse des Auffängerkammer-Gehäuses 81 erstreckt sich eine Leitspindel 84, welche von einem Schrittschaltmotor 85 angetrieben wird. Das Antriebsprograinm für

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den Schrittschaltmotor wird durch einen elektronischen Programmierer. 86 gesteuert.

Innerhalb des Auffängerkarnmer-Gehäuses 81 befindet sich ein mehrseitiger Targethalter 87 von allgemein zylindrischer F*rm. Der Targethalter 87 verläuft koaxial zum Gehäuse 81 und wird durch die leitspindel 84 angetrieben. Einer Drehung des Targethalters 87 wirkt normalerweise ein Drehmoment-Widerstandsrohr 88 entgegen, mit welchem der Targethalter 87 verkeilt ist. Der Ta~gethalter 87 kann sich jedoch frei nach oben und unten verschieben, wie durch. Pfeil B angedeutet.

Jede Seite des mehrseitigen Targethalters 87 hat die ' form eines Aufhängers oder Gerüstes /rack/, welches in der Lage ist, eine Reihe von Targets ^oder Auffangelektroden zu tragen, die bei diesem ,'.usführungsbeispiel Waffeln bzw. Plättchen 89 mit einem Durchmesser von 2 Zoll (etwa 50 mm) sind* Zur Vereinfachung der Zeichnung ist nur ein Geetell oder Gerüst dargestellt, welches mit Plättchen gefüllt; iB■>,»■

Die Anordnung ist so getroffen, daß die eine Reihe von Targets bzw. Auffangelektroden, welche am Halter 87 sitzen, mit dem Fenster fluchtet. Der vom Separator herkommende Ionenstrahl ist schematisch bei 91 dargestellt. Die Pfeile C deuten die Abtastbewegung an, die bei diesem Ausführungsbeispiel für eine im wesentlichen gleichförmige Dichte des Ionenstrahls groiS genug ist, damit dieser durch das Fenster hindurchgeht und auf die volle Breite von 2 Zeil (etwa 50 mm) der Plättchen unmittelbar hinter dem Fenster auffällt. Eine Ionenimplantation für eine gleichförmige Dosis für die ganze Reihe von acht Plättchen kann somit durch eine einfache Y-Abtastung sichergestellt werden. In der Praxis wird der Halter 87 in der einen Winkelstellung verschiedene Male hin und her bewegt, so daß die Implantationsdosis mit großer

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Gesamtgleichförmigkeit aufgebaut wird und außerdem eine übermäßige Erwärmung der Plättchen vermieden wird. Ruheoder Stillstand-Effekte werden dadurch vermieden, daß der Halter 87 so eingerichtet wird, daß er die Plättchen vor der Umkehr außerhalb des Ionenstrahls hält.

Nachdem die gewünschte Implantation der einen Reihe von Plättchen ausgeführt worden ist, wird der Halter 87 winklig um einen Teilschritt weitergeschaltet, um die nächste Reihe von Plättchen in Flucht mit dem Ionenstrahl zu bringen.

Der Schrittschaltmechanisrnus weist Pinger 92 und 93 mit damit zusammenwirkenden l'Tockenflächen 94, 95 auf, die am Auffängerkammer-Gehäuse 81 befestigt sind.

Während der Hin- und Herbewegung des Halters 87 für einen Implantierungsvorgang wird der Schrittschaltmotor so programmiert, daß er umKehrt, bevor ein Schrittschaltfinger 92 oder 93 mit der Nockenfläche 94 oder 95 in Wirkverbindung kommt. Am Ende eines Implantationsvorganges wird der Halter 87 nach oben und unten getrieben (je nachdem), bis ein Finger 92 oder 93 mit der Nockenfläche 94 oder 95 in Wirkverbindung kommt. Ss sind nicht dargestellte Mittel vorgesehen, um den Halter zur Ausführung einer Drehbewegung in diesem Moment freizugeben, und die Wirkung der Nockenfläche auf den Finger besteht darin, den Halter 87 zu drehen, bis der nächstbenachbarte Finger zwangsläufig an einer Schulter 96 oder 97 am hocnliegenden Ende der Nockenflächen 94 und gestoppt wird.

Mit dieser besonderen Schrittschaltanordnung sind die Finger 92 am einen Ende etwas gegenüber jenen (93) am anderen Ende zu versetzen. Die Nockenflächen 94 und 95 sind

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entsprechend relativ zueinander zu versetzen. Ferner muß jeder aufeinanderfolgende Schaltschritt an entgegengesetzten Enden des Weges des Halters 87 bewirkt werden, d.h. der Halter muß eine ungerade Anzahl von Hin- und Herbewegungen zwischen jedem Schrittschaltvorgang ausfuhren. Es sei darauf hingewiesen, daß gegebenenfalls auch andere Techniken zum Schrittschalten verwendet werden können, aber die beschriebene Technik hat den- Vorzug der mechanischen Einfachheit.

Setzt man einen Ionenstrahlstrom von 1 mA voraus,

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welcher annähernd 5 χ 10 Ionen/Sekunden entspricht, so wird ein Plättchen von 2 Zoll (50 mm) eine sehr starke Dosis

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von 5 x 10 Ionen/cm bei einer etwa 25 Sekunden dauernden Bestrahlung empfangen.

Wenn man eine Maximalausnutzung des Stromes voraussetzt, sn nimmt eine Reihe von acht Plättchen somit 4 bis Minuten in Anspruch, um bis zu dieser hohen Dosis implantiert zu werden. Eine typische Abtastgeschwindigkeit wäre 5 Zoll (12,7 cm) in 1 Sekunde, was zu verschiedenen Hin- und Herbewegungen führt, die für das Implantieren jeder Reihe erforderlich sind.

Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten des vorbeschriebenen Ausf Uhrungsbeispiels-.beschränkt. Beispielsweise kann Vorsorge getroffen werden, um die Proben durch Strahlung zu erhitzen, wobei großflächige Heizvorrichtungen verwendet werden, welche den Probenplatten zugewandt sind. Alternativ können die Proben auch gekühlt werden, indem vor ihnen große Platten angeordnet werden, welche mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.

Die Erfindung betrifft auch Umänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

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Claims

70 099 Kü/Schin - 22 - ^. SEP. 1970

M .) Vorrichtung zum Beschießen eines Targets, eines Auffängers oder einer Auffangelektrode mit Ionen, bestehend aus einer Ionenstrahlquelle, einem Magneten zum Ablenken des lonenstrahls in Richtung auf ein Fenster, aus einer Einrichtung zum Stabilisieren des lonenstrahls, um den durch das Fenster hindurchgehenden Ionenstrahlstrom im wesentlichen konstant zu halten, sowie aus einem Halter (87) für ein Target bzw. einen Auffänger hinter dem Fenster, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung (52, 53, 54, 55, 56, 57, 59 oder 84, 85), welche dem Targethalter (87) eine kontrollierte Bewegung auferlegt, um das Target mittels des Ionenstrahls entsprechend einem vorbestimmten Abtastmuster abzutasten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Stabilisieren des Ionenstrahls eine Detektorvorrichtung (17,29) aufweist, welche den durch das Fenster (14, 28) hindurchgehenden Jonenstrahlstrom bestimmt, und daß diese Einrichtung ferner eine Steuervorrichtung (21) aufweist, welche auf den Ausgang der Detektorvorrichtung (17, 29) zur Steuerung des lonenstrahls anspricht, um den Ionenstrahlstrom im wesentlichen konstant zu halten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (14, 28) mindestens so breit wie das zu beschießende Target ist und daß die Einrichtung zum Stabilisieren des lonenstrahls den Ionenstrahl so steuert, daß eine im wesentlichen gleichförmige Ionenstrahldichte über die Fläche des Fensters (14, 28) hinweg vorgesehen ist.

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4» Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Targethalter (87) das Target (89) hinter dem Fenster (14, 28) so lokalisiert, daß die Breite des Targets (89) mit der Breite des durch das Fenster (14, 28) hindurchgehenden Ionenstrahls fluchtet, und daß die Antriebsvorrichtung (84, 85) das abgestützte Target (89) in Längsrichtung mit einer kontrollierten Geschwindigkeit am Fenster (14, 28) vorbeibewegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Targethalter (87) so eingerichtet ist, daß er eine Vielzahl von Targe.ts (89) in einer Reihe zu tragen vermag und, wenn ihm die genannte Bewegung übermittelt wird, die Targets (89) in Aufeinanderfolge,mit kontrollierter Geschwindigkeit am Fenster (14, 2.8) vorbeibt-v/egt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5.- dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (84, 85) den Targethalter (S?) hin und her bewegt, derart, daü die Targets (89) wiederholt am Fenster (14, 28) vorbeibewegt werden, wobei die Gesamtlonendosis durch die Anzahl von Hin- und Herbewegungen best iraint wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Targethalter (87) so ausgebildet ist, dau er eine Vielzahl von Reihen von Targets (89) trägt, und daß die Antriebseinrichtung Mittel (92, 93, 94, 95) für das Schrittschalten des Targethalters (87) aufweist,, um eine andere Reihe von Targets (89.) in Flucht mit dem Fenster (14, 28) zu bringen.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Targethalter einen Zylinder mit einer Vielzahl vcn rundherum angeordneten Gerüsten oder Gestellen aufweist und daß jedes Gestell eine Reihe von Targets (89) trägt, die sich parallel zur Achse des Zylinders erstreckt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Targethalter eine- Platte aufweist, die ein großes Target oder eine Vielzahl von kleineren Targets trägt, und daß ein Halter (52) für die Platte vorgesehen ist, welcher durch die Antriebseinrichtung (53, 54, 55, 56, 57, 59) bewegt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung einen X-Y-Antrieb aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (52) so ausgebildet ist, daß er eine von ihm getragene Platte automatisch am Ende eines vollständigen Abtastvorganges freigibt und in die Ausgangsposition für einen weiteren Abtastvorgang zurückkehrt,

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Befestigen einer Vielzahl von Platten, die mit Targets beladen sind, an einer Ladestation vorgesehen ist und Mittel (69, 71, 72, 73) zum automatischen Aufladen einer Platte auf den Halter (52), wenn dieser in die Ausgangsposition zurückkehrt, aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (19) zum Modulieren der Energie des Ionenstrahls vorgesehen ist, derart, daß die durch den Magneten (13) erzeugte Ablenkung sich in Übereinstimmung mit der Modulation ändert, wobei der abgelenkte Ionenstrahl (12) veranlaßt wird, über das Fenster (14, 28) vor- und zurück-

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zuatreichen, und daß die Ionenstrahl-Steuereinrichtung (21), welche auf den Ausgang der Detektorvorriehtung (17, 29) anspricht, die Ionenstrahlenergie-Modulierungseinrichtung (19) so steuert, daß diese das Bestreben hat, den durch'das Fenster (H, 28) hindurchgehenden Ionenstrahlstrom konstant zu halten.

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