DE2239284A1 - Verfahren zur steuerung der bestrahlung einer probenoberflaeche - Google Patents

Description

Patentanwalt
Dipl.-Ing. Walter Jaeklsch

7 Stuttgart N. Menzelstraße40

Western Electric Company ( A 33 107 - de )

Incorporated ■ Den - Aug. 1972.

New York, N.Y. 10007

Verfahren zur Steuerung der Beffr^oi

strahlung Probenoberfläche

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bestrahlung einer Probe in einem hochenergetischen Ionenstrahl eines Ionenbeschleunigers, speziell . ein,' .' Verfahren zur · Positionierung der bestrahlten Probe in bezug auf den Ionenstrahl,

Bei bekannten Ionenbeschleunigern wird der Ionenstrahl üblicherweise durch magnetische oder elektrostatische Ablenkfelder so gerichtet, daß er auf einem gewünschten Bereich der Oberfläche üer* als Zielobjekt dienenden Probe auftrifft. Die Ablenkeinrichtung kann so programmiert werden, daß jede gewünschte Verteilung der Strahlungsdosis auf der Probenoberfläche erreicht werden kann. Jedoch erzeugen Fehler in der Ablenkeinrichtung oder in der momentanen Position des Strahlers, die beispielsweise durch Spannungsschwankungen in der Energieversorgung, durch Störfelder oder sonstige Störungen in der Anlage hervorgerufen werden können, Fehler in der Bestrahlung bzw. der Verteilung der Bestrahlungsdosis auf der Probe, die schwierig zu überwachen oder sogar schwer zu entdecken sind.

Wenn die Bestrahlung einer speziellen Stalle auf der Probe über eine ausreichende Zeit aufrechterhalten wird, die eine mechanische Abtastung erlaubt, -was speziell bei Ionen-Implantationen der Fall ist- so liegt eine Alternative zum oben beschriebenen Vorgehen darin, die Probe zu bewegen und den Ionenstrahl stationär zu halten. In diesem Falle kann eine bekannte Vorrichtung zur XY-VerSchiebung, also zur Verschiebung in zwei aufeinander senk« recht stehenden Richtungen, zur Lagerung der Probe benutzt werden und kann die geeignete Verschiebung oder Bewegung der Probe automatisch gesteuert werden..Ein geeignetes Programm zur XY»Verschi®~

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bung in einer vorgegebenen Weise wird der Vorrichtung eingegeben. Auch in einem solchen Falle jedoch werden Fehler hinsichtlich der angenommenen Position des Ionenstrahles nicht entdeckt.

In beiden genannten Fällen muß die Bestrahlungszeit bei einer gegebenen Position des Ionenstrahles auf der Basis der angenommenen transportierten Ladung errechnet werden. Diese Rechnung wird häufig sehr mühsam für komplexe vielfältige Implantationen. Außerdem müssen Mittel zur Steuerung des Ionenstrahlstromes vorgesehen werden. Weitere Komplikationen entstehen,wenn mehr als eine Ionenquelle benutzt wird.

Die genannten Schwierigkeiten bei der überwachung und Steuerung eines Ionenbeschleunigers werden zumindest weitgehend durch das erfindungsgemässe Verfahren zur Steuerung der Bestrahlung einer Probe mit einem hochenergetischen Ionenstrahl in einem Ionenbeschleuniger beseitigt. Das erfindungsgemässe Verfahren, bei welchem die Probe in einer ersten Stellung dem Ionenstahl ausgesetzt wird, so daß der Strahl einen ersten Bereich der Probe erfasst, wonach die Probe relativ zum Ionenstrahl verschoben wird, um einen zweiten Bereich der Probe dem Ionenstrahl auszusetzen, wobei die Verschiebung in Abhängigkeit von einer Messung der Bestrahlung des ersten Bereiches der Probe abhängig ist, zeichnet sich hierzu dadurch aus, daß die Ionenbestrahlung durch die Feststellung der Anzahl der bei der Probe ankommenden Ionen gemessen wird. Besonders vorteilhaft wird die Steuerung des Beschleunigers dadurch erreicht, daß die Bestrahlungsdosis direkt an der Probe gemessen wird und die hierbei gewonnenen Meßdaten Mittel zur automatischen Positionierung der Probe oder des Zielobjektes relativ zum Ionenstrahl zugeführt werden. Letzteres wird mit besonderem Vorteil durch eine Verschiebung des Probenträgers erreicht, während der Strahl stationär gehalten wird.

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Dadurch werden Fehlermöglichkeiten hinsichtlich der Position des Ionenstrahles minimiert. Die Position des Zielobjektes oder der Probe kann sehr genau durch einen präzisen Folgesteuerungsmechanismus erreicht werden, welcher die Position des Zielobjektes oder der Probe elektrisch überwacht. Korrekturen der Probenposition werden dabei unmittelbar vom endgültigen Parameter aus, nämlich der Strahlungsdosis, gesteuert, so daß Berechnungen der Bestrahlungszeiten und die genaue überwachung des Ionenstrahlstromes unnötig werden.

In einer bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung wird der Ionenstrom, wie er an der Probe gemessen wird, integriert und in der Form digitaler Impulse kodiert. Die Impulse werden von äner Digitiereinrichtung erfasst und gezählt, welche einen Generator für die Steuerbefehle zur XY-Verschiebung aktiviert, der seinerseits den zur Einrichtung für die XY-Verschiebung der Probe gehörenden Positionierungskreis steuert. Die Probe wird schrittweise in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Zahl von Digitalimpulsen weiterbewegt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung'ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Erläuterung anhand der Zeichnung*

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines beispielsweisen Steuerkreises zur Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schichtträgers in einer Anordnung zur transversalen inhomogenen Bestrahlung,

Fig.j5A

Fig.j5F Diagramme zur Veranschaulichung der Bestrahlungsprofile in Bewegungsrichtung des Schichtträgers aus Fig. 2.

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line beispielsweise Anordnung zur Durchführung des erfindungs- gemässen Verfahrens iet in Flg. 1 dargestellt. line zu bestrahlende Probe 10 ist auf einem in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen (vgl· Pfeile) verschieblichen Probenhalter 11, also einer Vorrichtung zur sogenannten XY-VerSchiebung, befestigt· Die Vorrichtung mit der Probe 10 ist in einem nicht naher dargestellten Iionenbeschleuniger Üblicher Bauart angeordnet, so dal die Probe 10 einem Ionenstrahl (schematisch bei 12 angedeutet) ausgesetzt ist. Der verschlebliche Probehalter 11 wird durch nicht näher dargestellte mechanische Elemente bekannter Bauart gesteuert und bewegt die Probe in zwei auf der Strahlrichtung senkrecht stehenden Richtungen. Die Verschiebung dee Probenhalters 11 erfolgt dabei in Abhängigkeit von elektrischen Signalen, die von XY-Steuerkreisen IJ erzeugt werden. Die mechanische Bewegung oder Verschiebung des Probenhalters 11 kann durch vielfältige Mittel herbeigeführt werden, beispielsweise angetriebene Stellschrauben in der X- und Y-Richtung. line vorherbestimmtes Programm für die XY-Verschiebung in Übereinstimmung mit dem gewünschten Bestrahlungsmuster auf der Probenoberfläche aktiviert die XY-8teuerkreise 15 mittels Steuerbefehlen von einem Befehlegenerator l4. Der Befehlsgenerator 14 spricht seinerseits auf Taktimpulse einer Digitiereinrichtung 15 an. Die Digitiereinrichtung 13 ist von an sich be kannter Bauart und integriert den über die Verbindung 16 vom Zielobjekt oder der Probe 10 kommenden analogen Strom und quantisiert die Ladung als digitale Impulse, von denen jjeder einer kurzen Be strahlungszeit der Probe 10 durch den Ionenstrahl 12 entspricht. Die Digitiereinrichtung kann beispielsweise ein auf eine Spannung ansprechendes Element 17 enthalten (in Fig. 1 schematisch als Voltmeter dargestellt, üblicherweise wird Jedoch ein Vergleicher benutzt), welches die Spannung zwischen Platten eines Kondensators 18 erfasst. Wenn der Kondensator 18 durch eine Einheit der Strahlungsdosis aufgeladen wird, so löst das auf Spannung ansprechende Element 17 einen digitalen Impuls eines nicht näher dargestellten Stromstossgenerators aus, der seinerseits den entsprechenden Steuerbefehl des Befehlsgenerators 14 auslöst. Die in Abhängigkeit vom Ionenstrom erzeugte Impulsfrequenz kann in geeigneter Weise durch eine Anpassung der Auslösespannung des Elementes 17 variiert werden. Wenn das spannungsempfindliche Element 17 einen Impuls

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auslöst, so wird der Kondensator 18 gegen Erde entladen und dadurch in seine Ausgangsstellung für die nächste Zahlung gebracht,

Ss sind viele andere Ausführungsformen der Digitiereinrichtung 15 bekannt, welche die dargestellte und beschriebene Einrichtung 15 in ihrer vergleichsweise einfachen Punktion ersetzen können·

Der Befehlsgenerator 14 für die XY-Verschiebung kann einfach ein Programm gespeicherter Signale sein, welche durch die Impulse der Digitiereinrichtung 15 abgefragt werden. Der Programmspeicher kann auf elektrischer, magnetischer, optischer oder sonstiger Basis arbeiten und stellt hinsichtlich seines Aufbaues keinen Teil der Brfindung dar.

Die Kombination der elektrischen XY-Steuerkrei se IjJ und der mechanischen Mittel zur Verschiebung des Probenhalters 11, auf welchem der Schichtträger befestigt ist, ist vorteilhaft als Folge-steuerungssystem ausgebildet und kann entweder analog oder digital betrieben werden. Ih einer bevorzugten Ausführungsform wtlat das System zusätzliche. Mittel zur Erfassung und Steuerung der Jeweiligen momentanen Position des Probenhalters 11 auf und vergleicht diese Position mit der vorbestimmten Position, so daß mechanische Fehler bei der Ausführung der Steuerbefehle zur Xy-Verschiebung des Probenhalters 11 sofort erfasst und korrigiert werden können. Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung ist schematisch durch einen bei 20 angedeuteten Positionsfühler verdeutlicht. Der Fühler kann elektrisch oder optisch (z.B. mittels Laserstrahlen) arbeiten, wobei die die momentane Stellung des Probenhalters 11 enthaltende Information einem Vergleicher 21 zugeführt wird. Der Vergleicher 21 vergleicht die momentane Position mit der vom Befehlsgenerator I^ vorgeschriebenen Position und zeigt den XY-Steuerkreisen 13 gegebenenfalls erforderliche Korrekturen an.

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Die . PositionsfUhler 20 sind beispielsweise mit Vorteil als lineare Widerstände ausgebildet, welche entlang der X- und Y-Achse angeordnet sind. Die die momentane Position des Probenhalters 11 enthaltende Information besteht dann,in zwei Widerstandswerten, welche die Koordinaten der Position des Probenhalters 11 wiedergeben« Gleichzeitig mit den Steuerbefehlen für die XY-3teuerkreise 13 gibt de^Befehlsgenerator 14 die im Programm vorbestimmte Position des Probenhalters 11 in den Vergleicher 21 ein· Diese Information kann ebenfalls In einem Wert für einen elektrischen Widerstand liegen, welcher dann in einer Brückenschaltung mit der Information über die momentane Position verglichen wird. Jedes Ungleichgewicht erzeugt ein Signal (beispielsweise positiv für positive Fehlerabweichung und negativ für negative Fehlerabweichung auf der X-Achse und entsprechende Signale, positiv nach oben und negativ nach unten, für die Y-Achse), welches dem entsprechenden Steuerkreis 13 eingegeben wird und dessen Fehlerkorrektur auslOst.

Die beschriebene Steuerung ist sehr vielseitig und kann vorteilhaft für viele Verwendungszwecke einer Ionenbestrahlung benutzt werden« Ohne weiteres können damit Fehlerabweichungen der Bestrahlung von maximal einem halben Prozen*»t erreicht werden, wobei ein runder Strahl von einem Zentimeter Durchmesser und Verschiebungsschritte der Probe von 0,6 mm Länge verwendet werden; die Größe der insgesamt bestrahlten Probenfläche spielt dabei keine Rolle. Diese Parameter können in weiten Grenzen noch geändert werden, jeweils in Abhängigkeit von dem gewünschten Ergebnis bzw. der gewünschten Genauigkeit· Bs ist normalerweise vorteilhaft, die Querschnittefläche des Strahles im Vergleich zur Schrittweite groß zu wählen. Dadurch wird eine erhebliche Überlappung bei jedem Schritt erreicht, welche bei einem runden Strahlquerschnitt für die Gleichförmigkeit der Bestrahlung wesentlich ist.

Die erfindungsgemäsae Steuerung kann bei Bedarf ebenfalls dazu verwendet werden, die Bestrahlungsdichte bzw. Strahlungsdosis in Verschieberiohtung des Schichtträgers bzw. der Probe 10 zu variieren. In Querrichtung verlaufende Profilierungen der Be-

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Strahlungsdichte und damit einhergehende Verschieden große Ände- ■. rungen der Eigenschaften des bestrahlten Materials sind bei der Herstellung bestimmter Halbleiteranordnungen von Interesse. Von aktuellem Interesse sind etwa ladungsgekuppelte Vorrichtungen (charge coupled devices), welche in machen Fällen eine örtlich begrenzte Einführung von Änderungen der Fremdatomdichte in Querrichtung im Ladungsspeiehermedium des Halbleiters zur Grundlage haben.

Änderungen der Bestrahlungen in Querrichtung können mit dem erfindungsgemässen Verfahren auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß die Verschiebung des Probenhalters 11 in derjenigen Richtung, in welcher die Änderung erwünscht wird, beschleunigt wird. Das Maß der Änderung kann durch Verwendung einer geeigneten öffnung in kleineren Flächen als der Querschnittsfläche des Ionenstrahles gesteuert werden· Sine solche Anordnung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Der Schichtträger 30 kann in der durch Pfeil angegebenen Richtung gegen die öffnung der Maske Jl und damit gegen den Ionenstrahl 32 verschoben werden. Die Breite w der öffnung kann gegebenenfalls jedoch auch dem Strahldurchmesser entsprechen. Ein Bezugspunkt auf der X-Achse (X=O) entspricht der Lage der Vorderkante der öffnung in der Maske 31 und wird im folgenden bei der Erläuterung von mit solchen oder ähnlichen Anordnungen erreichbaren Strahlungsprofilen als Bezugspunkt verwendet.

Verschiedene Bestrahlungsprofile, welche in speziellen Anwendungsfällen etwa Änderungen oder Gradienten der Fremdatomdichte in Querrichtung entsprechen können, sind in den Fig. 2A bis 3F zeichnerisch dargestellt. In den Fig. 3A bis 3B sei angenommen, daß ein Schichtträger 30 ohne Maske 31 verwendet werde. Die Verwendung einer Maske 3I vor dem Schichtträger 3I erlaubt die Erzeugung scharfer Bestrahlungsränder, wie in Fig· 3F dargestellt ist.

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Pig. JA ist eine grafische Darstellung der Bestrahlung in X-Rlchtung, in welcher der Schichtträger mit konstanter Geschwindigkeit über eine Strecke verschoben wurde, welche dem dreifachen der Öffnungsbreite w entspricht. Pig. 3B ist eine ähnliche Darstellung für eine gleichförmige Verschiebung des Sohichtträgers, jedoch nur über eine der doppelten Öffnungsbreite ( 2 w) entsprechenden Strecke. Die Darstellung in Fig. 3C zeigt das Bestrahlungsprofil, welches erhalten wird, wenn der Shichtträger über eine der doppelten Öffnungsbreite (2 w) entsprechende Strecke beschleunigt wird; Fig. 3D zeigt eine entsprechende Darstellung, wenn die Verschiebung verzögert wird. Fig. 3E zeigt das Ergebnis einer ungleichförmigen Verschiebung, bei der der Schichtträger über die Strecke w beschleunigt und anschließend über dieselbe Strecke verzögert wird.

Das in Fig. 3F dargestellte Profil kann entweder durch eine Abdeckung des Schichtträgers 30 mit einer öffnung für den Strahl 32 von der Breite w erreicht werden oder durch die Verwendung einer Maske 3I* die relativ zum Schichtträger 30 und zum Ionenstrahl 32 bewegt wird. Im letzteren Fall ist eine Verschiebung des Schichtträgers 30 nicht erforderlich. Hier muß jedoch die Bewegung oder Verschiebung an der Maske 3I überwacht und gesteuert werden, was jedoch in analoger Weise wie vorstehend zur Steuerung des Probeträgers 11 beschrieben, unter Anwendung auf die Maske geschehen kann.

Die in den Fig. 3A bis 3F gezeigten Profile deuten die Variationsmöglichkeiten an, welche erfindungsgemäss erreichbar sind. Dabei ist jede Bewegung des Schichtträgers relativ zum feststehenden Ionenstrahl in hohem Maße kontrolliert. Die Anordnung kann für ungleichförmige Bestrahlungen programmiert werden und ergibt dabei sehr genaue und reproduzierbare Profile.

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Claims (1)

1. Western Electric Company ( A 33 107 - de )

   Incorporated . -» · Den g

   New York, N.Y. 10007

   Patentansprüche:

   Verfahren zur Steuerung der Bestrahlung einer Probe durch einen hochenergetischen Ionenstrahl in einem Ionenbeschleuniger, wobei die Probe in einer ersten Stellung dem Ionenstrahl ausgesetzt wird, so daß ein erster Bereich auf der Probenoberfläche bestrahlt wird, wonach die Probe relativ zum Ionenstrahl verschoben wird, und ein zweiter Bereich auf der Probenoberfläche bestrahlt wird, wobei der Verschiebungsschritt in Abhängigkeit von der Messung der Bestrahlung des ersten Bereiches der Probe vorgenommen wird, da-» durch gekennzeichnet, daß die Ionenbestrahlung durch Erfassung der Anzahl der auf die Probe (10) auftreffenden Ionen gemessen wird.

   2· Verfahren zur Steuerung der Bestrahlung einer Probe durch einen hochenergetischen Ionenstrahl in einem Ionenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Programm vorgenommen wird, welches die Strahlungsdosis der Position der Probe (10) zuordnet.

   3, Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die momentane Position der Probe (11) erfasst und mit der vom Programm vorgegebenen Position verglichen wird und daß jede Abweichung durch ein Verschieben der Probe (10) korrigiert wird·

   4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (10) durch die Öffnung einer Maske (3I) duroh-bestrahlt wird,und ein Verschieben der Probe (10) bezüglich'der Maske (3I) zu Änderungen in der Bestrahlung der Probe (10) in Richtung der Verschiebung führt.

   5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (31) verschoben wird.

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