DE2552783A1

DE2552783A1 - Verfahren und anordnung zur erzeugung von ionen

Info

Publication number: DE2552783A1
Application number: DE19752552783
Authority: DE
Inventors: Myron F Uman; James R Winnard; Harold F Winters
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-11-25
Publication date: 1976-08-12
Also published as: FR2293055A1; CH587562A5; CA1039860A; SE402672B; IT1042770B; JPS5165299A; BR7507901A; GB1497913A; NL7513431A; FR2293055B1; SE7511786L; DE2552783B2; ES443060A1; US3924134A; JPS5318677B2

Description

Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Ionen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von Ionen durch Aufrechterhalten einer Bogenentladung in einer Hei zdrahtkainner, welche ein reaktionsträges Gas enthält und mit einer zweiten eine chemisch aktive Gasatmosphäre enthaltenden Kammer in Verbindung steht.

Ionenquellen mit heisser Kathode und Lichtbogen werden schon viele Jahre lang verwendet. Ihr Nutzen ist aber oft wegen der relativ kurzen Lebensdauer des Heizdrahtes begrenzt. Die Lebensdauer wird durch folgende Vorgänge verkürzt: Sprühen, Verdampfen des Wolfram-Materials, reaktives Verdampfen von flüchtigen Stoffen wie Wolframoxyd

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und der Einschluss von Fremdstoffen wie Bor in das Wolfram-Kristallgitter. Die letzten zwei Vorgänge spielen sich im Beisein chemisch aktiver Gase am Heizdraht ab.

Es ist verschiedentlich versucht ivorden, den Heizdraht einer Ionenquelle von den chemisch aktiven Gasen zu isolieren. So wird in einer bekannten Anordnung eine weitere Kammer nach der Ionisation verwendet, welche durch eine Oeffnung mit der Kammer des Heizdrahtes in Verbindung steht. Der Heizdraht ist von Edelgas umgeben und aus dieser Umgebung gelangt ein Plasmastrahl in die andere Kammer. Darin A\^rirkt das Plasma mit einem Dotierungsgas oder Dämpfen eines festen Stoffes zusammen und erzeugt einen vorwiegend aus Ionen bestehenden Strom der Grössenordnung von 25 μΑ. Es können also in der zweiten Kammer Ionen chemisch aktiver Elemente erzeugt werden, welche die Lebensdauer des Heizdrahtes nicht beeinträchtigen. Diese bekannte Ionenquelle erzeugt aber nur ein einziges Plasma und unterhält in der zweiten Kammer keine weitere Bogenentladung. Das einzige Plasma der ersten Kammer wird lediglich dazu verwendet, in der zweiten Kammer das Dotierungsgas oder die Dämpfe zu ionisieren.

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Die Aufgabe vorliegender Erfindung bezweckt eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer einer Ionenquelle. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, wie im Kennzeichen des Patentanspruchs angegeben.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also eine Ionenquelle vorgesehen, die eine Heizdrahtkammer und eine Ionisationskammer enthält. Die Heizdrahtkammer ist mit einem trägen Gas gefüllt, während in die Ionisationskammer Dotierungsgas oder -dampf eingebracht ist, so daß chemisch aktive Ionen nicht auf den Heizdraht einwirken.

Dies trägt wesentlich zur Erhöhung der Lebensdauer bei. Andererseits wird durch Anwenden einer Niedrigspannung-Bogenentladung in der trägen-Gas-Atmosphäre der Heizdrahtkammer ein Zersprühen weitgehend ausgeschaltet, was ebenfalls zur Lebensdauererhöhung beiträgt. Die kleine Öffnung zwischen Heizdrahtkammer und Ionisationskammer ist dabei in Weiterentwicklung der Erfindung vorteilhafter Weise sowohl mit dem Heizdraht als auch mit der Entnahmeöffnung der Ionisationskammer in Ausrichtung gebracht.

Weiterhin sind in Weiterbildung der Erfindung Maßnahmen dafür getroffen, daß unabhängige und nicht miteinander gekoppelte Entladungen in jeder der beiden Kammern stattfinden können.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, wenn ein axial gerichtetes Magnetfeld parallel zur Verbindungslinie zwischen Heizdraht kleiner Öffnung und Entnahmeöffnung angelegt wird. Andere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen in Form zweier Ausführungsbeispiele eingehend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Längsschnitt der Doppelkammer-Ionenquelle gemäß vorliegender

Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer abgeänderten Doppelkammer-

Ionenquelle.

Die Doppelkammer-Ionenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine zylindrische Heizdrahtkammer 10, die am einen Ende im wesentlichen durch eine Platte 12 mit einer zentralen Öffnung 14 abgeschlossen ist. Die zylindrischen Wände der Heizdrahtkammer 10 sind mit Hohlräumen 16 zur Kühlung versehen, durch welche ein geeignetes Kühlmittel fließen kann. Die Hohlräume 16 sind in Fig. 1 nur schematisch dargestellt und können in der Wirklichkeit alle möglichen anderen Formen aufweisen. Beispielsweise könnte die Heizdrahtkammer einfach doppelwandig ausgeführt sein und für die Zirkulation des Kühlmittels einen ringförmigen

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Hohlraum aufweisen. Das Kühlmittel kann dem Hohlraum 16 über eine der Zuleitungen 3 8 zugeführt werden, die an jede geeignete Kühlmittelpumpe anschliessbar sind. In der Kanuner 10 ist ein Heizdraht 20 aus Wolfram oder ähnlichem Material zentral angeordnet. Er wird von zwei elektrischen Leitern 22 getragen, deren Enden durch einen Querbügel 24 aus Isoliermaterial gestützt sind.

Die Ionisationskammer 26 ist zylindrisch und am einen Ende offen. Sie ist koaxial zur Heizdrahtkammer 10 angeordnet. Eine Platte 28 mit einer Oeffnung 30 ist am Ende der Heizdrahtkammer 10 befestigt und die Ionisationskammer 26 ist mittels eines Isolationsringes 32 an dieser Platte 28 angebaut. Am anderen Ende der Kammer 26 ist mittels eines weiteren Isolationsringes 36 eine Auslassplatte 34 angebracht. Diese Platte 34 ist mit einer Auslassöffnung 38 für die Kammer 26 versehen, welche Oeffnung sich auf der Aussenseite zu einem konischen Auslass 40 aus\s^reitet. Ein Durchlass 42 erstreckt sich durch die Platte 34 hindurch und steht mit dem Innern der Ionisationskammer 26 in Verbindung. Der Durchlass kann dazu benutzt werden, der Ionisationskammer ein Dotierungsgas zuzuführen. Es sind hiezu lediglich an

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der Aussenseite geeignete Leitungen am Durchlass 42 anzuschliessen und die Verbindung mit der Gasversorgung herzustellen.

Ein zylindrisches Gehäuse 44 umschliesst die Doppelkammer-Ionenquelle vollständig und ist am Umfang mit einer ringförmigen Nut 46 versehen, in welcher eine Magnetspule 48 angeordnet ist. Die Heizdrahtkammer 10 ist im Gehäuse 44 durch einen Isolierring 50 zentriert, der eine Anzahl Durchlassöffnungen 52 aufweist. In ähnlicher Weise zentriert ein weiterer Isolierring 54 die Ionisationskammer 26 im zylindrischen Gehäuse 44. Auch dieser Ring 54 weist eine Anzahl Durchlassöffnungen 56 auf. Die Auslassplatte 34 mit der Auslassöffnung 40 ist durch einen Ring 58 am Gehäuse 44 befestigt. In diesem Ring 58 befinden sich ein oder.mehrere Durchlassöffnungen 60, an welche eine geeignete Vakuumpumpe angeschlossen werden kann. Ein weiterer Isolierring 62 ist aussen auf einem Flansch 64 am Ende des zylindrischen Gehäuses 44 unter Verwendung beliebiger, geeigneter Befestigungsmittel festgemacht. Durch diese Armatur kann die Doppelkammer- Ionenquelle in ein übliches Ionenimplantationsgerät eingebaut werden. Das Gerät selbst und dessen Entnahmeelck-

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troden, die in die Nähe der Ocffnung 3S, 40 zu liegen kommen, sind hier nicht abgebildet, da diese Einzelheiten nicht zur vorliegenden Erfindung gehören.

Das andere Ende des Gehäuses 44 ist durch eine kreisrunde Platte 66 abgeschlossen, die in jeder geeigneten Weise am Gehäuse 44 festgemacht werden kann. Zwischen der Platte und dem Gehäuse 44 kann zivecks Dichtung ein Ring oder ein anderes geeignetes Mittel eingesetzt werden, um das Vakuum im Gehäuse aufrechtzuerhalten.

Die Heizdrahtkammer 10 und die Ionisationskammer 26 sind aus nicht-magnetischem, elektrisch leitendem Material gefertigt. Die Heizdrahtkammer ist über eine Zuleitung 70 mit einer geeigneten Spannungsquelie verbunden und eine weitere Zuleitung 72 verbindet auch die Ionisationskammer elektrisch mit einer passenden Spannungsquelle. Die Zuleitung 70 durchquert die Endplatte 66 durch eine Oeffnung und ist von ihr mittels einer Hülse 74 isoliert. Aehnlich ist auch die Zuleitung 72 durch die Platte 66 geführt und von ihr mittels der Hülse 76 isoliert. Die Zuleitung 72 durchdringtauch den Zentrierflansch 78 an der Heizdrahtkammer

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in einer Oeffnung und ist darin mittels der Hülse 80 -isoliert. Die elektrischen Leitungen 22 sind mittels Hülsen 82 von der Endplatte 66 ebenfalls isoliert. Alle Hülsen 74, 76 und 82 sind luftdicht ausgeführt, so dass das Innere des Gehäuses 44 unter reduziertem Druck gehalten werden kann. Die Zuleitungen 18 für das Kühlmittel können aus nachgiebig elastischem Material bestehen, das mittels Pressitz in Oeffnungen der Endplatte 66 luftdicht eingefügt ist. Schliesslich befindet sich in der Platte eine Oeffnung 84 für die Zufuhr eines Edelgases in das Gehäuse 44. Von aussen kann ein geeigneter Anschluss an die Oeffnung 84 hergestellt werden, um diese mit einer passenden Gasversorgung zu verbinden.

Beim Betrieb der Doppelkammer-Ionenquelle wird durch die .Oeffnung 84 ein reaktionsträges Gas wie beispielsweise Argon, Helium oder Wasserstoff in das Gehäuse 44 geleitet. Da die Heizdrahtkammer 10 einseitig offen ist, dringt das Gas in die Heizdrahtkammer ein. Darin wird nun eine Bogenentladung bei geringer Spannung unterhalten. Eine weitere Entladung bei höherer Spannung wird in der Ionisationskammer in Gang gesetzt, wobei ein Dotierungsgas oder Dampf in diese eingeführt

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wird, Kelche Bor-, Phosphor-, Arsen-, Antimon- oder ähnliche Ionen abgeben können. Die ganze Ionenquelle wird von einem axialen Magnetfeld durchsetzt, das parallel zur Linie Heizdraht 20, Oeffnungen 14 und 30 zwischen den zwei Kammern und Auslassöffnung 38 verläuft. Elektronenstrahlen aus der Heizdrahtkammer werden dazu verwendet, die Entladung in der Ionisationskammer aufrechtzuerhalten. Um das Maximum der Ionisation des Dotierungsdampfes oder -gases zu erreichen, müssen die Elektronen in der Ionisationskammer Energien aufweisen, \ielche durch die der Kammer angelegte Spannung bestimmt werden, nämlich etwa 100-150 eV. Für diesen IVert erreicht die Wahrscheinlichkeit der Ionisation für die meisten Gase ein Maximum.

Das in der Heizdrahtkammer verwendete reaktionsträge Gas sollte unter den typischen Betriebsbedingungen wenig Sprühwirkung auslösen und die Wirkung der thermischen Austrittsarbeit des Heizdrahtes nicht erhöhen. Dieses Gas soll auch chemisch nicht mit dem heissen Draht reagieren und dabei flüchtige Verbindungen erzeugen. Es soll auch nicht durch Eindringen in das Kristallgitter des Ileizdrahtmaterials diesen Draht zerstören und darf auch nicht die Kennwerte

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der Ionenquelle beeinträchtigen, wenn davon eine kleine Menge durch die Oeffnung 30 in die Ionisationskammer gelangt. Die Bogenspannung soll in der Heizdrahtkammer zur Ilerabminderung der Sprühwirkung so klein als möglich gehalten werden, jedoch gross genug, um genügend Elektronen für die Ionisationskammer zu liefern. Der Grund zur Erzeugung einer Bogenentladung in der Heizdrahtkammer, statt beispielsweise eine Hochvakuum-Elektronenkanone zur Lieferung der Elektronen für die Ionisationskammer zu verwenden, liegt darin, dass bei Bogenentladung der Heizdraht in einem Bereich mit begrenzter Temperatur und niedriger Spannung betrieben werden kann. Die Energie der Ionen, welche auf den Heizdraht prallen, ist meistens durch die Bogenspannung bestimmt. Die beiden Oeffnungen 14 und 30 zwischen den beiden Kammern sollten so klein gehalten werden, dass die zwei Plasmas nicht miteinander gekoppelt sind.

Das aktive Gas der Ionisationskammer kann vom Heizdraht dadurch isoliert werden, dass der Druck des reaktionsträgen Gases in der Heizdrahtkammer hoch genug erhalten wird, damit es durch die Oeffnung 14, 30 hindurch in die Ionisationskammer dringt. Es verhindert in dieser Weise das Eindringen des

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chemisch aktiven Gases in die Kammer des Heizdrahtes. An den Oeffnungen 60 kann zudem eine Vakuumpumpe angeschlossen werden, die trotz allem in den äusseren Raum diffundierte Moleküle des aktiven Gases rasch abzupumpen erlaubt. Die Pumpgeschwindigkeit, welche für diese Art Betrieb benötigt wird, hängt von der Grosse der Oeffnung 14, 30 ab. Für einen Oeffnungsdurchmesser von 1 mm ist schätzungsweise eine Pumpgeschwindigkeit von 1000 l/s wünschbar, wodurch in der Heizdrahtkammer ein Druckanteil des aktiven Gases von weniger als .10 Torr erreicht wird. Werden die Wände der Heizdrahtkammer 10 durch ein Kühlmittel, das über eine Zuleitung 18 zugeführt wird, abgekühlt, dann wird sich ein Dotierungsgas, das durch die Oeffnung 14, 30 gedrungen ist, an den Wänden der gekühlten Kammer niederschlagen. Dadurch wird eine schädliche Beeinflussung des Heizdrahtes durch das aktive Gas verhindert.

Fig. 2 zeigt schematisch eine andere Anordnung, in der die zylindrischen Wände 110 die Heizdrahtkammer und die Wände 126 die Ionisationskammer darstellen. Ein Heizdraht 120 ist in der ersten Kammer angeordnet und elektrisch an eine Spannungsquelle V-... angeschlossen. Die eine Oeffnung aufweisende

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Platte 112 zwischen der Ionisations- und der Heizdrahtkammer ist mit einer Spannungsquelle V verbunden und

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damit auf derselben Spannung gehalten wie die Kammerwände 110. Die eine Ocffnung aufweisende Trennplatte 112 ist von den zylindrischen Wänden 110 getrennt. Dadurch, dass beide auf demselben Potential gehalten werden, ergibt sich eine oszillierende Elektronenentladung. Die zylindrischen Wände 126 der Ionisationskammer sind an eine Spannungsquelle V. angeschlossen und die Abschlussplatte 134 mit der Auslassöffnpng 138 an eine Spannungsquelle V, . Die elektrischen Anschlüsse der Kammern von Fig. 1 und Fig. 2 sind dieselben ausser, dass in Fig. 1 die Spannung V, wegfällt. Durch die Verbindung der Ionisationskammer mit einer eigenen Versorgungsquelle für die Bogenentladung wird ein zweites Plasma erzeugt, das vom Plasma der Heizdrahtkammer unabhängig ist. Die Elektronen aus der Heizdrahtkammer, welche in die Ionisationskammer eindringen, unterhalten dieses zweite Plasma und ionisieren das Dotierungsgas oder den Dampf in der Kammer. Die Ionen werden der Auslassöffnung 138 in der üblichen Weise entnommen.

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PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Erzeugung von Ionen durch Aufrechterhalten einer Bogenentladung in einer Heizdrahtkammer, welche ein reaktionsträges Gas enthält und mit einer zweiten eine chemisch aktive Gasatmosphäre enthaltenden Kammer in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrom von der ersten in die zweite Kammer gerichtet und das in letzterer enthaltene Gas ionisiert wird, ferner daß in der zweiten Kammer eine getrennte Bogenentladung unterhalten und ein Plasma erzeugt wird, dem Ionen entnehmbar sind.

Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Isolation (32, 36, 54) der Wandung der zweiten Kammer (26) sowie durch eine elektrische Zuleitung (72), die mit dieser Wandung in Verbindung steht und das Anschließen einer Spannungsquelle (V.) zwischen Heizfaden (20) und Wandung erlaubt, ferner durch eine Magnetspule, die zu den beiden genannten Kammern konzentrisch angeordnet ist.

Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kammern von einem Gehäuse (44) umgeben sind, daß das Gehäuse mit einem Durchlaß (84) ausgerüstet ist, um darin eine vorgegebene Atmosphäre zu erzeugen, ferner daß das Innere der ersten Kammer (10) mit dem Innenraum des Gehäuses (44) in Verbindung steht, daß ein weiterer Durchlaß (42) zur Beschickung der zweiten Kammer (26) mit flüchtigen Stoffen vorgesehen ist und daß schließlich Mittel (16, 18) zur Kühlung der ersten Kammer vorhanden sind.

Anordnung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußplatte (134) der zweiten Kammer von ihrer Wandung (126) isoliert angeordnet und durch eine weitere Spannungsquelle (V, ) gegenüber dem Heizdraht (120) mit Spannung belegt ist.

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