DE3025550A1 - Einrichtung zur messung des auf eine messflaeche im vakuum einfallenden ionenstromes - Google Patents

Description

Einrichtung zur Messung des auf eine Messfläche im Vakuum einfallenden Ionenstromes

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung des auf eine Messfläche im Vakuum einfallenden Ionenstromes.

Einrichtungen dieser Art werden bei vielen modernen Geräten, in denen Ionenströme im freien Vakuumraum auftreten, gebraucht. Bei der Behandlung von Oberflächen mit Ionen z.B. ist es wichtig, den Ionenstrom bzw. die Ionenstromdichte (Ionenstrom geteilt durch die Fläche, auf welche der Strom auftrifft) zu kennen, um das Verfahren zielsicher führen zu können. Oft ist auch die Kenntnis der Gesamtzahl der auf eine Fläche einfallenden Ionen - der sogenannten Ionendosis - wichtig, die sich aus dem Ionenstrom durch Integration über die Zeit ergibt. Ein modernes Anwendungsgebiet der Ionenstrommessung stellt die Ionenimplantationstechnik dar. Die physikalischen Eigenschaften der durch Ionenimplantation veränderten Grenzschicht eines Körpers hängen stark von der Ionendosis ab. Die Messung der Ionenstromdichte (A/cm ) kann durch Messung des elektrischen Stromes, der von einer Sonde mit vorgegebener Messfläche, auf welche die Ionen auftreffen, abgeleitet werden kann, erfolgen. Gemäss bisherigem Stand der Technik wurde meist mit Intensitä-

-9 -3 ten der Ionenströme im Bereich von 10 bis 10 Ampere gearbeitet. Wenn als Folge des Ionenbeschusses vor der Messfläche ein Plasma gebildet wird oder diese Sekundärelektronen emittiert, werden für eine genaue

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Messung besondere Vorkehrungen erforderlich. Die Messung wird dann vor allem erschwert durch den Umstand, dass die Sekundärelektronenemission ausser vom Material, aus dem die Messfläche besteht, auch von deren Temperatur und vom Restgasdruck in der Vakuumkammer abhängt. Der Messfehler,' der durch die Sekundärelektronen verursacht wird, besteht im wesentlichen darin, dass durch diese der Ionenstrom scheinbar erhöht wird. Wenn andererseits für die Messung (Integration) eine elektronische Schaltung mit hohem Eingangswiderstand verwendet wird, lädt sich die Messfläche durch die auftreffenden positiven Ionen positiv auf, wodurch die Sekundärelektronenemission teilweise unterdrückt wird, was dann wieder zu einer Verringerung der abgelesenen Ionenstromstärke führt.

Es ist allgemein bekannt, zur Unterdrückung der Wirkung der Sekundärelektronen um die Messfläche herum einen Faradaykäfig anzuordnen. Probleme ergeben sich aber, wenn es z.B. in Produktionsanlagen wegen Platzmangels nicht möglich ist, in der unmittelbaren Nähe der Messfläche Fara-, daykäfige anzubringen. Am einfachsten ist es, eine die Messfläche umgebende Hilfselektrode vorzusehen, welche die Sekundäremission weitgehend unterdrückt, wenn sie genügend negativ vorgespannt ist.

Man weiss ferner, dass ein zur Ionenstromrichtung transversales Magnetfeld in der Grössenordnung von etwa 100 Gauss die Sekundärelektronenemission unterdrücken hilft, sodass unter Umständen auf einen Faradaykäfig oder eine andere Art einer Abschirmelektrode verzichtet werden kann. Bewährt haben sich Magnetfelder, deren Kraftlinien aus der Messflache aus und in diese wieder eintreten, wobei die Sekundärelektronen in dem durch die Kraft!inienbögen über der Messfläche gebildeten "Tunnel" gefangen bleiben bzw. zur Messfläche zurückzukehren gezwungen sind.

Bemerkt sei, dass unter "Messfläche" im Rahmen dieser Beschreibung auch Teile von Oberflächen von Werkstücken oder Substraten verstanden werden können, die mit Ionen behandelt werden, wobei der Ioneneinfall auf die Fläche-gemessen werden soll.

Die oben erwähnten bekannten Einrichtungen sind, wie gesagt, dann nicht anwendbar, wenn unmittelbar vor der Messfläche für grössere Elektroden und Magnete kein Platz vorhanden ist. Dies trifft oft dann zu, wenn die

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Einrichtung zur Messung des Ionenstroms in eine vorhandene Anlage nachträglich eingebaut werden soll.

Messfehler können auch entstehen durch Elektronen, die nicht, wie die Sekundärelektronen, aus der Messfläche stammen sondern aus dem Restgas, das durch den Ionenstrahl teilweise ionisiert wird. Wenn diese "fremden" Elektronen auf die Messfläche gelangen, verringern sie scheinbar den Ionenstrom.

Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Einrichtung anzugeben, mit welcher der auf eine Messfläche in Vakuum auftreffende Ionenstrom mit grosser Genauigkeit gemessen werden kann, indem durch Elektronen verursachte Messfehler vermieden werden, ohne dass unmittelbar neben der Messfläche Magnete angebracht werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Einrichtung gelöst.

Durch die dank der Erfindung jetzt mögliche Anordnung der Magnete in grösserem Abstand vor der Messfläche wird Platz gewonnen, sodass nunmehr auch grössere und stärkere Magnete mit besserer Abschirmwirkung eingesetzt werden können· Ausserdem ist es nun besser möglich, die Halterung der Messfläche beweglich z.B. als rotierende Trommel auszubilden, auf deren Innenseite die zu behandelnden Werkstücke befestigt werden. Schliesslich ist es noch ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung, dass bei Verwendung starker Elektromagnete die etwaige Erwärmung derselben wegen des grösseren Abstandes nicht mehr zu einer so starken Miterwärmung der Werkstücke führt oder diese jedenfalls dank dem vorhandenen Platz durch entsprechende Kühleinrichtungen besser eingedämmt werden kann.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der anliegenden Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt schematisch die Anordnung der für die Messung wesentlichen Teile. Die Anordnung befindet sich in dem Vakuumraum, in dem eine Ionenstrommessung durchzuführen ist, z.B. in einer Ionenimplantationsanlage.

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Die Zeichnung zeigt den Substratträger 1 mit einem daran befestigten Substrat, auf dessen Oberfläche 2 als Messfläche der Ionenstrom aus der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung auftrifft. Mit Abstand vor der Ebene der Messfläche, vorzugsweise in einem solchen Abstand a, dass das Verhältnis a/b - wobei b die kürzeste zur Ioneneinfallsrichtung transversale Erstreckung der Hilfselektrode bedeutet - grosser als 1/3 oder noch besser grosser als 1/2 ist, befinden sich die beiden Magnete 3 (die durch in der schematischen Zeichnung nicht dargestellte Befestigungseinrichtungen in der Vakuumkammer gehalten sind). Die Zeichnung zeigt ferner die Hilfselektrode 5, die sich zwischen der Messfläche 2 und den Magneten 3 befindet. Diese Elektrode 5 kann zweiteilig sein, z.B. aus einer oberen und einer unteren Platte bestehen, wobei beide Platten zusammen den Raum zwischen Magneten und Messfläche wenigstens teilweise umgeben. Die Elektrode 5 kann aber auch Zylindermantelförmig ausgebildet werden und den genannten Raum bis auf etwaige Spalte nahezu vollständig umschliessen. Der kleinste Abstand zwischen den beiden Plattenelektroden oder der Durchmesser der mantelförmigen Hilfselektrode stellt dann die kürzeste zur Richtung des Ioneneinfalls transversale Erstreckung b der Hilfselktrode im Sinne des Anspruchs 2 dar.

Alle Hilfselektroden können entweder freitragend in der Vakuumkammer angeordnet werden oder je nach Gegebenheit im Einzelfalle an den Magneten oder an der Werkstückhalterung oder auch an den Werkstücken selbst befestigt sein. In den letzteren beiden Fällen werden sie mit diesen mitbewegt, wobei eine Vielzahl derselben nacheinander in den Ionenstrahl hineingeführt und behandelt werden können.

Die Zeichnung zeigt noch eine Blende 8, die zweckmässig ist, um die Magnete und die Hilfselektroden gegen Ionenbeschuss abzuschirmen und den Strahlquerschnitt auf die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks zu begrenzen.

Die Magnete 3, die das zur Ioneneinfallsrichtung transversale Magnetfeld erzeugen, können Eisenmagnete sein oder aus keramischen magnetischen Werkstoffen bestehen. In jedem Falle ist dafür zu sorgen, dass die dem aus der Messfläche austretenden Strom von Sekundärelektronen zuge-

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wandte Seite der Magnete eine elektrisch leitende Oberfläche aufweist, was bei Eisenmagneten ohne weiteres gegeben ist oder sonst durch eine metallische Abdeckung 7 erreicht werden kann.

Die Messung des Ionenstromes mit der beschriebenen Einrichtung erfolgt in der Weise, dass die Summe der über die Messfläche und alle Hilfselektroden und Magnete bzw. deren Abdeckungen fliessenden Ströme - unter Beachtung ihres Vorzeichens - ermittelt wird. Die Messung dieser Ströme kann an getrennten Stromableitungen 9 getrennt erfolgen oder dann am einfachsten dadurch, dass diese Ableitungen zusammengeführt werden und mittels eines einzigen Instrumentes 10 der Gesamtstrom gemessen wird.

Ein besonderer Vorteil, den die beschriebene Anordnung bietet, liegt noch darin, dass auch Fremdelektronen, die zusammen mit den Ionen mit Richtung auf die Messfläche zu einfallen, von dieser ferngehalten werden, indem sie durch das mit genügendem Abstand vor der Messfläche befindliche Magnetfeld, wenn dieses stark genug gewählt wird, derart umgelenkt werden, dass sie weder auf die Messfläche noch auf die Hilfselektroden oder die Magnete auftreffen und so die Messung verfälschen können.

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Claims (5)

PATENTANSPR UECHE

1. Einrichtung zur Messung des auf eine Messfläche im Vakuum einfallenden Ionenstromes mit einer auf der Seite des Ioneneinfalls vor der Ebene der Messfläche angeordneten Hilfselektrode und mit Magneten zur Erzeugung eines zur Richtung der einfallenden Ionen transversalen Magnetfeldes gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) dass der Magnet mit Abstand vor der Messfläche angeordnet ist und die Hilfselektrode den zwischen Messfläche und Magneten liegenden Raum wenigstens teilweise umgibt;

b) dass wenigstens die der Messfläche zugewandte Aussenseite des Magneten elektrisch leitend ausgebildet ist;

c) dass eine Vorrichtung zur Messung der über Messfläche, Hilfselektrode und Magneten fliessenden Ströme vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis a/b des Abstandes a der Mittelebene des Magnetfeldes von der Messfläche zur kürzesten transversalen Erstreckung b der Hilfselektrode grosser ist als 1/3.

3. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis a/b grosser als 1/2 ist.

4. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode mit dem Magneten verbunden ist.

5. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennz e i c h η e t, dasss die Hilfselektrode mit der Messflächen-Halterung verbunden ist.

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