DE3034782A1

DE3034782A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer ionenstroemung

Info

Publication number: DE3034782A1
Application number: DE19803034782
Authority: DE
Inventors: Pieter Amsterdam Kruit; Prof. Jan Voorschoten Le Poole
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 1979-09-17
Filing date: 1980-09-15
Publication date: 1981-04-09
Also published as: JPS56112061A; US4500787A; GB2059150A; NL7906913A; GB2059150B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer lonenströmung, bei dem ein Gas durch eine Entladungsöffnung oder ein Entladungsfenster mit einem Durchmesser von höchstens 20 um in eine evakuierte Kammer strömt und mittels eines oder mehreren fokussierten Elektronenstrahlen stromab oder hinter dieser öffnung ionisiert wird; weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein ähnliches Verfahren und eine ähnliche Vorrichtung wurden bereits beschrieben (vgl. T.D. Mark u.a.: "A simple bakeable hollow cathode device for the direct study of plasma constituents", veröffentlich in "The Review of Scientific Instruments", Vol. 43, Nr. 12, Dezember 1972, Seiten 1852 und 1853). Dabei wird angeregt, die Entladung eines zu analysierenden Gases in einem Massenspektrometer durch eine öffnung vorzunehmen, die in einer Molybdänscheibe angeordnet ist und einen Durchmesser von 20 pm besitzt. Stromauf oder vor der mit der Entladungsöffnung versehenen Scheibe und von dieser isoliert sind zwei Ringelektroden vorhanden, über die ein Potential aufgeprägt werden kann, um teilweise das dazwischen strömende Gas zu ionisieren. Stromab oder hinter der mit der Entladungsöffnung ausgestatteten Scheibe ist ein Gitter aus leitendem Material vorgesehen, an das eine Spannung gelegt werden kann, um die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen zu beeinflussen, die durch die Entladungsöffnung entladen sind. Die bereits beschriebene Vorrichtung hat weiterhin eine Einrichtung zum Erzeugen eines oder mehrerer Elektronenstrahlen, wobei der Strahl bzw. die Strahlen auf eine Stelle stromab des Gitters fokussiert sind, während die durch das Gitter geschickte Gasströmung an dieser Stelle ionisiert wird. Die so erhaltene Ionenströmung wird zu einem

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Massenspektrometer geleitet, in dem eine Analyse der Ionen bewirkt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer lonenströmung mit hoher Strahldichte und enger oder schmaler Energieverteilung (höchstens einige Elektronenvolt) anzugeben.

Die Strahldichte einer mit der Strahlungsdichte in der Lichtoptik vergleichbaren lonenströmung ist der Strom je Flächeneinheit und je Raumwinkeleinheitc Die Strahldichte kann durch dis folgende Gleichung beschrieben werden:

^K" SÄ

I = Strom (A),

ο
S = Oberflächenbereich (cm ),

_/L = Raumwinkel (rad).

Die Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, daß eine lonenströmung mit einer hohen Strahldichte nach dem Ionisieren eines dichten Gasstromes innerhalb eines sehr kleinen Bereiches mittels eines Elektronenstrahles mit einer hohen Stromdichte erzielt werden kann.

Das Verfahren und die Vorrichtung, die in der oben erwähnten Literaturstelle beschrieben sind, beschäftigen sich tatsächlich mit dem Erzeugen einer lonenströmung durch Ionisieren einer Gasströmung mittels eines Elektronenstrahles; sie sind jedoch nicht geeignet, eine lonenströmung mit hoher Strahldichte zu liefern.

In der bereits beschriebenen Vorrichtung verläuft nämlich

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die von der Entladungsöffnung entladene Gasströmung durch ein erstes Gitter und wird lediglich danach ionisiert. Da die entladene Gasströmung kegelförmig ist, wird deren Durchmesser stromab oder hinter dem Gitter, d.h. an einer Stelle, wo die Ionisation erfolgt, bereits beträchtlich größer als unmittelbar stromab oder hinter der Entladungsöffnung an sich. Damit ist der lonisationsbereich nicht sehr klein,, und die übertragene Strahldichte ist folglich nicht sehr hoch,

Eine hohe Strahldichte kann jedoch tatsächlich aufgeprägt werden, wenn das Ionisieren der Gasströmung an einer Stelle erfolgt, in der der Durchmesser der Strömung am kleinsten ist, d.h. unmittelbar stromab oder hinter der Entladungsöffnung, Ein derartiges Ionisieren ist möglich, wenn das Gitter weggelassen wird. Zusätzlich können die Elektroden stromauf oder vor der Entladungsöffnung in gleicher Weise weggelassen werden, da es nicht erforderlich und sogar unerwünscht ist, einen Teil des Gases schon vor dessen Entladung zu ionisieren.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, also das Erzeugen einer Ionenströmung mit hoher Strahldichte und schmaler Energieverteilung, wird somit beim eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ionisation unmittelbar stromab oder hinter der Entladungsöffnung durchgeführt wird.

Weiterhin zeichnet sich zur Lösung der oben genannten Aufgabe eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Ionenströmung, wobei die Vorrichtung aufweist eine erste Kammer, in die ein Gas gespeist werden kann oder in der ein Dampf erzeugt werden kann, eine zweite Kammer, die evakuierbar ist, eine Wand, die die erste Kammer von der zweiten Kammer trennt und eine Entladungsöffnung mit einem Durchmesser von höchstens 20 um besitzt, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines oder mehre-

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rer Elektronenstrahlen, die auf die zweite Kammer fokussiert sind, erfindungsgemäß dadurch aus, daß der Brennpunkt des Elektronenstrahles bzw = der Elektronenstrahlen in unmittelbarer Nähe der Entladungsöffnung liegt.

Aufgrund von Plasma- und Raumladungseffekten steigt die Strahldichte einer erfindungsgemäß erzeugten Ionenströmung an, wenn der Bereich, in dem die Ionisation bewirkt wird, kleiner ist, d.h. wenn der Durchmesser der Gasströmung kleiner wird. Dies kann erreicht werden, indem ein sehr kleiner Durchmesser für die Entladungsöffnung vorgesehen wird. Eine extrem kleine Entladungsöffnung führt jedoch auch zu einer sehr geringen Strömung, die ihrerseits unerwünscht ist. Durch langwierige Versuche hat sich gezeigt., daß optimale Bedingungen erzielt werden, wenn eine Entladungsöffnung mit einem Durchmesser kleiner als 10 pn, z.B. mit einem Durchmesser von 5 Jim, vorgesehen wird.

Um eine ausreichend hohe Strahldichte zu erreichen, ist es erforderlich, daß eine relativ hohe Druckdifferenz über der Entladungsöffnung hervorgerufen wird. Versuche haben gezeigt, daß Ergebnisse erzielbar sind„ indem eine Druckdifferenz in der Größenordnung von einigen Zehnteln eines bars, z.B. 0,2 bar, angeregt wird.

Zum Ionisieren der Gasströmung unmittelbar stromab der Entladungsöffnung kann ein stark fokussierter Elektronenstrahl verwendet werden, obwohl auch mehrere Elektronenstrahlen einwirken können, wobei alle diese Strahlen auf die Gasströmung unmittelbar stromab der Entladungsöffnung gerichtet sind. Die Ionisation der Gasströmung mittels eines oder mehreren Elektronenstrahlen kann durch einen Leuchteffekt begleitet werden. Dieser Leuchteffekt kann zum Einstellen des Elektronenstrahles bzw. der Elektronenstrahlen verwendet werden»

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Insofern als die erzeugten Ionen mittels eines eher starken elektrischen Feldes abgeführt werden müssen, sollte der Elektronenstrahl kleine Abmessungen in der axialen Richtung besitzen, uriAe klein zu halten. Folglich ist es wichtig, einen Elektronenstrahl mit einer hohen Stromdichte zu erzeugen.

Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Entladungsöffnung verwendet, die in einer Platinfolie vorgesehen ist, die eine der Wände eines relativ kleinen Behälters bildet. Dieser kleine Behälter (einige cm ) kann einfach erwärmt werden, wodurch es möglich ist, gewöhnlich feste Substanzen, wie z.B. Natriumchlorid, zu verdampfen und dessen Entladung in einem gasförmigen Zustand durch die Entladungsöffnung zu bewirken.

Wenn eine Ionenströmung I eine hohe Strahldichte und eine schmale Energieverteilung besitzt, kann diese Strömung I mittels elektrostatischer oder magnetischer Linsen in einen kleineren Bereich fokussiert werden, als dies bei einer Ionenströmung mit einer geringeren Strahldichte möglich wäre. Der durch Fehler einer elektrostatischen oder magnetischen Linse verursachte Disperionseffekt bei einer zu fokussieren-. den Ionenströmung wird nämlich kleiner, wenn die Strahldichte der zu fokussierenden Strömung höher und deren Energieverteilung schmaler ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, einen sehr schmalen Ionenstrahl mit einem relativ hohen Strom mittels elektrostatischer oder magnetischer Linsen zu erzeugen, wodurch die Ionen auf einen sehr kleinen Bereich konzentriert werden können. Ein derart schmaler Ionenstrahl kann verwendet werden, um Selektivionen zu implantieren d.h. Ionen an vorbestimmten Stellen einer Oberfläche zu implantieren, oder um Material durch Ätzen mittels Ionen abzutragen, ohne eine Schablone zu benötigen, so daß die Herste1lungsschritte zum An-

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legen einer Schablone vermieden werden. Ein derart schmaler Ionenstrahl kann auch benutzt werden, um selektiv ein strahlungsempfindliches Maskiermaterial zu bestrahlen. Es hat sich gezeigt, daß zahlreiche strahlungsempfindliche Materialien eine merklich höhere Empfindlichkeit für Ionen als für Elektronen besitzen. Wenn der einwirkende Ionenstrahl sehr schmal ist, und wenn aufgrund der größeren Masse der Ionen die Dispersion der Ionen merklich geringer als die Dispersion der Elektronen ist, kann ein abprupter übergang zwischen behandelten und unbehandelten Bereichen erzielt werden, der beispielsweise von hoher Bedeutung bei der Herstellung mikroelektronischer Bauteile ist.

Die Erfindung sieht also ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Ionenströmung vor, wobei ein Gas durch eine Entladungsöffnung mit einem Durchmesser von höchstens 20 um in eine evakuierte Kammer strömt und das Gas mittels eines oder mehreren fokussierten Elektronenstrahlen stromab dieser öffnung ionisiert wird; erfindungsgemäß erfolgt dabei die Ionisation unmittelbar stromab der Entladungsöffnung.

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Claims

PAT E N TA N WA LT E

KLAUS D. KIRSCHNER WOLFGANG GROSSE

DIPL.-PHYSIKER

DiPL.-INGENIEUR

ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPAISCHEN PATENTAMT

NEDERLMfDSE CENTRALE ORGÄNISATIE HERZOG-WILHELM-STR. 17

VOOR TOEGEPAST NATÜURWETENSCHAPPELIJK D-8 MÜNCHEN 2

ONDERZOEK Den Haag / Niederlande

IHR ZEICHEN: YOUR REFERENCE:

unser zeichen: N 3915 K/dp

OUR REFERENCE:

DATUMSs.september 1980

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Ionenströmung

Ansprüche

Π .) Verfahren zum Erzeugen einer Ionenströmung , bei dem ein Gas durch eine Entladungsöffnung mit einem Durchmesser von höchstens 20 um in eine evakuierte Kammer strömt und mittels eines oderer mehrerer fokussierter Elektronenstrahlen stromab der öffnung ionisiert wird,

dadurch gekennzeichnet , daß die Ioniesation unmittelbar stromab der Entladungsöffnung bewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsöffnung einen Durchmesser kleiner als 10 pn aufweist»

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der Entladungsöffnung der Druck des Gases in der Größenordnung von 10 bar liegt.
4. Vorrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahles nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer ersten Kammer, in die Gas einspeisbar ist, einer zweiten Kammer, die evakuierbar ist, einer Wand, die die erste Kammer von der zweiten Kammer trennt und eine Entladungsöffnung mit einem Durchmesser von. höchstens 20 pm besitzt, und einer Einrichtung zum Erzeugen eines oder mehrerer Elektronenstrahlen, die in die zweite Kammer fokussiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt des Elektronenstrahls bzw. der Elektronenstrahlen in unmittelbarer Nähe der EntladungsÖffnung liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsöffnung einen Durchmesser kleiner als 10 pm besitzt.
6. Verfahren zum selektiven Implatieren von Ionen, zum Ätzen mittels Ionen oder zum Bestrahlen eines strahlungsempfindlichen Materials mit Ionen, bei dem eine lonenströmung in einem sehr kleinen Bereich der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes mittels elektrostatischer und/oder magnetischer Linsen konzentriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenströmung nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 erhalten wird.

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