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Oberflächenbehandlungsverfahren und -vorrichtung
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Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Oberflächenbehandlungsverfahren
unter Verwendung von Ionen und eine Oberflächenbehandlungsvorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens. Das erfindungsgemäße Oberflächenbehandlungsverfahren dient insbesondere
zur Abscheidung von Dünnschichten auf der Oberfläche des zu behandelnden Materials,
zum Einbau von Verunreinigungssubstanzen in das Material (Implantation) oder zur
Oberflächenbearbeitung des Materials, beispielsweise zum Abtragen, Ätzen, Polieren
oder dgl.
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Bisher hat man hauptsächlich Naß-Verfahren zur Oberflächenbehandlung,
beispielsweise Elektroplattieren, Elektropolieren, chemisches Ätzen oder dgl., eingesetzt.
In letzter Zeit wurden Oberflächenbehandlungsverfahren zur trockenen Behandlung
von Oberflächen, insbesondere zum Beschichten, Ätzen oder dgl., in einer Atmosphäre
von niedrigem Gasdruck oder in einer Hochvakuumatmosphäre entwickelt.
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Beispielsweise wurde in jüngster Zeit ein Verfahren entwickelt1 um
verschiedene Materialien auf ein Substrat dadurch abzuscheiden, daß man die abzuscheidenden
Materialien ionisiert und beschleunigt, um ihnen eine kinetische Energie zu erteilen,
und um sie dadurch in der Art einer Bestrahlung auf das Substrat zu richten, um
dadurch eine Dünnschicht auf dem Substrat abzuscheiden oder p-leitende oder n-leitende
Schichten auf einem Halbleiter zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird auch ein
Verfahren
eingesetzt, bei dem verschiedene Materialien ionisiert werden, um die Materialien
in ein Substrat einzubauen.
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Bei diesem Verfahren wird eine geeignete Vorrichtung, beispielsweise
eine Ionenimplantationsvorrichtung, eine Ionenstrahl-Plattierungsvorrichtung, eine
Ionenplattierungsvorrichtung oder dgl., eingesetzt. Bei der Ionenimplantationsvorrichtung
werden Kationen von einer Ionenquelle erzeugt, durch eine negative Beschleunigungsspannung
an einer Beschleunigungselektrode aus der Kationenquelle abgezogen, durch ein Fokussierungslinsensystem
in einen Kationenstrahl fokussiert, und durch eine geeignete Ablenkeinrichtung,
beispielsweise Ablenkelektroden, einstellbare Elektroden, Massenspektral-Separatoren
oder dgl., auf ein Substrat gerichtet. In der Ionenstrahl-Plattierungsvorrichtung
werden Elektronen auf ein in einer evakuierten Atmosphäre verdampftes Material gerichtet,
um das Material zu ionisieren. Dann werden die Ionen beschleunigt und treffen auf
das Substrat zusammen mit neutralen Teilchen auf, um dadurch eine Dünnschicht auf
dem Substrat abzuscheiden. Bei der Ionenplattierungsvorrichtung wird eine Dünnschicht
auf einem Substrat in ähnlicher Weise wie bei der Ionenstrahl-Plattierungsvorrichtung
abgeschieden mit der Ausnahme, daß eine Plasmaatmosphäre verwendet wird. Die erwähnten
Trocken-Oberflächenbehandlungsverfahren unter Verwendung der erwähnten Vorrichtungen
basieren auf dem Prinzip, daß wenigstens eines der Elektronen der äußeren Elektronenschale
aus dem Atom entfernt wird, um ein Kation zu bilden. Die Bildung von Kationen wird
im wesentlichen dadurch erreicht, daß man Elektronen mit einer Energie oberhalb
des Ionisationspotentials auf das Atom oder das Molekül auftreffen läßt. Dieses
Verfahren kann in einer Hochvakuumatmosphäre oder in einer Plasmaatmosphäre unter
Ausnutzung der Gasentladung durchgeführt werden.
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Kationen, die eine positive elektrische Ladung haben, und die in der
oben beschriebenen Weise hergestellt sind, werden dann durch eine negative Beschleunigungsspannung
im elektrischen Feld beschleunigt. Bei der Durchführung. dieser herkömmlichen
Verfahren
hat jedoch die elektrische Ladung der Kationen einen nachteiligen Effekt, insbesondere
dann, wenn der Kationenstrom eine höhere Stromdichte hat. Wenn insbesondere eine
Dünnschicht auf einem Substrat, beispielsweise auf einem isolierenden Material oder
auf einem Halbleiter abgeschieden wird, sammelt sich die elektrische Ladung des
abzuscheidenden Materials während der Abscheidung an, so daß stellenweise winzige
Funkenentladungen stattfinden. Dadurch wird die Qualität der Dünnschicht nachteilig
beeinflußt, die auf dem Substrat abgeschieden wird. Auch wird das Abscheiden einer
Dünnschicht erschwert, weil die später abzuscheidenden Kationen aufgrund der abstoßenden
Kraft der elektrischen Ladung von den Substrat abgelenkt werden. Diese Schwierigkeit
tritt auch bei den herkömmlichen Oberflächenbearbeitungsverfahren auf. Daher müssen
bisher zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um die Raumladung in der Flugbahn,
auf der die Kationen zu dem Substrat fliegen, zu entfernen. Man hat beispielsweise
einen Draht angebracht, um die Raumladung und damit die entsprechenden Schwierigkeiten
zu vermeiden.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Oberflächenbehandlung
ist es wichtig, einen großen Materialstrom aus Ionen durch eine möglichst geringe
Beschleunigungsspannung bzw. Beschleunigungsenergie zu transportieren. Der Ionenstrom
i ist das Produkt aus der Raumladungsdichte g der Ionen und der Fluggeschwindigkeit
p derselben, d.h. i = g 9 . Wenn daher i groß und 9 klein ist, wird Q extrem groß,
so daß die Raumladungseffekte der Ionen eine große Schwierigkeit bedeuten. Beispielsweise
stoßen die Kationen sich gegenseitig ab, so daß kein Ionenstrahl erzeugt werden
kann. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, werden bisher bei der Oberflächenbehandlung
mit Teilchenstrahlen verschiedene Maßnahmen, beispielsweise die Neutralisation der
Kationen durch Elektronen, erforderlich.
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Anionen, die ebenfalls zur Oberflächenbehandlung benutzt werden
können,
werden dadurch erzeugt, daß ein Elektron an ein elektrisch neutrales Atom oder Molekül
angefügt wird. Dazu kann man beispielsweise neutrale Atome durch eine Elektronenwolke
hindurchschicken, deren Elektronen eine kinetische Energie haben, die geringer ist
als das Ionisationspotential, und deren Elektronen eine hohe Dichte haben. Die Bildung
von Anionen auf diesem Wege hängt jedoch stark von der Affinität zwischen dem Atom
und dem Elektron ab. Neuerdings hat man gefunden, daß, wenn eine Gasentladung in
einer Cäsiumdampfatmosphäre durchgeführt wird, Cäsiumionen auf die Innenwand eines
Gehäuses, welches eine Plasmaatmosphäre enthält, auftreffen und Atome aus dem Material
der Innenwand herausschlagen, wobei diese Atome dann in die Plasmaatmosphäre hineinfliegen,
wobei sie mit hohem Wirkungsgrad und großer Lebensdauer negativ ionisiert werden.
Aufgrund dieses Phänomens hat man einen Anionengenerator in der Art eines Magnetrons
entwickelt, der mit Cäsiumdampf arbeitet. Ferner hat man einen Anionengenerator
entwickelt, bei dem das Phänomen ausgenutzt wird, daß, wenn Cäsiumkationen auf ein
Targetmaterial (Plättchen) in einer ochvakuumatmosphäre auftreffen, das Targetmaterial
in die Atmosphäre fliegt, wobei das Targetmaterial negativ ionisiert ist aufgrund
der Wechselwirkung zwischen dem Targetmaterial und den Cäsiumkationen, die an der
Oberfläche des Targetplättchens haften.
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Solche Anionengeneratoren können beispielsweise dazu benutzt werden,
um aus negativen Ionen aus schwerem Wasserstoff schnelle Neutronen zu erzeugen,
um Fusionsplasma aufzuheizen oder um als Tandem-Beschleuniger zur Erzeugung mehrwertiger
Kationen aus den Anionen von Li, O, C oder dgl. durch einen Isotopenwandler zu dienen.
Solche Generatoren werden jedoch noch nicht zur Erzeugung von Anionen aus solchen
Materialien verwendet, die sich zur Oberflächenbehandlung, beispielsweise zur Ionenplattierung,
Ionenimplantation, zum Ionenätzen und dgl. und zum Erzeugen von Dünnschichten eignen.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Oberflächenbehandlungsverfahren
und eine Oberflächenbehandlungsvorrichtung anzugeben, wodurch der Wirkungsgrad bei
der Behandlung mit Ionen erhöht und ein großer Ionenstrom mit Hilfe einer verhältnismäßig
geringen Beschleunigungsspannung transportiert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren in der
in dem ersten Verfahrensanspruch gekennzeichneten Weise ausgebildet, während die
erfindungsgemäße Vorrichtung im ersten Vorrichtungsanspruch gekennzeichnet ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.
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Bei der Erfindung werden die nachteiligen Effekte der Raumladungen,
die sich bei den herkömmlichen Verfahren ausbilden, weitgehend vermieden, weil gleichzeitig
ein Strahl aus negativen Ionen und ein Strahl aus positiven Ionen auf das Substrat
auftreffen. Dieses Prinzip ist vorteilhaft bei der Ionenplattierung, Ionenimplantation,
Ionenhetzung und der Abscheidung von Dünnschichten auf Substraten mit Hilfe von
Ionenstrahlen, d.h. bei all den Verfahren, bei denen sich Raumladungen aufbauen
können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden
Zeichnung beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles
der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsvorrichtung; FigO 2 eine schematische
Darstellung eines Hauptteiles eines weiteren Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen
Oberflächenbehandlungsvorrichtung; und Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung
des Konzentrationsprofils
des eingebauten Materials bei der herkömmlichen
Ionenimplantation.
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Bei der Erfindung wird eine Kationenquelle und eine Anionenquelle
unabhängig voneinander verwendet, wobei es sich dabei um Ionengeneratoren handelt,
um die Kationen bzw. die Anionen separat voneinander zu erzeugen. Die Kationen und
die Anionen, die in den jeweiligen, separaten Generatoren erzeugt werden, werden
zu einem Kationenstrahl bzw. einem Anionenstrahl durch geeignete Beschleunigungselektroden-Anordnungen
und Fokussierungselektroden-Anordnungen gebündelt, die in der Kationenquelle und
der Anionenquelle untergebracht sind. Die Achsen des Kationenquellensystems und
des Anionenquellensystems werden mechanisch aufeinander ausgerichtet, so daß die
Flugbahnen des Kationenstrahls und des Anionenstrahls auf einem einzigen Substrat
zusammentreffen können, um dadurch das Substrat gleichzeitig mit Kationen und Anionen
zu bestrahlen. Zusätzlich ist wenigstens ein Massenspektral-Separator in jeder Flugbahn
der Ionen in Kombination mit den Beschleunigungs- und Fokussierungselektroden-Anordnungen
vorgesehen, um die Ionen auf ihren Flugbahnen elektromagnetisch so abzulenken, daß
Kationen und Anionen gleichzeitig auf das Substrat auftreffen. Der Massenspektral-Separator
kann für beide Ionenquellensysteme gemeinsam benutzt werden, wobei man Kationen
und Anionen in den Separator von gegenüberliegenden Seiten desselben hier einführt,
um die Ionen miteinander zu vermischen und den gemischten Ionenstrahl in einer Richtung
senkrecht zu den Richtungen abzugeben, in denen die Ionen in den Separator eingeführt
wurden.
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Bei der Erfindung ist es nicht in jedem Fall erforderlich, die selben
Mengen an Kationen und Anionen zu verwenden. Insbesondere können bei der Erfindung
die elektrischen Gesamtladungen der Ionenstrahlen, die auf das Substrat abgestrahlt
werden sollen, beschränkt sein, um Schwierigkeiten aufgrund von Raumladungseffekten
zu
vermeiden. Bei der Erfindung können auch die elektrischen Restladungen dazu ausgenutzt
werden, daß die elektrischen Ladungen der Ionenstrahlen ihre filmbildende Funktion
mit hohem Wirkungsgrad erfüllen können, ohne daß Schwierigkeiten aufgrund von Raumladungseffekten
auf treten Ferner ist es für die Erfindung nicht kritisch, daß man dieselben Materialien
als Kationen und Anionen verwendet. Es ist möglich, Kationen und Anionen aus verschiedenen
Materialien herzustellen, um Verbindungen auf einem Material herzustellen, um Ionen
in die Oberflächenschicht eines Substrates einzubauen oder um den Effekt der Ionenätzung
auf der Oberfläche eines Substrates zu erhöhen. Darüber hinaus kann bei der Erfindung
als Material für die Kationen oder Anionen ein reaktives Material, beispielsweise
0, N, F, Cl oder dgl. verwendet werden, welches mit der Oberfläche des Substrates
reagiert, um dadurch die Abscheidung oder Implantation von Oxydschichten, Nitritschichten
oder dgl. zu erzielen. Alternativ ist es möglich, Kationen und Anionen zu verwenden,
die aus verschiedenen aktiven Materialien erzeugt worden sind, um ein reaktives
Ätzen auf einer Substratoberfläche zu erzielen.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahrens
und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Dabei wird als
Beispiel ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbauen (Implantation) von Bor
in ein Substrat aus Silicium (Si) unter Verwendung positiver und negativer Ionen
des Bors beschrieben. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Implantation
von Bor beschränkt.
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Oberflächenbehandlungsvorrichtung
nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Ionenquelle 60, eine Kationenquelle
70 und ein einziges Substrat 22 vorgesehen ist, das zwischen den beiden
Quellen
liegt und von beiden Quellen gemeinsam beschossen wird.
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Die Anionenquelle 60 weist einen Ionengenerator 1 auf, in dem eine
Casium-DampfdtmosphAre herrscht. Der Ionengenerator 1 gibt Cs+-Ionen ab, wenn die
Anodenspannung und der Strom für den Heizdraht an den Generator von einer Spannungsquelle
2 und einer Heizstromquelle 3 angelegt werden. Die auf diese Weise erzeugten Cs+-Ionen
werden aus dem Generator 1 durch eine negative Beschleunigungsspannung abgezogen,
die an eine Beschleunigungselektrode 4 angelegt wird Die Cs -Ionen werden durch
ein Fokussierungs-Linsensystem zu einem Cs+-Strahl 7 fokussiert, wobei das Fokussierungs-Linsensystem
aus der Beschleunigungselektrode 4 und den Elektroden 5 und 6 besteht.
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Die Beschleunigungsspannung, die an die Beschleunigungselektrode 4
angelegt wird, wird von einer Beschleunigungsspannungsquelle 8 geliefert. Die Elektrode
6 ist ebenfalls an die Spannungsquelle 8 angeschlossen, so daß sie auf demselben
Potential wie die Beschleunigungselektrode 4 gehalten wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
wird, um die Cs -Ionen aus dem Generator 1 abzuziehen und um den Cs+-Ionenstrahl
7 zu bilden, der Generator 1 auf Erdpotential gehalten, und es wird eine Beschleunigungsspannung
von -25KV an die Beschleunigungselektrode 4 angelegt, um den Cs -Ionen eine kinetische
Energie von 25KeV zu erteilen. Die Elektrode 5, die das Fokussierungs-Linsen-(Einzellinsen-)System
zusammen mit der Beschleunigungselektrode 4 und der Elektrode 6 bildet, erhält eine
Spannung, die etwas kleiner als die Spannungen der Elektroden 4 und 6 sind, von
einer Fokussierungs-Spannungsquelle 9 Der Cs+-Ionenstrahl 7 wird durch Einstellung
der an die Elektrode 6 angelegten Spannung gesteuert. Der Cs+-Ionenstrahl 7, der
gut fokussiert ist und die der Beschleunigungsspannung entsprechende kinetische
Energie hat, trifft auf ein Sputter-Plättchen 10 (Target) auf, das zur Erzeugung
von B--Ionen aus dem Element Bor oder seiner Verbindung LaB6 besteht. Bei dem Ausführungsbei
spiel wurde LaB6 als Material für das Plättchen 10 verwendet.
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Das durch den auftreffenden Cs+ -Ionenstrahl abgesputterte Bor wird
durch die Wechselwirkung mit dem Cs, welches an der Oberfläche des Plättchens sitzt,
in B--Ionen umgewandelt, und diese B -Ionen werden danach durch eine kleine Öffnung
11, die in dem mittleren Bereich des Plättchens 10 gebohrt ist, durch eine Anionen-Beschleunigungselektrode
12 abgezogen. Um Anionen abzuziehen, ist es gewöhnlich erforderlich, eine hohe positive
Spannung an die Anionen anzulegen. In diesem Zusammenhang werden bei dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung das Plättchen 10 und die Beschleunigungselektrode 4 auf einer negativen
Hochspannung gehalten, so daß die Verbindung der Anionen-Beschleunigungselektrode
12 mit Erde es ermöglicht, daß eine positive Hochspannung von 25Kv auf die B--Ionen
wirkt.
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Die Beschleunigungselektrode 12 bildet ein zusätzliches Fokussierungslinsen-(Einzellinsen-)System
zusammen mit den Elektroden 13 und 14, um die B--Ionen zu fokussieren. Eine Fokussierungs-Spannungsquelle
15 liefert Potentiale mit gleichem Niveau an die Elektroden 12 und 14 und liefert
ein etwas geringeres Potential an die Elektrode 13 als an die Elektroden 12 und
14, so daß aus den B -Ionen ein B--Ionenstrahl 16 gebildet wird. Zusätzlich ist
eine Ablenkelektrode 17 vorgesehen, um die Flugrichtung des B--Ionenstrahls 16 zu
steuern. Eine Ablenkspannungsquelle 18 liefert die erforderliche Ablenkspannung
an die Ablenkelektrode 17. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein
elektrostatisches X-Y-Ablenksystem, wie es bei herkömmlichen Kathodenstrahlröhren
verwendet wird, als Ablenkelektrode 17 verwendet. Die Ablenkelektrode 17 dient dazu,
die Flugrichtung des B -Ionenstrahl 16 zu steuern, so daß der Ionenstrahl durch
einen Schlitz 19 in einen Massenspektral-Separator 20 eingeführt wird. Der Separator
20 kann den B -Ionenstrahl 16 in eine Richtung unter einem Winkel von 600 zu der
Richtung, in der der Ionenstrahl ankommt, ablenken, so daß der Ionenstrahl durch
einen Schlitz 21 auf ein einziges Substrat 22 aus Silicium auftreffen kann. Das
Substrat wird
von einem Substrathalter 23 gehalten und ist geerdet.
Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel LaB6 als Material für das Plättchen 10 verwendet
wird, um die B--Ionen zu erzeugen, ist der Massenspektral-Separator 20 um nur den
B--Ionenstrahl ausfiltern und ihn in die gewünschte Richtung abzulenken. Es ist
daher ersichtlich, daß die Verwendung des Separators 20 von den Anwendungsfällen
oder von dem Targetmaterial des Plättchens 10 abhängt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel wird als Ionengenerator 1 ein Ionengenerator
mit geschlossenem Feld, einer Heiß-Kathode und Impulsartikelerzeugung der Elektronen.
Der Ionengenerator 1 hat eine rohrförmige Anode 24, die in axialer Richtung angeordnet
ist, und eine Drahtspule 25, die konzentrisch um die Anode 24 herum angeordnet ist,
um ein orthogonales, elektromagnetisches Feld aus dem Magnetfeld, das in axialer
Richtung durch den Gleichstrom zum Aufheizen der Drahtspule 25 erzeugt wird, und
einem elektrischen Feld zu bilden, welches durch die Anode 24 erzeugt wird, wobei
die Felder senkrecht aufeinanderstehen. Dem lonengenerator 1 wird das zu ionisierende
Material von einem Ende der rohrförmigen Anode 24 her durch eine schmale Bohrung
in eine Ionenerzeugungskammer 26 zugeführt, um darin das Plasma zu bilden.
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Die Kationenquelle 70 weist einen Ionengenerator 31 auf, der im wesentlichen
so aufgebaut ist wie der Ionengenerator 1 der Anionenquelle 60 und der eine gasförmige
Borverbindung, beispielsweise KBF4, enthält. Der Generator 31 wird betrieben, wenn
die Anodenspannung und der Drahtheizstrom daran von einer Anodenspannungsquelle
32 und einer Heizstromquelle 31 angelegt werden. Der Generator 31 erzeugt B -Ionen.
Die B -Ionen werden aus dem Generator 31 durch eine negative Beschleunigungsspannung
abgezogen, die an die Beschleunigungselektrode 34 angelegt wird. Danach werden die
B+-Ionen durch ein Fokussierungs-Linsensystem, das aus den Elektroden 35 und 36
und der Beschleunigungselektrode 34, besteht, in einen B+-Ionenstrahl
37
fokussiert. Die Beschleunigungsspannung, die an der Beschleunigungselektrode 34
anliegt, wird von einer Beschleunigungsspannungsquelle 38 geliefert. Die Elektrode
36 ist ebenfalls mit der Spannungsquelle 38 verbunden, so daß sie auf dem gleichen
Potential wie die Elektrode 34 gehalten wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird
die Beschleunigungselektrode 34 auf Erdpotential gehalten, und die Beschleunigungsspannungsquelle
38 gestattet es, daß der Generator 31 konstant auf einer Hochspannung von 25KV gehalten
wird. Daher hat die Beschleunigungselektrode 34 eine Beschleunigungsspannung von
-25KV in Bezug auf den Generator 31 und erteilt eine kinetische Energie von 25KeV
an die B+-Ionen, so daß B+-Ionenstrahl 37 gebildet wird. Um das Fokussierungslinsen-(Einzellinsen-)System
aus der Beschleunigungselektrode 34 und den Elektroden 35 und 36 zu bilden, wird
eine Spannung, die etwas kleiner als die der Elektroden 34 und 36 ist, an die Elektrode
35 angelegt, und die Fokussierung des B+-Ionenstrahls 37 wird durch Einstellung
der Spannung fokussiert, die an die Elektrode 35 angelegt wird. In diesem Ausführungsbeispiel
ist zum Zwecke der vollständigen Fokussierung des Ionenstrahls 37 ein zweites Fokussierungs-Linsensystem
vorgesehen, welches aus den Elektroden 40, 41 und 42 besteht, und eine Fokussierungsspannungsquelle
43 ist mit der Elektrode 41 verbunden, um die Spannung der Elektrode 41 etwas unter
die Spannung der Elektroden 40 und 42 herabzusetzen. Eine Ablenkelektrode 44 und
eine Ablenkspannungsquelle 45 sind vorgesehen, um die Flugrichtung des B+-Ionenstrahls
37 im wesentlichen in der selben Weise zu steuern, wie dies in der Anionenquelle
60 erfolgt.
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Zusätzlich sind ein Schlitz 46, ein Massenspektral-Separator 47 und
ein Schlitz 48 wie in der Anionenquelle 60 vorgesehen, um den B+-Ionenstrahl zu
isolieren und ihn auf das Substrat 22 zu lenken.
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Wenn die Position des Substrates 22, das für den gemeinsamen Beschuß
durch die B--Ionen und die B+-Ionen aus der Anionenquelle
60 und
der Kationenquelle 70 vorgesehen ist, unter Berücksichtigung der Ablenkwinkel und
der Positionen der Massenspektral-Separatoren 20 und 47 geeignet gewählt ist, treffen
die Kationen und Anionen auf das Substrat 22 auf, um Bor in das Substrat einzubauen
(Implantation).
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Massenspektral-Separatoren
20 und 47 in der Anionenquelle 60 bzw. der Kationenquelle 70 angeordnet. Nach einem
anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung können -die Separatoren 20 und 47 jedoch
durch einen einzigen Massenspektral-Separator ersetzt werden, der beiden Ionenquellen
gemeinsam zugeordnet ist (Fig. 2).
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Fig. 2 zeigt den wesentlichen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsvorrichtung, bei der ein einziger und
gemeinsamer Massenspektral-Separator 51 vorgesehen ist. In den Separator 51 können
ein B -Ionenstrahl 16 und ein B -Ionenstrahl 37 von gegenüberliegenden Seiten des
Separators her eingeführt werden. Der Separator lenkt die Strahlen in die gleiche
Richtung senkrecht zu den Richtungen, in denen die Ionenstrahlen in den Separator
eingeführt werden, um einen gemeinsamen Strahl 52 zu bilden, der auf ein cinziges
Substrat 22 auftrifft, welches auf einem alter 23 vorgesehen ist, wobei Wärmeleitungseffekte
neutralisiert werden. Der auf das Substrat 22 auftreffende Ionenstrom wird durch
ein Strom-Meßgerät 53 gemessen.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen werden in sich abgeschlossene
Ionengeneratoren als Generatoren 1 und 31 verwendet. Es können jedoch beliebige
andere Ionengeneratoren erfindungsgemäß verwendet werden.
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Wenn die Oberflchenbehandlungsvorrichtungen, die in den Fig.
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1 und 2 gezeigt sind, zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Oberflächenbehandlungsverfahrens
verwendet werden, was Ionenimplantation bezeichnet wird, können Raumladungseffekte
effektiv vermieden werden. Mit anderen Worten können die elektrischen Ladungen der
Kationen und Anionen so gesteuert werden, daß die Ionen mit einem großen Wirkungsgrad
in ein Substrat eingebaut werden.
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Wenn B -Ionen oder B Ionen in ein Si-Substrat nach dem herkömmlichen
Implantationsverfahren eingebaut werden, hat das Bor in dem Substrat eine Verteilung,
wie sie in Fig. 3 gezeigt ist.
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Fig. 3 zeigt das Resultat beim Einbauen von B+-Ionen und B -Ionen
in separate Si-Substrate. Die Verteilung des Bor in jedem der Substrate wird durch
sekundäre Ionen-Massenspektroskopie (SIMS) bestimmt. Die Abszisse von Fig. 3 zeigt
die Bestrahlungszeit mit Ar-Primärionen, die erforderlich ist, um eine Probe so
zu ätzen, daß ein Sekundärion emittiert wird.
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Daher zeigt die Abszisse die Verteilung des Bor entlang der tiefen
Richtung der Probe. Die Ordinate zeigt die Ergiebigkeit des Bors bestimmt durch
die Analyse von Sputter-Sekundär-Ionen, wobei die Meßwerte durch den Spannungswert
einer Verstärkerröhre dargestellt sind. Fig. 3(a) bzw. Fig. 3(b) zeigen die Bor-Verteilungen
in den Substraten, die durch das Einbauen von B+-Ionen bzw -Ionen in die Substrate
erhalten wurden.
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Fig. 3 zeigt, daß bei den herkömmlichen Verfahren die Implantationsprofile
der eingebauten Dotierungssubstanzen bei der Kationenimplantation und bei der Anionenimplantation
und die Tiefe der maximalen Konzentration der Dotierungssubstanz im wesentlichen
miteinander übereinstimmen. Die beiden Profile unterscheiden sich jedoch in dem
Gradienten der Verteilung der Verunreinigungssubstanz-Konzentration entlang der
tiefen Richtung des Substrates.
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Im Gegensatz dazu ist es bei der Ionenimplantation gemäß der Erfindung
unter Verwendung der in den Fig. 1 und 2 gezeigten
Vorrichtungen
möglich, die durch das Einbauen von Kationen und Anionen in separate Substrate erhaltenen
Effekte in der Weise zu verstärken und auszunutzen, daß Raumladungseffekte aufgrund
der gleichzeitigen Implantation von Anionen und Kationen ausgeschaltet werden, so
daß beide Ionenarten in ein Substrat mit hohem Wirkungsgrad und in einer kurzen
Zeit eingebaut werden können.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Ionenimplantation.
Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Oberflächenbehandlungen, beispielsweise
beim Abscheiden von Dünnschichten aus verschiedenen Materialien, beim Ätzen oder
beim Polieren von Oberflächen eines Substrates angewendet werden. Es ist bei der
Erfindung auch nicht erforderlich, die selben Materialien in den Ionenquellen zu
verwenden, um die Kationen und Anionen zu erzeugen. Insbesondere können bei der
Erfindung zwei unterschiedliche Materialien als Kationen und Anionen verwendet werden,
um Oberflächenbehandlungen, beispielsweise die Abscheidung von Dünnschichten, die
Implantation, die Oberflächenbearbeitung und dgl., durchzuführen, wobei die beiden
Ionenarten miteinander in Wechselwirkung treten können, ohne daß Raumleitungseffekte
einen schädlichen Einfluß auf die Ionen haben. In diesem Zusammenhang ermöglicht
die Verwendung eines reaktiven Materials, beispielsweise 0, N, L3, Cl, P oder d9l.,
als eines der Ionernnaterialien in der lollenquclle verschiedene Oberflächenbehandlungen,
bei spielsweise die synthetische oder reaktive Abscheidung von Oxydschichten oder
Nitridschichten, oder die reaktive Implantation, das reaktive Ätzen und dgl.
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Bei dem erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahren und der
erfindungsgemäßen Vorrichtung werden eine separate Kationenquelle und eine davon
getrennte, separate Anionenquelle verwendet, um die Kationen und Anionen separat
voneinander zu erzeugen und die beiden Ionen typen zusammen auf das Substrat zu
schicken, um die Oberflächenbehandlung durchzuführen.
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