DE3136787A1 - "verfahren und vorrichtung zum verstaerkten neutralisieren eines positiv geladenen ionenstrahls" - Google Patents

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum verstärkten Neutralisieren eines positiv geladenen Ionenstrahls

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Neutralisieren eines Ionenstrahls und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Neutralisieren eines positiv geladenen Ionenstrahls durch Stimulieren der Emission von Sekundärelektronen von einem Hilfs-Aufnahmematerial aus.

Auf dem Gebiet der Ionenimplantation ist es bekannt, daß ein geladener Ionenstrahl zum Aufbau einer Ladung auf der implantierten Fläche, z.B. einem Halbleiterplättchen, führt. Diese Ladung kann von der Oberfläche des Plättchens dadurch entfernt werden, daß man es auf einer leitfähigen Platte anordnet und einen Strom durch die Platte abfließen läßt. Bei Isolier- und Halbleitermaterialien, wie sie bei der Verarbeitung von integrierten Schaltkreisen vorkommen, ist es jedoch nicht möglich, von diesem Mechanismus die volle und effektive Neutralisierung der Aufnahmefläche zu erwarten. In solchen Fällen baut sich eine Ladung auf der Oberfläche des Materials auf, die gewöhnlich positiv ist, da die meisten Ionenstrahlen positiv geladen sind. Eine solche Ladung kann die automatische Handhabung der Plättchen durch eine Klebwirkung behindern, sie kann Teile von ausgebildeten integrierten Schaltkreisen durchschlagen und kann zu einer ungleichmäßigen Implantation führen, da geladene Teile des Plättchens den Ionenstrahl ablenken. Das Vorhandensein einer solchen Oberflächenladung wird daher als

Ursache für eine verminderte Ausbeute an integrierten Schaltkreisen betrachtet. Hierzu sei z.B. auf M. Nakano u.a., "Surface Potential of SiO₂ During Ion Implantation", verwiesen.

Bei Ionenimplantationsanlagen zur praktischen Verwendung handelt es sich bei den Ionenstrahlen gewöhnlich um positiv geladenes Bor, Arsen, Phosphor oder dergl. Der Versuch, den Aufbau von Ladungen auf der Plättchenoberfläche einzuschränken, besteht daher in dem Versuch, Elektronen zu erzeugen, die die Neutralisierung des betreffenden Materials innerhalb des Ionenstrahls bewirken. Dieses Verfahren ist allgemein unter der Bezeichnung Elektronenüberflutung bekannt. In ihrer Grundform besteht sie in der Aufbringung von Elektronen auf die Zieloberfläche. Bei Halbleiterplättchen, die einer Implantation unterzogen werden sollen, hat es sich jedoch gezeigt, daß die direkte Aufbringung von Elektronen zu einer Verunreinigung von dem Glühfaden der Elektronenquelle her führen kann. Hierzu sei auf die US-PSen 4 135 097 und 4 118 630 verwiesen. Das in diesen Patentschriften beschriebene Verfahren besteht darin, eine Abschirmung zwischen der Elektronenquelle und dem Aufnahmematerial vorzusehen, um die direkte Bestrahlung des Aufnahmematerials über die Oberfläche zu verringern. Stattdessen werden die Elektronen in den Strahl allgemein quer zu den Strahlen eingeführt, um eine Neutralisierung des Strahls zu bewirken. Die einzelnen Ionen des Strahls werden nicht neutralisiert, sondern es wird eine effektive Neutralisierung der Ladung innerhalb des Strahlvolumens erreicht. Im Effekt bewegen sich die Ionen als Ionen, und die Elektronen bewegen sich als Elektronen, sind jedoch in dem positiven Feld des Ionenstrahls eingefangen. Venn die Ionen und die Elektronen innerhalb des Strahls die Oberfläche des Aufnahmematerials erreichen, können sie sich nicht mehr frei

in der Richtung des Strahls bewegen, sondern nur in der Ebene der Oberfläche; sie bewegen sich in dieser Ebene, bis eine Neutralisierung eintritt. Bei diesem Verfahren kann der Wirkungsgrad des Einfangens von Elektronen in dem Strahl nur gering sein, und zwar wegen der großen Geschwindigkeit der thermischen Elektronen und des geringen Einfangquerschnitts des Strahls für die Elektronen.

Es ist zwar unerwünscht, ein Halbleiterplättchen direkt mit Elektronen zu beschießen, doch besteht die Notwendigkeit, einen Ionenstrahl auf irgendeine Weise zu neutralisieren, um Ladungen an der Oberfläche des implantierten Plättchens zu vermeiden. Wie vorstehend erwähnt, besteht eine Neutralisierung normalerweise nicht in der Neutralisierung jedes einzelnen Ions, sondern vielmehr in der Raumladungsneutral isierung des Ionenstrahlvolumens. Doch selbst > in diesem Fall ist der Einfangquerschnitt des Ionenstrahlvolumens für Elektronen relativ klein. Der Querschnitt läßt sich durch Verstärken des Strahlstroms und damit der Anziehungskraft des Strahls für Elektronen vergrößern, doch dies führt zu einer größeren Ladung auf der Unterlage. Andererseits würde eine Verlangsamung der Elektronen die Wahrscheinlichkeit des Einfangens erhöhen. Elektronen, die von thermischen Quellen emittiert werden, können jede gewünschte Geschwindigkeit erhalten, doch ist es oft schwierig, genügend Elektronen aus solchen thermischen Quellen bei Energien zu erzeugen, die niedrig genug sind, um eine wirksame Neutralisierung herbeizuführen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur verbesserten Neutralisierung eines positiv geladenen Strahls zu schaffen. Außerdem soll durch die Erfindung eine Vorrichtung geschaffen werden, die sekundäre Elektronen von einer Hilfsaufnahmeeinrichtung her erzeugt, um eine genügende Menge von Elektronen mit einer

Energie zur Verfügung zu haben, bei der sie zum Einfangen in einem sich bewegenden positiv geladenen Ionenstrahl geeignet sind. Ferner soll die Erfindung die Aufgabe erfüllen, die Anzahl der verfügbaren Elektronen für die Neutralisierung eines positiv geladenen Teilchenstrahls dadurch zu vergrößern, daß man einen Elektronenstrahl auf eine Hilf sauf nahmeeinr.ichtung auf treffen läßt, um eine Ausbeute an Sekundärelektronen zu gewinnen, die größer ist als 1.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgendem anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schrägansicht eines Ionenstrahls, der auf eine Aufnahmeeinrichtung trifft, in Zuordnung zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Sekundärelektronen;

Fig. 2 den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Sekundärelektronen;

Fig. 3 die bevorzugte Glühfadenanordnung für die Elektronenkanone der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Sekundärelektronen;

Fig. 4 ein Schaubild der Energien von Sekundärelektronen bei Silber als Aufnahmematerial; und

Fig. 5 ein Schaubild der Abnahme des Potentials an einer Oberfläche als Funktion des positiven Ionenstrahlstroms und des primären Elektronenstrahls, der Sekundärelektronen erzeugt.

Zu einer Vorrichtung zur verstärkten Neutralisierung eines positiv geladenen Teilchenstroms gehört eine Quelle für Primärelektronen, die auf eine nahe dem Ionenstrahl ange-

ordnete Hilfsaufnähmeflache gerichtet werden. Die Sekundärelektronen weisen eine geringe Energie auf und eignen sich dazu, innerhalb des Volumens des positiv geladenen Strahls eingefangen zu werden. Der Ionenstrahl zieht diese Elektronen geringer Energie an, bis eine effektive Neutralisierung des Strahls erreicht ist. Die Ionen in dem Strahl werden einzeln neutralisiert, wenn der Strahl auf die Aufnahmefläche trifft.

Bei einer Einrichtung zur Ionenimplantation ist es notwendig, die Raumladung des Ionenstrahls zu regeln. Allgemein gesprochen, bewirkt die positive Raumladung eine Streuung des Strahls in unerwünschtem Ausmaß. Es ist daher bekannt, ein Maß von Neutralisierung des Strahls an der Quelle zu bewirken, indem man überschüssiges gasförmiges Quellenmaterial zuführt, so daß einmal erzeugte und mindestens teilweise beschleunigte Ionen mit diesem Gas in Wechselwirkung treten und neutralisiert werden können. Dieses Verfahren ISBt sich jedoch nicht gut steuern und kann den Strahl überneutralisieren. Außerdem ist das Verfahren nicht sehr angebracht, wenn mit mehreren Beschleunigungsstufen gearbeitet wird, was notwendigerweise voraussetzt, daß der Strahl in stromabwärtiger Richtung ionisiert bleibt. Außerdem kann bei einem teilweise neutralisierten Strahl ein Verlust an Elektronen in' dem bewegten Strahl infolge des Durchtritts durch elektrostatische Linsen oder an Vorspannplatten vorbei auftreten. Im Hinblick auf die Strahldispersion sowie die Aufladung von Plättchen besteht daher ein allgemeiner Bedarf nach einer Neutralisierung eines positiv geladenen Ionenstrahls mit Hilfe einer Vorrichtung, die eine feine Regelung ermöglicht und .einen ausreichenden Strom einfangbarer Elektronen erzeugt.

Gemäß Fig. 1 ist ein Ionenstrahl 10 in einer Ionenimplantationsanlage zum praktischen Gebrauch leicht divergierend

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und allgemein konisch geformt. Die Divergenz ist, wie vorstehend erläutert, auf die innere Abstoßung der positiv geladenen Ionen zurückzuführen. Es ist bekannt, Elektronen zum Überfluten des Aufnahmematerials 11, z.B. eines Halblei terplättchens, zu verwenden, oder es werden gemäß der US-PS 4 135 097 Elektronen direkt in den Strahl eingeleitet und stromaufwärts von dem Aufnahmematerial in dem Strahl ei,ngefangen. Alternativ kann der Strahl an seiner Quelle durch das Herbeiführen von Kollisionen mit überschüssigen Gasmolekülen neutralisiert worden sein. In allen diesen Fällen kann die Streuung des Strahls teilweise geregelt oder die Oberflächenladung verringert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 bewirkt eine verstärkte Neutralisierung des Strahls durch Erzeugen eines Primärelektronenstrahls 12, der auf eine Hilfsaufnahmeeinrichtung 13 auftrifft, um eine Streuung von Sekundär- ' elektronen 14 hervorzurufen, die in dem Ionenstrahl eingefangen werden. Der Ausdruck "Sekundärelektron" bezeichnet hierin diejenigen Elektronen, deren Emission von der Oberfläche des Hilfsaufnahmematerials stimuliert wird. Hierbei handelt es sich um eine Elektronenemission, die durch empfangene Elektronen stimuliert wird, im Gegensatz zu Sekundärelektronen der durch Implantation von Ionen in ein Aufnahmematerial erzeugten Art. Die Ausbeute an diesen Sekundärelektronen wird definiert als das Verhältnis emittierter Sekundärelektronen 14 zu den aus dem Primärstrahl 12 auftreffenden Elektronen. Die Ausbeute aus dem Hilfsaufnahmematerial kann bestimmt werden, indem man das Material der Hilfsaufnahmeeinrichtung entsprechend wählt und die Energie der Primärelektronen regelt. Es wird auf die Arbeiten "Secondary Electron Emission" von A.J. Dekker in "Solid State Physics", S. 418 ff. (1957), und "Secondary Emission" von D.E. Gray, Hrsg., in "American Institute of Physics Handbook", 3. Auflage (1972), S. 9-183 ff., verwiesen. Die

emittierten Sekundärelektronen bewegen sich langsam im Vergleich zu dem primären Elektronenstrahl und weisen
größtenteils Energien von weniger als 100 θV auf, so daß sie im Feld des bewegten Ionenstrahls einen bedeutenden Einfangquerschnitt haben. Dies ist in Fig. 4 für Sekundärelektronen gezeigt, die durch Beschießen einer Silberfläche mit Primärelektronen von 155 eV erzeugt werden
(aus dem erwähnten Aufsatz von A.J. Dekker, S. 419, entnommen). Die Spitzen nahe 150 eV gelten für reflektierte Sekundärelektronen. Die überwiegende Menge der Sekundärelektronen hat eine Energie von wenigen eV und läßt sich einfangen. Die Ausbeute an Sekundärelektronen kann größer sein als 1, da sie sowohl aus reflektierten Primärelektronen als auch aus echten Sekundärelektronen besteht.
Gemäß Fig. 1 sind die Sekundärelektronen 14 gestreut und bewegen sich langsam, und sie werden dem Ionenstrahl über einen größeren Abschnitt seiner Länge ausgesetzt, um dadurch ein Einfangen zu erleichtern.

Bei einem gegebenen Material besteht eine Beziehung zwischen der Ausbeute an Sekundärelektronen und der Energie des einfallenden Elektronenstrahls. Die Einfallenergie für maximale Ausbeute bei Metallen variiert zwischen etwa 300 eV (Al) und etwa 800 eV (Pt); bei Oxiden kann sie 1300 eV erreichen (MgO).(A.J. Dekker, siehe oben, S. 422). Es besteht keine Notwendigkeit, diese Energie in dem einfallenden Strahl zu überschreiten, wenn nicht hemmende Kräfte in der Nähe der Elektronenquelle zu überwinden sind. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung einfallender Elektronen mit einer unter dem optimalen Wert liegenden Energie die Verstärkung der Neutralisierung leicht beeinträchtigen kann. Als bedeutsamerer Faktor wird jedoch das Phänomen der selbstbegrenzenden Raumladung des Strahls selber betrachtet; je größer die positive Nettoladung des Ionenstrahls ist, desto stärker werden die neutralisierenden Elektronen angezogen. Der Ionen-

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strahl nimmt sich im Effekt die Elektronen, die er braucht, wenn sie zur Verfügung stehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert diese Elektronen in genügender Menge und mit der zum Einfangen geeigneten Energie. Diese Aufgabe kann durch einen primären Elektronenstrahl nicht ohne weiteres erfüllt werden, da nur ein ungenügender Strom mit ausreichend niedrigen Energienen aus thermischen Quellen zur Verfügung steht.

Der primäre Elektronenstrahl 12 wird durch eine Glühfadenelektrode 16 erzeugt. Der Glühfadenelektrode 16 wird Strom aus einer Glühfadenstromquelle 21 zugeführt. Es wird eine Reflektorabschirmung 15 verwendet, um die durch thermionische Emission von der Glühfadenelektrode 16 ausgesandten Elektronen in Richtung auf die HiIfsaufnahmeflache 13 elektrostatisch zu lenken. Um eine Behinderung der Emission primärer Elektronen durch den Reflektor zu vermeiden, hält ihn eine Vorspannungsquelle 22 auf einer Spannung, die mindestens ebenso negativ ist wie das Potential der ausgesandten Elektronen gegenüber dem Faraday'sehen Käfig 20, um nicht die Emission des Strahls zu stören. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reflektor elektrisch mit dem Glühfaden verbunden. Außerdem ist bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 der Glühfaden in Form einer Wendel 25 ausgebildet, um die Elektronenemission zu verstärken. Wie auf dem Gebiet der Ionenimplantation bekannt, tritt der positiv geladene Ionenstrahl 10 in einen Faraday'sehen Käfig 20 ein, der die Platte 9 und das zu implantierende Plättchen 11 enthält. Wie in Fig. 2 gezeigt, tritt der primäre Elektronenstrahl durch eine öffnung 24 in diesen"Raum ein; die gesamte durch das Amperemeter 23 gemessene Stromstärke gibt daher sowohl diesen Anteil als auch den Anteil des Ionenstrahls 10 und sekundärer Elektronen sowohl aus dem Hilfsauf nahmematerial als auch solcher Elektronen wieder, die von Ionen auf dem Halbleiterplättchen herstammen. Bei einer

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anderen Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter stromaufwärts angeordnet und weist keinen Faraday 'sehen Käfig auf, um den Strahl zu neutralisieren und seine Streuung zu verhindern.

Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Kurven in Fig. 5 veranschaulicht. Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 wurde mit einer Abschirmung aus Aluminium gearbeitet. Eine Metallfläche mit einem Widerstand zwischen dieser und Masse von 10 Megohm wurde positiven Ionenstrahlen mit den in der oberen rechten Ecke der Zeichnung angegebenen Stromstärken ausgesetzt. Die drei in Volllinien gezeichneten Kurven gelten für das Potential auf der Metallfläche als Funktion der Stromstärke (in Mikroampere) des primären Elektronenstrahls. Das Potential der Metallfläche wird fast bis auf Null reduziert, wenn ein ausreichender primärer Elektronenstrom vorhanden ist, wie auf der unteren Abszisse gezeigt, um die Abgabe einer ausreichenden Anzahl von Sekundärelektronen durch das Hilfsmaterial zu stimulieren, um den Strahl zu neutralisieren. Der Ionenstrahl mit der höchsten Stromstärke (300 Mikroampere, 150 keV) wurde ebenfalls mit einem noch stärkeren primären Elektronenstrom neutralisiert, wie die Skala auf der oberen Abszisse zeigt. Die Form der Kurven zeigt, daß die Erzeugung von Sekundärelektronen direkt mit dem primären Strahlstrom ansteigt, daß jedoch das Eintreten von Elektronen in den Strahl langsamer vor sich geht, wenn der Strahl sich der Neutralisierung nähert. Dies steht in Einklang mit dem oben behandelten Selbstbegrenzungsphänomen.

Leerseite

Claims (11)

NACHGEK SriOHT I Ansprüche

1. Vorrichtung zur verstärkten Neutralisierung eines Strahls positiver Ionen in einer Ionenimplantationsanlage, gekennzeichnet durch eine Elektronenquelle zur Erzeugung eines primären Elektronenstrahls (12) und ein Hilfsaufnahmematerial (13), das imstande ist, wenn es durch Beschießen mit dem primären Elektronenstrahl stimuliert wird, Sekundärelektronen (14) abzugeben, wobei das Hilfsmaterial nahe dem Strahl (10) positiver Ionen innerhalb der Anlage angeordnet ist, damit die Sekundärelektronen in dem positiven Ionenstrahl eingefangen werden können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Elektronenquelle erzeugte primäre Elektronenstrahl (12) durch den positiven Ionenstrahl (10) hindurchtrltt, bevor er auf das Hilfsmaterial (13) auftrifft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kinetische Energie der Elektronen in dem primären Elektronenstrahl (12) so gewählt wird, daß sie mindestens so groß ist wie die für die maximale Abgabe von Sekundärelektronen (14) durch das Hilfsaufnahmematerial (13) erforderliche Energie.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbeute an Sekundärelektronen (14) aus dem HiIfsaufnahmematerial (13) mindestens 1 beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ililfsaufnahmematerial (13) atig Metall besteht.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Hilfsauffangmaterials (13) Aluminium ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Elektronenquelle ein Glühfaden gehört, ferner eine elektrische Stromquelle (21) zum Erwärmen des Glühfadens (16) sowie eine Reflektorabschirmung, die so ange- -ordnet ist, daß sie Elektronen in der Richtung des Hilfsaufnahmematerials (13) reflektiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stromquelle (21) die Menge und die durchschnittliche kinetische Energie der von der Elektronenquelle abgegebenen Elektronen regelt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühfaden die Form einer Wendel (25) hat.

10. Verfahren zur verstärkten Neutralisierung eines Strahls ,positiver Ionen in einer Ionenimplantationsanlage, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Erzeugen eines primären Elektronenstrahls, Leiten des primären Elektronenstrahls auf ein Hilfsaufnahmematerial, wodurch die Abgabe von Sekundärelektronen von dem Hilfsaufnahmematerial aus bewirkt wird, und allgemeines Ausrichten der Sekundärelektronen auf den Weg des Ionenstrahls.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des allgemeinen Ausrichtens der Sekundärelektronen dadurch erfolgt, daß das HiIfsaufnahmematerial in der Nähe des Ionenstrahls angeordnet wird.