DE3404626A1 - Ionenquelle - Google Patents

Description

Ionenquelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenquelle der Feldemissionsbauart oder Oberflächenionisationsbauart zur Verwendung in einem Ionenmikrostrahl-Frässystem und einer Ionenmikroimplantiereinrichtung zur Herstellung integrierter Schaltungen extrem großer Dichte und in einem Mikrostrahlanalysesy stern.

In den Figuren 1 und 2 sind zwei Beispiele konventioneller Ionenquellen gezeigt. Die in Figur 1 gezeigte Ionenquelle besteht im wesentlichen aus einem Emitterchip 1, der an dem Wendepunkt eines Haarnadelheizfadens 2 befestigt ist und eine scharfe Spitze aufweist, einer Extraktionselektrode 4 und einer Spannungsquelle 6 zum Beschleunigen und Extrahieren der Ionen. Das. Funktionsprinzip dieser Ionenquelle ist wie folgt. Zunächst wird dem Verbindungsteil des Haarnadelheizfadens 2 und des Emitterchips 1 ein Ionenquellenmaterial 3 zugeführt. Dann wird ein Strom durch den Faden 2 geschickt, um das Ionenquellenmaterial 3 durch Joulesche Wärme zu schmelzen. Das Ionenquellenmaterial 3 wird daher der Spitze des Emitterchips 1 in geschmolzenem Zustand zugeführt. Anschließend wird zwischen die Extraktionselektrode 4 und den Emitterchip 1 mit Hilfe der Spannungsquelle 6 eine Spannung angelegt, um aus der Spitze des Emitterchips 1 auf der Grundlage der Feldemission oder Oberflächenionisation einen Ionenstrahl 5 herauszuziehen.

Die oben erwähnte Ionenquelle hat die nachfolgenden Nachteile.

(1) Das Ionenquellenmaterial wird durch Joule-sche Wärme erhitzt. Es ist daher nicht möglich, das Ionenquellenmaterial auf Temperaturen, welche eine Grenze überschreiten, zu erhitzen.

(2) Das geschmolzene Ionenquellenmaterial 3 wird durch den Emitterchip 1 und den Faden 2 in offenem Zustand gehalten und verdampft daher heftig. Demzufolge werden umgebende Bauteile stark mit dem Material 3 verunreinigt. Darüber hinaus ist die Lebensdauer der Ionenquelle kurz.

(3) wenn als Ionenquellenmaterial 3 eine chemische Verbindung verwendet wird, verändert sich die Zusammensetzung des Dampfes des Ionenquellenmaterials 3 mit der Zeit aufgrund einer Differenz im Verdampfungsdruck zwischen den Bestandteilen der Verbindung. Daher verändert sich auch die Intensität eines Ionenstromes mit der Zeit.

(4) Die Menge des Ionenquellenmaterials 3, welche in die Ionenquelle eingeführt wird, wird nur durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Ionenquellenmaterials bestimmt. Demzufolge kann nur eine begrenzte Menge an Ionenquellenmaterial in die Ionenquelle eingeführt werden. Die Lebensdauer der Ionenquelle ist daher kurz.

In Figur 2 ist eine Feldemissionsionenquelle gezeigt,

° welche kürzlich durch einen Teil der Erfinder der vorliegenden Anmeldung entwickelt worden ist (japanisches Gebrauchsmuster 56-123453). Diese Ionenquelle benutzt eine Erwärmung durch Elektronenbeschuß. Die in Figur 2 gezeigte Ionenquelle weist einen Emitterchip 1, eine

Abdeckplatte 8 zur Verhinderung des Verdampfungsverlustes eines Ionenquellenmaterials 3, einen Tiegel 7, einen Faden 2 für die Elektronenbeschußerhitzung, eine Steuerelektrode 9, eine Ionenextraktionselektrode 4, eine

Spannungsquelle 11 zur Erhitzung des Heizfadens, eine Spannungsquelle 10 zur Beschleunigung der Elektronen und eine Spannungsquelle 6 zur Beschleunigung der Ionen auf. Das Betriebsprinzip dieser Ionenquelle ist wie folgt. Das Ionenquellenmaterial 3 wird zunächst in den Tiegel 7 eingebracht. Anschließend wird der Emitterchip 1 durch den vom Heizfaden 2 kommenden Elektronenstrahl erhitzt, um das Ionenquellenmaterial 3 auf der Grundlage der Wärmeleitung vom Emitterchip 1 zu schmelzen. Schließlich wird eine Ionenextraktionsspannüng zwischen den Emitterchip 1 und die Ionenextraktionselektrode 4 angelegt, um einen Ionenstrahl 5 zu extrahieren.

Die in Figur 2 gezeigte Ionenquelle ist der in Figur 1 gezeigten und durch Joulesche Wärme erhitzten Ionenquelle insoweit überlegen, daß Ionen eines Materials mit einem hohen Schmelzpunkt und Ionen eines reaktiven Materials erhalten werden können. Die in Figur 2 gezeigte Ionenquelle weist aber noch die nachfolgenden Nachteile auf. 20

(1) Wenn ein Material mit einem hohen Dampfdruck als Ionenquellenmaterial verwendet wird, verdampft das Ionenquellenmaterial 3 zu heftig, wodurch es schwierig wird, das Ionenquellenmaterial zur Spitze des Emitterchips 1 zu bringen.

(2) Da das Ionenquellenmaterial 3 von außen durch die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl erhitzt wird, ist es schwierig, das Ionenquellenmaterial 3 einheitlich zu erhitzen. Demzufolge ist es schwierig, der Spitze des Emitterchips 1 das Ionenquellenmaterial 3 zuzuführen.

(3) Das Ionenquellenmaterial 3 mit einem hohen Dampfdruck verdampft leicht und verflüchtet sich in verschiedenen Richtungen. Demzufolge ist es sehr gefährlich, ein schädliches Material als Ionenquellenmaterial zu benutzen.

(4) Es ist schwierig, einen weniger reaktiven Emitterchip

zu verwenden, der aus einem isolierenden Material besteht.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine Ionenquelle zu schaffen, welche sicher und zuverlässig verschiedene Ionen erzeugen kann aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt, einem reaktiven Material, einem schädlichen Material und einem isolierenden Material, welche in einer herkömmlichen Ionenquelle nicht als geeignete Ionenquellenmaterialien eingesetzt werden können.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Ionenquelle mit folgenden Merkmalen erzielt: ein Emitterchip mit einer scharfen Spitze; ein Halteteil für das Ionenquellenmaterial aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt und mit einer öffnung in einer Bodenwand, wobei der Emitterchip innerhalb des Halteteils für das Ionenquellenmaterial in koaxialer Weise angeordnet ist, so daß die Spitze des Emitterchips durch die öffnung hindurchtritt; eine Einrichtung zum Aussenden eines Elektronenstrahls; eine Spannungsquelle zum Erhitzen der Einrichtung zum Aussenden des Elektronenstahls; eine Extraktionselektrode zur Ausbildung eines elektrischen Feldes zum Extrahieren eines Ionenstrahles um die Spitze des Emitterchips herum; eine Ionenextraktionsspannungsquelle zum Anlegen einer hohen Spannung zwischen die Extraktionselektrode und den Emitterchip und ein Behälter für das Ionenquellenmaterial aus einem leitenden Material, welcher in der Nähe der Spitze des Emitterchips angeordnet ist und das gleiche

elektrische Potential wie der Emitterchip aufweist. 30

Der Ionenquellentiegel, welcher durch einen Elektronenstrahl erwärmt wird, muß folgende Forderungen erfüllen: (1) leicht erwärmbar; (2) Wärme begrenzen; (3) kaum aufladbar usw. Diese Forderungen werden durch den kon-

ventionellen einzigen Tiegel kaum befriedigt, sondern werden erst durch den doppelten Tiegelaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt. Der äußere Tiegel besteht aus einem schlechten Wärmeleiter, während der innere

Tiegel aus einem guten Wärmeleiter besteht, und der Kontakt zwischen diesen Tiegeln erfolgt in einem beschränkten Bereich. Mit Hilfe dieses Aufbaus kann das Ionenquellenmaterial einheitlich und wirksam erhitzt werden, während überschüssiger Wärmeverlust verhindert wird. Der äußere Tiegel kann aus isolierendem Material bestehen und über der Steuerelektrode angeordnet sein, um eine Aufladung zu verhindern, und der innere Tiegel kann eine gewisse elektrische Leitfähigkeit und eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen. Der innere Tiegel weist vorzugsweise eine konvergierende Kegelform auf, während die Form des äußeren Tiegels nicht auf eine Kegelform beschränkt ist, vorausgesetzt, daß der äußere Tiegel den inneren Tiegel in begrenzten Bereichen unterstützt.

Elektronenstrahlerwärmung kann vorzugsweise der Spitze des Emitterchips zuteil werden, aber in der Praxis wird der innere Tiegel erwärmt. Ein thermisch leitfähiger innerer Tiegel bringt den inneren Tiegel, das Ionenquellenmaterial und.den Emitterchip im wesentlichen auf die gleiche Temperatur. Darüber hinaus bringt das geschmolzene Ionenquellenmaterial den Emitterchip und den inneren Tiegel (wenn leitfähig) im wesentlichen auf das gleiche elektrische

Potential.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen: 30

Figur 1 eine Querschnittsansicht einer konventionellen Ionenquelle, bei welcher ein Emitterchip am Wendepunkt eines Haarnadelheizfadens befestigt ist,

Figur 2 eine Querschnittsansicht einer anderen konventionellen Ionenquelle mit einer Einrichtung für eine Elektronenbeschußerwärmung, und

Figur 3 eine Querschnittsansicht einer Ausführungs-

.f

form einer Ionenquelle gemäß der vorliegenden

Erfindung.

In Figur 3 ist ein Ionenquellenmaterial 3, ein Emitterchip 1 und ein äußerer Tiegel 7 gezeigt, welcher als Halteteil für das Ionenquellenmaterial dient. Der Tiegel 7 kann aus einem isolierenden Material wie z. B. Bornitrid oder Quarzglas bestehen. Der Tiegel 7 hat vorzugsweise wärmeisolierende Eigenschaften. Der Emitterchip 1, welcher die Form eines runden Stabes aufweist und mit einer scharfen Spitze versehen ist, wird in den Tiegel 7 eingeführt, um mit dem Tiegel 7 koaxial ausgerichtet zu sein. In der Bodenwand des Tiegels 7 ist eine öffnung vorgesehen, durch welche die Spitze des Emitterchips 1 nach unten über die Bodenwand vorspringt. Das Ionenquellenmaterial 3 wird in einen Bodenteil des Tiegels 7 und um die Spitze des Emitterchips 1 herum eingebracht. Der Emitterchip 1 hat einen verjüngten Teil 13, um den Wärmewiderstand des Chips 1 zu erhöhen. Darüber hinaus ist in Figur 3 ein Heizdraht 2 zum Aussenden eines Elektronenstrahls zum Beschüß der Spitze des Emitterchips 1 mit dem Elektronenstrahl, eine Spannungsquelle 11 zum Erhitzen des Heizfadens 2, eine Ionenextraktionselektrode 4, eine Spannungsquelle 6 zum Beschleunigen eines Ionenstrahls 5, der aus dem Emitterchip 1 extrahiert worden ist, eine Spannungsquelle 10 zum Beschleunigen des Elektronenstrahls, der von dem Heizfaden 2 emittiert wird, ein halbgeschlossener oder innerer Tiegel 12, der als Behälter für ein Ionenquellenmaterial dient, und eine auf den inneren Tiegel 12

plazierte Abdeckplatte 8 gezeigt. Der innere Tiegel 12 ist in der Nähe der Spitze des Emitterchips 1 angeordnet, um mit dem Chip koaxial ausgerichtet zu sein. Das Ionenquellenmaterial 3 wird in den inneren Tiegel 12 eingebracht. Die Reihenschaltung der Spannungsquelle 6 zur

Ionenbeschleunigung und der Spannungsquelle 10 zur Elektronenbeschleunigung wirkt als Ionenextraktionsspannungsquelle zum Aufbringen einer hohen Spannung zwischen die Ionenextraktionselektrode 4 und den Emitter-

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chip 1. Das Material für den Emitterchip 1 wird bestimmt auf der Grundlage der Austrittsarbeit, des Schmelzpunktes und der Reaktivität mit dem Ionenquellenmaterial 3. Im allgemeinen reagiert eine Kombination von Metallen stark untereinander und ein so erhaltenes Reaktionsprodukt (nämlich eine chemische Verbindung) weist einen geringeren Schmelzpunkt als das Metall auf. Demzufolge sind Metalle normalerweise ungeeignet für den Emitterchip 1.

Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht der Emitterchip 1 aus einem isolierenden Material mit geringer Reaktivität wie z. B. einem der Öxidmaterialien wie z. B. Quarz, Tonerde (Al₂O.,) und Saphir. Die Oberfläche des Emitterchips wird vorher mit einem Material mit einer großen Austrittsarbeit beschichtet, z. B. mit Wolfram oder Tantal. Der kegelförmige innere Tiegel 12 hat einen spitzeren Scheitel als der äußere Tiegel, springt aus der öffnung des äußeren Tiegels hervor und wird von diesem unterstützt. Der innere Tiegel hat vorzugsweise eine geringe Reaktivität (mit dem Ionenquellenmaterial), ist hitzebeständig und hat eine kleine Wärmekapazität (ist leicht zu erwärmen) und kann aus Metallen wie z. B. Tantal, Wolfram, Niob, Zirkonium und/oder Nichtmetallen wie z. B. Bornitrid, Kohlenstoff bestehen. Das in den inneren Tiegel 12 eingebrachte Ionenquellenmaterial 3 kann beständig in Form von Ionen herausgenommen werden. Der Emitterchip 1 wird an einer Reaktion mit dem Ionenquellenmaterial 3 gehindert. Die oben erwähnte Beschichtung auf der Oberfläche des Emitterchips dient der Erhöhung

des Ionisationswirkungsgrades des Ionenquellenmaterials Selbst wenn die Beschichtung eine Dicke von weniger als

1000 A aufweist, wird der Ionisationswirkungsgrad ausreichend verbessert. Wenn der Emitterchip 1 aus einem isolierenden Material besteht, ist der Wirkungsgrad, mit

welcher das Ionenquellenmaterial 3 durch den Elektronenbeschuß gegebene Wärme absorbiert, erheblich größer und daher der Energieverbrauch kleiner, verglichen mit dem Fall, bei welchem der Emitterchip aus einem Metall besteht.

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Der äußere Tiegel 7 kann aus einem isolierenden Material entsprechend seinem Zweck bestehen. Wenn ein Material mit einem hohen Schmelzpunkt als Ionenquellenmaterial 3 verwendet wird, ist es wünschenswert, den Tiegel 7 aus einem solchen isolierenden Material geringer Wärmeleitfähigkeit wie z. B. Quarzglas herzustellen, da der Wärmeverlust aufgrund von Wärmeleitung reduziert werden kann. Aufgrund des äußeren Tiegels 7 muß der innere Tiegel 12 keine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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Das Betriebsprinzip der vorliegenden Ausführungsform ist wie folgt.

Zunächst wird das Ionenquellenmaterial 3 in den inneren Tiegel 12 eingebracht und der innere Tiegel 12 in dem äußeren Tiegel 7 derart angeordnet, daß er aus der Bodenöffnung des Tiegels 7 um einige Millimeter hervorspringt. In diesem Zustand wird eine Elektronenbeschleunigungsspannung zwischen den Emitterchip 1 oder den inneren Tiegel 12 (welche miteinander durch das geschmolzene Ionenquellenmaterial verbunden werden, um auf gleichem elektrischen Potential zu sein) und den Heizfaden 2 angelegt, dessen elektrisches Potential ungefähr gleich demjenigen einer Steuerelektrode 9 ist, um die Spitze des

■" Emitterchips 1 oder den inneren Tiegel 12 mit vom Heizfaden 2 ausgesandten Elektronen zu beschießen, wodurch der innere Tiegel 12 erwärmt wird. Wenn der innere Tiegel 12 erwärmt wird, wird das Ionenquellenmaterial 3 geschmolzen und das geschmolzene Ionenquellenmaterial 3 der Spitze

des Emitterchips 1 zugeführt. Der halbgeschlossene innere Tiegel 12 und der Emitterchip 1 sind so ausgebildet, daß das geschmolzene Ionenquellenmaterial 3 der Spitze des Chips 1 zugeführt werden kann und nur in einem sehr kleinen Bereich, der ein begrenzter Bereich der Spitze

des Emitterchips 1 ist, verdampfen kann. Der Verlust an Ionenquellenmaterial aufgrund von Verdampfung ist daher äußerst klein. Anschließend wird eine Ionenextraktionsspannung zwischen den Emitterchip 1 und die Ionenextraktions-

elektrode 4 angelegt/ vim einen Ionenstrahl 5 zu extrahieren.

Die vorliegende Ausführungsform kann Au -, Ti - und Zr -Ionen aussenden, welche jeweils Ionen eines Materials mit einem hohen Schmelzpunkt darstellen, sowie Cs -, Cl~- und As -Ionen, welche reaktionsfreudige Ionen sind. Darüber hinaus kann die vorliegende Ausführungsform As -, As -, P -, P - und B -Ionen aus den Isolationsmaterialien As₃Se₃, P₂ ⁰S ^un<^ B₃O₃ erzeugen und beständige Strahlen dieser Ionen emittieren.

Wie im Vorhergehenden erläutert worden ist, können verschiedene Ionenstrahlen sicher und zuverlässig aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt, einem reaktiven Material, einem isolierenden Material und einem schädlichen Material emittiert werden, welche in einer konventionellen Ionenquelle nicht als Ionenquellenmaterial verwendet werden können. Demzufolge kann ein begrenzter Bereich (nämlich ein Submikronbereich) eines Si- oder GaAs-Substrats

^z mit den Ionen eines der oben angeführten Materialien geimpft bzw. versehen werden. Eine.Ionenquelle der vorliegenden Art ist daher sehr nützlich, integrierte Schaltungen äußerst großer Dichte und eine dreidimensionale Einrichtung

herzustellen.
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Claims (5)

1. BARDEHLE, PAGENBERG, DOST,. ALTENBURG & PARTNER

   RECHTSANWÄLTE *" "PATENTANWÄLTE*- EUROPEAN PATENT ATTORNE

   JOCHEN PAGENBERG or juh.ii μ hanvmd·· HEINZ BARDEHLE Dirt -me

   BERNHARD FROHWITTER an. -ino · WOLFGANG A. DOST

   GÜNTER FRHR. v. GRAVENREUTH dipi ino ifm)· UDO W. ALTENBURG

   POSTFACH Θ6Ο62Ο. BOOO MÜNCHEN

   q / Π / C O C. TELEFON (0B9)9803G1

   OH UHU^O TELEX 522 791 pad d

   CABLE: PADBÜRO MÜNCHEN BÜRO: GALILEIPLATZ 1. β MÜNCHEN

   Datum 9. Februar 1984

   A 5257 Al/Sch

   Patentansprüche

   Ionenquelle, gekennzeichnet durch einen Emitterchip (1) mit einer scharfen Spitze, ein Halteteil (7) für das Ionenquellenmaterial (3) aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt und mit einer öffnung in einer Bodenwand, wobei der Emitterchip innerhalb des Halteteils für das Ionenquellenmaterial in koaxialer Weise angeordnet ist, so daß die Spitze des Emitterchips durch die öffnung hindurchtritt, eine Einrichtung (2) zum Aussenden eines Elektronenstrahls, eine Spannungsquelle (11) zum Erhitzen der Einrichtung zum Aussenden des Elektronenstrahls, eine Extraktionselektrode (4) zur Ausbildung eines elektrischen Feldes zum Extrahieren eines Ionenstrahls um die Spitze des Emitterchips herum, eine Ionenextraktionsspannungsquelle (6, 10) zum Anlegen einer hohen Spannung zwischen die Extraktionselektrode und den Emitterchip und einen Behälter (12) für das Ionenquellenmaterial aus einem leitenden Material, welcher in der Nähe der Spitze

   des Emitterchips angeordnet ist und das gleiche elektrische Potential wie der Emitterchip aufweist.
2. 2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (2) zum Aussenden eines Elektronenstrahls im wesentlichen das gleiche elektrische Potential wie die Extraktionselektrode (4) aufweist und in der Nähe der Extraktionselektrode angeordnet ist, so daß ein von der Einrichtung zum Aussenden eines Elektronenstrahls ausgesandter Elektronenstrahl durch das Ionenextraktionsfeld in einer Richtung zur Spitze des Emitterchips hin beschleunigt wird, um die Spitze des Emitterchips (1) und den Behälter (12) des Ionenquellenmaterials (3) zu beschießen, wodurch die Spitze des Emitterchips und der Behälter des Ionenquellenmaterials erhitzt werden.
3. 3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Steuerelektrode (9) zum gezielten Beschießen des Emitterchips (1) mit einem Elektronenstrahl, der von der Einrichtung (2) zum Aussenden des Elektronenstrahls emittiert worden ist.
4. 4. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Abdeckplatte (8), welche in das Halteteil (7) des Ionenquellenmaterials eingeführt und auf den Behälter (12) des Ionenquellenmaterials plaziert ist, wodurch die Verdampfung des Ionenquellenmaterials (3) verringert wird.
5. 5. ionenquelle, gekennzeichnet durch

   einen elektrisch leitfähigen stabförmigen Emitterchip (1) mit einer scharfen Spitze,

   einen um den Emitterchip und koaxial zu diesem angeordneten äußeren Tiegel (7) mit einem konvergierenden Teil und einer öffnung am Ende des konvergierenden Teils, um die Spitze des Emitterchips hindurchzulassen, und einen inneren Tiegel (12) mit einem konvergierenden Teil, der um den Emitterchip und koaxial zu diesem und inner-

   1 halb des äußeren Tiegels angeordnet ist und aus der öffnung des äußeren Tiegels hervorspringt, wobei die Spitze des Emitterchips außerdem aus dem inneren Tiegel hervorspringt und wobei der innere Tiegel elektrisch 5 leitfähig ist und mit dem Emitterchip elektrisch verbunden ist und der innere Tiegel und der Emitterchip einen Raum für das Ionenquellenmaterial und einen Schlitz zum Zuführen eines geschmolzenen Ionenguellenmaterials zu der Spitze des Emitterchips bilden. 10