DE3623441A1

DE3623441A1 - Ladungsdichtedetektor fuer strahlenimplantation

Info

Publication number: DE3623441A1
Application number: DE19863623441
Authority: DE
Inventors: Peter Henry Rose; Marvin Farley
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1985-07-11
Filing date: 1986-07-11
Publication date: 1987-01-15
Anticipated expiration: 2006-07-12
Also published as: JPS6215745A; US4675530A; JPH07101603B2; DE3623441C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zum Abfühlen des Ladungsaufbaus während der Strahlungsbehandlung eines Werkstücks.

Teilchenstrahl-Implantiervorrichtungen werden zur Behandlung eines Werkstücks verwendet, wobei Teilchen dazu veranlaßt werden, auf dem Werkstück aufzutreffen. Es sei in diesem Zusammenhang auf die US-Patente 42 34 797 und 44 19 584 hingewiesen, in denen Ionenstrahlimplantationssysteme beschrieben sind, die insbesondere zum Dotieren von Halbleitersubstraten geeignet sind.

Werkstücke, wie beispielsweise Halbleiterwafer werden während der Teilchenimplantation geladen. Die Gründe für diese Aufladung sind kompliziert und in ihrem Grunde nicht voll verstanden. Die empirische Tatsache ist die, daß neben der in das Werkstück durch den Ionenstrahl selbst injizierte Ladung eine zusätzliche Ladung von Elektronen oder Gasionen in der Nähe des Werkstücks injiziert werden kann, und es können sowohl positive Ionen als auch Elektronen von dem Wafer freigegeben werden.

Die Aufladung des Wafers tritt dann auf, wenn der Implantierstrahl aus Neutralteilchen besteht und auch dann, wenn er positive oder negative Ionen enthält. Die Ladung des Wafers erfolgt, obwohl die Nettoladung im Implantierstrahl durch in den Strahl injizierte Elektronen neutral gemacht wird.

Die Nettoladung an der Oberfläche des der Ionenimplantation ausgesetzten Wafers ist typischerweise positiv. Der Spannungsgradient zwischen der Werkstückoberfläche und nahe bei geerdeten Leitern, der sich aus der Nettoladung ergibt, ist aus mehreren Gründen unerwünscht. Der Ladungsaufbau kann eine elektrische Entladung durch das Werkstück in eine geerdete Rückplatte zur Folge haben. Das Werkstück kann bis zu 0,05 cm dünn sein, so daß eine Oberflächenspannung von 500 Volt ein 10 000 Volt/cm elektrisches Feld erzeugt, was zerstörende elektrische Durchbrüche zur Folge haben kann.

Der Spannungsgradient an der Oberfläche kann in nachteiliger Weise die Ladungsneutralität des Ionenstrahls zusammen mit den ihn begleitenden Elektronen bewirken. Die Ladungsneutralität des Ionenstrahls wird aufrechterhalten, um eine Aufweitung des Strahls zu verhindern, und zwar infolge der Raumladung in Strahlen mit hoher Stromdichte. Die Ladungsneutralität wird dadurch erhalten, daß man Elektronen mit niedriger Energie in den Ionenstrahlraum aufwärts gegenüber dem Werkstück eingibt, um die positive Ladung der Ionen zu kompensieren. Eine positive (negative) Spannung am Werkstück wird Elektronen niedriger Energie anziehen (abstoßen), die Neutralität des Strahls zerstören und das unerwünschte Aufblähen des Strahls hervorrufen.

Schließlich kann der Oberflächenspannungsgradient den Implantierstrahl ablenken und seine Energie ändern. Die Strahlungsablenkung kann nicht akzeptable Ungleichförmigkeiten der Implantationsdosisverteilung über das Wafer hinweg zur Folge haben. Aus allen diesen Gründen ist es wichtig, daß die Spannung an der Oberfläche des Werkstücks, die sich durch den Ladungsaufbau ergibt, auf einen tolerierbaren Wert gehalten wird, und zwar typischerweise weniger als 100 Volt; in einigen Fällen weniger als 10 Volt.

Um den Nettoladungsaufbau zu minimieren, wurden Verfahren verwendet, um das Werkstück mit Elektronen zu "überfluten". Damit diese Verfahren erfolgreich sind, ist es jedoch wichtig, ein Verfahren zur Messung der Ladung an den Werkstücken vorzusehen.

Die Notwendigkeit für eine Ladungsmeßvorrichtung und auch die Erfordernisse hinsichtlich der Empfindlichkeit und des zeitlichen Ansprechens ergeben sich aus einer Betrachtung der gleichförmigen Aufladung einer typischen Halbleiterwerkstückwaferscheibe mit dem Radius R, und zwar durch einen Ionenimplantierstrahl, der eine elektrische Nettoladung im Werkstückgebiet abscheidet.

Typische Zahlen für die Ionenimplantation von Halbleitern für die Vorrichtungsherstellung erzeugen Stromdichten in der Größenordnung von 10 A/m², so daß dann, wenn der volle Strom das Werkstück laden würde, die Ladungsdichte mit einer Geschwindigkeit von 10 Coulomb/m²/sec. wachsen würde. Das sich aus dem Ladungsaufbau ergebende Potential in Volt kann für beide Punkte längs der Achse durch die Mitte einer kreisförmigen Werkstückscheibe und für Punkte längs des Werkstücksumfangs bestimmt werden.

Für Punkte entlang einer Achse, mit Abstand Z von der Mitte der Scheibe, wird die Spannung V, die sich aus einer gleichförmigen Ladungsdichte σ ergibt, durch die folgende Gleichung gegeben:

Das ladungsinduzierte elektrische Feld erstreckt sich weit vor das Werkstück. Gemäß Gleichung (1) ist die Spannung noch immer 10% des Maximalwerts an einem Abstand längs der Achse gleich 5mal dem Werkstückradius.

Die Spannung am Umfang, und zwar mit einem Abstand R gegenüber der Mitte der gleichförmig geladenen Scheibe wird gegeben durch die Gleichung (2)

Perimeter=Umfang.

Dieser Wert ist ungefähr 65% desjenigen in der Mitte. Es existiert somit ein radiales elektrisches Feld, welches die Strahltrajektorien verformen kann, selbst wenn die Ladungsdichte am Werkstück gleichförmig ist.

Die typische Ionenstrahlimplantationpraxis fordert, daß die Spannung am Werkstückwafer niemals 100 Volt übersteigt und vorzugsweise unterhalb 10 Volt gehalten wird. Diese Einschränkungen sehen strenge Erfordernisse hinsichtlich des zu den Werkstücken fließenden Nettostromes vor. Die Spannung in der Mitte eines typischen Werkstückes mit einem Radius von 5 cm steigt mit der Rate oder Geschwindigkeit von 360 Volt/sec. an, wenn ein Nettostromfluß von einem Nanoampere auftritt. Dieser Stromfluß ist ein Millionstel des typischen in das Werkstück injizierten direkten Ionenstroms ("direct ion current").

Offenbarung der Erfindung. Die vorliegende Erfindung mißt die Ladung an einem Werkstück mit einer Genauigkeit und Empfindlichkeit, ausreichend um den Bedürfnissen der Teilchenstrahlbehandlungssysteme zu genügen. Die Kenntnis hinsichtlich der Ladungsdichte und der Verteilung wird dazu verwendet, um mit dem Ladungsaufbau einhergehende schädigende Feldstärken zu vermeiden. Die Integrität des Werkstücks wird sichergestellt, und die Strahlungssteuerung wird beibehalten.

Ein typisches Teilchenstrahlsystem weist eine Quelle auf, um einen Teilchenstrahl auf ein Werkstück zu lenken, um eine Verteilung der Teilchen zur Kontaktierung einer Werkstückoberfläche hervorzurufen. Ein derartiges System wird beispielsweise zur Dotierung von Halbleitermaterial in der Form von individuellen Wafers benutzt, die für eine Bewegung durch einen geladenen Ionenstrahl gehaltert sind. Der Kontakt zwischen dem Strahl aus Teilchen (Teilchenstrahl) und einer Werkstückoberfläche ergibt einen Ladungsaufbau, der durch einen Ladungsdetektor festgestellt wird, welcher bezüglich der Werkstückoberfläche angeordnet ist. Der Detektor bestimmt die Ladungsverteilung am Werkstück mittels eines Leiters, der gegenüber dem Werkstück isoliert (getrennt) ist und auf das Werkstück hinweist. Der Leiter erfährt infolge Induktion von der Ladung an der Werkstückoberfläche einen Ladungsaufbau. Ein mit dem isolierten Leiter gekoppelter Sensor fühlt den Ladungsaufbau am Leiter ab und fühlt dadurch den Ladungsaufbau an der Werkstückoberfläche ab.

Gemäß einem System wird eine Anzahl von Halbleiterwafers auf einer sich drehenden Scheibe getragen und durch einen Strahl aus geladenen Ionen bewegt, welche die Halbleiterwafers dotieren. In diesem System weist der Ladungsfühler einen Ladungsintegrator auf, der ein sich mit der Zeit änderndes Signal erzeugt, und zwar proportional zur Ladungsdichte an jedem Wafer, wenn dies am Detektor vorbeiläuft. Die Gleichförmigkeit des Teilchenionenstrahlauftreffens kann unter Verwendung eines solchen Verfahrens detektiert werden, und zudem kann die Information hinsichtlich der Ladungsdichte dazu verwendet werden, den Ladungsaufbau in gesteuerter Weise zu verteilen oder abzuleiten.

Diese gesteuerte Verteilung oder Ableitung wird über eine Entladungsvorrichtung erreicht, die nächst der Laufbahn der Wafers angeordnet ist. Elektronen werden typischerweise zu jeder Waferoberfläche hingeleitet, um den positiven Ladungsaufbau zu verteilen oder abzuleiten, der sich aus dem Teilchenauftreffen auf dem Wafer ergibt. Eine mit dem Ladungsdetektor und der Verteilschaltung gekoppelte Steuerschaltung stellt die Verteilungs- oder Ableitrate (Geschwindigkeit) ein, und zwar um der Rate oder Geschwindigkeit des Ladungsaufbaus zu entsprechen, wenn dieser Aufbau stattfindet.

Der bevorzugte Detektor umfaßt eine Nachweisebene, die von einem isolierten Gehäuse umschlossen ist, und zwar mit einer Vorderoberfläche (Vorderseite) elektrisch isoliert vom Gehäuse. Dieser Detektor ist in enger Nachbarschaft zu einem rotierenden Träger angeordnet, so daß dann, wenn einzelne integrierte Schaltungswafer an der Nachweisebene vorbeilaufen, die Ladung auf den Wafers detektiert wird.

Aus der obigen Beschreibung erkennt man, daß ein Ziel der Erfindung darin besteht, die Ladung in einem Strahlteilchensystem zu steuern, wobei der durch den Teilchenstrahlkontakt mit dem Werkstück hervorgerufene Ladungsaufbau überwacht wird und vorzugsweise gesteuert wird, um Probleme infolge des Ladungsaufbaus zu vermeiden. Dieses Ziel sowie weitere Ziele und auch Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus einer ins einzelne gehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung, in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische schematische Darstellung eines Teilchenstrahlsystems für die Ionenimplantation;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des Systems der Fig. 1, wobei die Beziehung zwischen einzelnen Halbleiterwafers und einem Ladungsdetektor dargestellt ist;

Fig. 3A bis 3C schematisch eine sich mit der Zeit ändernde Beziehung zwischen einem Detektor und der Ionenimplantation ausgesetzten Mehrfachhalbleiterwafers;

Fig. 4A und 4B Spannungs-Strom- und Ausgangssignal-Wellenformen für die Detektoren der Fig. 3;

Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines Steuersystems, verwendet für die Entladung positiver Ladung, die sich auf einer Werkstückoberfläche aufgebaut hat, und

Fig. 5A ein schematisches Diagramm einer Elektronenquelle und einer Steuerschaltung.

Im folgenden wird die beste Art und Weise zur Durchführung der Erfindung beschrieben. Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Strahlimplantationssystems 10. Werkstücke in der Form von dünnen Halbleiterscheiben 12 werden auf einem Träger 14 gehalten, der mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit w sich vor einem Ionenstrahl 16 dreht. Die Scheiben 12 können mit dem Träger 14 ausgerichtet sein, oder aber sie können unter einem Winkel (typischerweise 7°) gehalten werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Ein positiver Ionenstrahl 16 von einer Ionenbeschleunigungsquelle 18 wird elektrisch neutral durch die Einführung von Elektronen 20 mit niedriger Energie oberhalb den über dem Werkstück gehalten. Dies geschieht auch auf dem Gebiet der Ionenimplantation bekannte Verfahren. Trotz der Neutralität des Ionenstrahls werden die Scheiben 12 geladen, und zwar typischerweise positiv, wie dies angedeutet ist. Eine Elektronenquelle 22 sprüht Elektronen auf die Scheiben während der Implantation, um eine elektrische Nettoneutralität des zum und vom Werkstück fließenden Stroms aufrechtzuerhalten. Abweichungen gegenüber dieser Neutralität führen zu einem Ladungsaufbau und Spannung an der Oberfläche der Scheiben.

Nach dem Durchlaufen des Ionenstrahls laufen die Scheiben vor der Oberfläche der Nachweisebene 30 vorbei, die in einem isolierten Gehäuse 32 umschlossen ist, und zwar mit einer Abdeckung 34, welche (Fig. 2) elektrisch gegenüber dem Gehäuse 32 und der Nachweisebene 30 isoliert ist. Die Frontabdeckung 34 ist typischerweise ein Isolator, kann aber ein elektrisch schwimmender Leiter sein. In der Konfiguration der Fig. 1, wo die Stirnfläche des Werkstücks mit dem Halter ausgerichtet ist (in einer Ebene liegt), ändert sich der Spalt zwischen der Nachweisebene und der Wafer tragenden Platte niemals, so daß die Kapazität des Systems konstant ist. Die induzierte Ladung auf der Nachweisebene 30 wird durch ein Integral der Fläche, mit der die Nachweisebene die Scheibe überlappt, gegeben, und zwar multipliziert mit der Ladungsdichte.

Die induzierte Ladung an der Nachweisebene wächst, wenn eine elektrisch geladene Scheibe in die Sichtlinie der Nachweisebene eintritt; vgl. Fig. 3A. Nach dem anfänglichen Übergansansprechen infolge der Änderung der Ladungsfläche, gesehen durch die Nachweisebene, erreicht die induzierte Ladung an oder auf der Nachweisebene einen konstanten Wert während der in Fig. 3B gezeigten Position. Wenn das Werkstück aus der Sicht der Nachweisebene läuft, Fig. 3C, so verschwindet die induzierte Ladung an der Nachweisebene.

Die induzierte Ladung als eine Funktion der Zeit ist ein Strom, der in einen Integrator 40, Fig. 3, eingegeben wird. Ein Ausgangssignal vom Integrator 40 ist proportional zur Gesamtladung an der Nachweisebene, dividiert durch die Kapazität eines Rückkopplungskondensators 42. Die Zeitkonstante der Integrierschaltung ist kurz, verglichen mit den Einschwingkanteneffekten, aber lang, verglichen mit der Zeit, die für das Wafer erforderlich ist, um die Nachweisebene zu durchschreiten. Die Ausgangsspannung vom Integrator gibt sodann ein gemitteltes Signal proportional zur Ladungsdichte an der Mitteloberfläche des Wafers 12.

Die Fig. 4 zeigt die Strom- und Spannungssignale, erzeugt aus einer gleichförmigen und nicht-gleichförmigen Ladungsdichte am Werkstück; die Zeitpositionen t ₀, t ₁ und t ₂ in Fig. 4 entsprechen den entsprechenden Positionen gemäß Fig. 3A, bzw. 3B bzw. 3C. Eine gleichförmige positive Ladungsverteilung am Werkstück hat eine Spannungsverteilung gemäß Fig. 4A1 zur Folge. Wenn das Werkstück sich an der Nachweisebene 30 vorbeibewegt, so fließt ein Strom - vgl. Fig. 4A2 - in den Integrator, was eine Ausgangsspannung vom Integrator gemäß Fig. 4A3 zur Folge hat. Wenn die Ladungsverteilung am Werkstück nicht gleichförmig ist, sondern beispielsweise eine glockenförmige Verteilung mit der Spitze an der Wafermitte aufweist, vgl. dazu Fig. 4B1, so ist die Ausgangsspannung proportional zur Ladungsdichte, gemittelt über die Integrationszeitkonstante und erscheint, wie dies in Fig. 4B3 gezeigt ist.

In der tatsächlichen Praxis sind die Halbleiterwafer 12 unter einem schematisch in Fig. 2 gezeigten Winkel von 7° gegenüber dem Werkstückhalter 14 angeordnet, so daß die Oberflächen des Werkstücks und des Trägers nicht ausgerichtet sind. Es ergeben sich somit induzierte Spannungen infolge der sich ändernden Kapazität, wenn die Nachweisebene durch das rotierende System durchschritten wird. Derartige Änderungen sind jedoch im wesentlichen äquivalent zu den Änderungen infolge der Änderung der Überlappungsfläche zwischen dem Wafer und der Nachweisebene und werden unter den oben beschriebenen Übergangs- oder Eingangssignalen subsumiert.

Eine Integrationszeitkonstante für die induzierte Ladung wird gewählt, um Übergangsansprechgrößen zu eliminieren, wobei richtiges Maß für die sich langsam ändernde Ladung über die Waferoberfläche gegeben wird. Dies ist für den derzeitigen Zustand der Vorrichtungsherstellung unter Verwendung von energetischen Projektilstrahlen adäquat. Die Konstanz von sowohl der Geometrie wie auch der Drehzahl des Waferhalters machen die präzise Analogsubtraktion der Signale praktikabel, die sich aus geometrischen Effekten ergeben. Dies macht die Messung der Ladungsverteilungen über das Wafer hinweg möglich.

In der idealen Geometrie eines geladenen Wafers, welches sich in einem ausgezeichneten Vakuum bewegt, kann die Ladungsdichteverteilung ohne Abschirmung der Nachweisebene 30 genau gemessen werden. Die Umgebung einer Ionenimplantiervorrichtung liegt vom Ideal weit weg. In das System wird absichtlich im allgemeinen ein Restgas eingeführt, um die Nettoladung am Strahl zu neutralisieren. Es gibt Ionen und Elektronen mit breiten Energieverteilungen, die sich zufällig in dem Volumen bewegen und folgedessen gibt es eine Streuung der Strahlprojektile. Diese ambienten (in der Umgebung vorhandenen) geladenen Teilchen erzeugen, wenn sie auf die Nachweisebene auftreffen können, Ströme, welche die Nachweisebenenmessungen korrumpieren.

Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Isolation (Trennung) der Nachweisebenen gegenüber direkten Strömen (direct currents = Gleichströme) durch die Frontabdeckung 34. Die Isolation muß transparent für den Induktionseffekt sein, der zur Messung der Ladung am Werkstück verwendet wird. Es ist daher notwendig, daß die Oberfläche der Abdeckung 34 elektrisch isoliert ist. Im derzeit verwendeten offenbarten Ausführungsbeispiel wird diese Isolation dadurch erreicht, daß man die Oberfläche aus einem isolierenden Keramikmaterial macht. Beim anderen Ausführungsbeispiel wird die Isolation dadurch erreicht, daß man eine Frontoberfläche aus einem dünnen Leiter macht und diesen Leiter gegenüber der Abdeckung 34 elektrisch isoliert.

Die Eichung. Der in geeigneter Weise integrierte induzierte Strom mißt die Ladungsdichte am Werkstück. Die Spannung an der Werkstückoberfläche kann theoretisch aus der Ladungsdichte abgeleitet werden. In der Praxis wird ein Ladungsinduktormeter (Ladungsinduktionsmeßgerät) durch Messung der induzierten Ausgangsspannung vom Integrator geeicht, wobei sich diese Spannung aus der Anordnung einer bekannten Ladung über eine geeichte Batterie an eine leitende Replik des sich drehenden Werkstücks ergibt. Zahlreiche Versuche bei unterschiedlichen Bedingungen zeigten, daß das System der beschriebenen Art ohne weiteres ein 10-Volt-Potential am Werkstück detektieren kann; das minimal detektierbare Potential am Werkstück beträgt ungefähr 2 Volt mit dem Integrator 40 gemäß Fig. 3.

Die Ansprechzeit. Im einfachsten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine einzige Nachweisebene 30 derart - vgl. Fig. 1 - angeordnet, daß die Mitte des Werkstückes nach jeder Implantationsdosis vor der Nachweisebene kreuzt. In einem typischen industriellen Anwendungsfall rotieren die Scheiben mit einem mittleren Radius von ungefähr 11 Zoll (1 Zoll=2,54 cm) mit einer Drehzahl von 800 U/min. Wenn die Nachweisebene 30 um 15° der Drehung gegenüber dem Strahl getrennt ist, so wird die Ladungsmessung innerhalb von 5 msec jeder Implantation vorgenommen. Diese Zeit ist für eine effektive Überwachung der Spannung an der Scheibe kurz genug, um zu verhindern, daß die Spannung einen vorbestimmten Wert übersteigt.

Die Steuerung. Das Signal von der Nachweisebene 30 wird zur Steuerung der Ladung der Scheiben 12 verwendet, und zwar durch Veränderung der Dichte der die Scheiben überflutenden Elektronen. Ein Blockdigramm für ein derartiges Steuersystem 50 ist in Fig. 5 gezeigt. Die Ausgangsspannung vom Integrator wird durch einen Analog- zu Digitalumsetzer 52 digitalisiert. Das digitalisierte Signal wird sodann verarbeitet und an eine Elektronenflutsteuerschaltung 54 abgegeben, die mit Elektronenquelle 22 gekoppelt ist. In einem Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 5A) ist die Quelle 22 ein sekundärer Elektronenemitter, wo die Anzahl der Sekundärelektronen pro Sekunde ohne weiteres dadurch gesteuert wird, daß die Beschleunigungsspannung der primären Elektronenquelle im Emitter gesteuert wird.

Die Elektronenquelle 22 weist einen Wolframkathodenemitter 60 auf, ein Extraktionsgitter 62 und ein Target (Ziel) 64 zum Stoppen der Primärelektronen. Die Primärelektronen werden auf 300 Elektronen Volt beschleunigt und dann gestoppt, wenn sie mit der Targetoberfläche kollidieren. Die Sekundärelektronen werden sodann aus der Targetoberfläche mit einer Energie ausgestoßen, die wesentlich kleiner ist als die Energie der Primärelektronen. Da das Target nahe 0 Volt vorgespannt ist, ist die für ein Elektron zum Entweichen erforderliche Energie die Austrittsarbeit (Arbeitsfunktion) des Targetmaterials. Die Anzahl der entweichenden Sekundärelektronen ist direkt proportional zur Anzahl der Primärelektronen und der Sekundärelektronenausbeute für das Targetmaterial. Die entweichenden Elektronen besitzen einen Energiebereich, beginnend mit der Austrittsarbeit und endend mit 300 Elektronen-Volt, wobei jedoch die größte Anzahl von Elektronen das untere Energiespektrum bevölkern und ein Maximum bei 25 eV erreichen.

Das Target 64 ist derart positioniert, daß die meisten der Elektronentrajektorien den Ionenstrahl 16 vor der Implantationsoberfläche kreuzen. Dies ist ein wichtiges Merkmal insofern, als die negative Aufladung der Implantationsoberfläche minimiert wird, wenn der Ionenstrahl fehlt.

Die Elektronenquellensteuervorrichtung 54 weist eine Fadenleistungsversorgung 70 auf, eine Kathodenvorspannungsleistungsversorgung 72 und Elektronikmittel zur Steuerung des primären Elektronenstroms der Quelle 22. Der primäre Elektronenstrom wird durch Veränderung der Ausgangsgröße der Fadenleistungsversorgung 70 gesteuert. Die Ausgangsgröße der Fadenversorgung wird als eine Funktion der Differenz zwischen einer primären Stromeingangsgröße 76 von der Steuervorrichtung 53 und einer Rückkopplungs-Primärstromeingangsgröße 78 gesteuert. Die Differenz dieser zwei Signale ist mit der Leistungsversorgung 70 gekoppelt, um den Strom durch die Kathode zu regulieren. Verstärker U 1 liefert eine Ausgangsspannung proportional zum Primärstrom Ip. Ein Verstärker U 2 liefert eine Ausgangsspannung, proportional zum Sekundärstrom Isec. Ein Verstärker U 3 steuert die Kathodenspannung der Steuerung der Gate zu Source-Spannung eines FFT Q1 als eine Funktion der Differenz zwischen einer voreingestellten Kathodenspannung Vc und der Rückkopplungskathodenspannung. Ein Verstärker U 4 liefert eine Ausgangsspannung proportional zur Kathodenspannung.

Es gibt zwei signifikante Stromschleifen in Fig. 5A, die Primärschleife und die Sekundärschleife. Der Primärschleifenstrom wird durch den 1 Ohm Widerstand R 1 gemessen, wohingegen die Sekundärstromschleife durch den 1 Ohm-Widerstand R 2 gemessen wird. Für die Schaltung der Fig. 5A gelten für die gezeigten Ströme die folgenden Beziehungen:
I1=Ip
I2=Ip-Isec
I3=Isec
Ip=Primärstrom emittiert von der Kathode,
Isec=Sekundärstrom emittiert von der Target- Oberfläche.

Eine einzige Nachweisebene 30 bestimmt die Ladungsverteilung über ein gegebenes Bogensegment der Wafer 12 hinweg, und zwar während jeder Drehung des Trägers. Wenn der Träger quer durch den Strahl während der Drehung einer Translationsbewegung unterworfen wird, wie dies oftmals bei kommerziellen Ionenimplantationsvorrichtungen erfolgt, so mißt die Nachweisebene 30 die Ladungsverteilungen der Bogensegmente vor ihr. Eine einzige Nachweisebene ist im allgemeinen für die meisten Anwendungsfälle adäquat, da die Nachweisebene derart positioniert ist, daß das Bogensegment gemessen wird, welches soeben der Ionenplantation unterworfen wurde.

Die vorliegende Erfindung kann jedoch ohne weiteres auch zur Messung der Ladungsverteilung über ein gesamtes Werkstück hinweg anstelle über einen einzigen Bogen hinweg verwendet werden. Mehrere unabhängige Nachweisebenen sind in einer geeigneten Weise vor dem Drehträger angeordnet. Unabhängige Ladungsinduktionsmeßgeräte können in einer einzigen Kammer angeordnet werden, und zwar mit einem Isolatorfenster zwischen den Stirnflächen der sich drehenden Wafer und der Mehrfachnachweisebenen oder aber sie können in unabhängigen Kammern untergebracht sein. Das einzige Erfordernis besteht darin, daß die Nachweisebene elektrisch isoliert voneinander durch geerdete Ebenen sind, und daß die Ströme von den einzelnen Nachweisebenen durch unabhängige Elektronikmittel verarbeitet werden.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Vorrichtung zur genauen Messung der Ladungsverteilung und somit der Spannung, an einem nicht-leitenden Werkstück während des Ionenbombardments. Die Erfindung basiert auf dem Prinzip, daß die Ladung an der Oberfläche des Werkstücks eine gleiche oder entgegengesetzte Ladung an der Oberfläche eines isolierten Nachweisebenenleiters, angeordnet vor dem Werkstück induziert. Das Werkstück wird mit einer bekannten Geschwindigkeit oder Drehzahl vor der Nachweisebene bewegt, deren Dimensionen, verglichen mit dem Werkstück, klein sind. Die Messung der zeitlichen Verteilung der induzierten Ladung an der Nachweisebene ist ein Maß für die räumliche Verteilung der Ladung auf dem bombardierten Werkstück. Die Nachweisebenenoberfläche ist gegenüber Strömen isoliert, die direkt zu ihrer Oberfläche fließen könnten. Die Erfindung kann für mehrere Zwecke verwendet werden, die für die Halbleiterindustrie von Wichtigkeit sind: Überwachung der Oberflächenspannungsverteilung an einem gegebenen Werkstück während des Ionenbombardments; Bestätigung für den Vorrichtungsbenutzer, daß das Werkstück unter bestimmten Werten oder Grenzen der Oberflächenspannungsverteilung implantiert wurde; Steuerung der Oberflächenladungsverteilung am Werkstück durch die Rückkopplung des Ladungsmeßsignals an eine Vorrichtung, welche die Ladung am Werkstück kompensiert.

Claims

1. System zur Leitung eines Teilchenstrahls auf ein Werkstück zur Hervorrufung einer Teilchenverteilung zur Kontaktierung einer Werkstückoberfläche, wobei der Kontakt einen Ladungsaufbau an der Oberfläche zur Folge hat und mit einer Detektorvorrichtung angeordnet in einer Beziehung zur Werkstückoberfläche zur Bestimmung der Ladungsverteilung auf der Werkstückoberfläche, wobei folgendes vorgesehen ist: ein elektrisch gegenüber der Werkstückoberfläche isolierter Leiter, angeordnet in enger Nachbarschaft zur Werkstückoberfläche, so daß die Ladung auf der Werkstückoberfläche eine Ladung am Leiter induziert, und Abfühlmittel zum Abfühlen des Ladungsaufbaus auf dem Leiter.

2. Detektor nach Anspruch 1 zur Verwendung in einem System, wo das Werkstück einen sich drehenden leitenden Träger aufweist, an dem ein oder mehrere Halbleiterwafer angebracht sind, und wobei die Abfühlmittel einen Ladungsintegrator aufweisen, um ein sich mit der Zeit veränderndes Signal zu halten, welches proportional zur Ladungsdichte auf dem Wafer ist, wenn sich der Wafer an dem Detektor vorbei dreht.

3. Vorrichtung, die folgendes aufweist: eine Quelle zur Erzeugung eines Strahls von Teilchen, ein drehbarer Träger zur Bewegung eines oder mehrerer Werkstücke durch den Strahl zur Behandlung der Werkstücke, ein nahe dem Träger angeordneter Detektor zur Abfühlung des Ladungsaufbaus an den Werkstücken, wenn diese behandelt werden, wobei der Detektor einen Leiter aufweist, der gegenüber den Werkstücken isoliert ist und der bei der Bewegung der Werkstücke am Leiter vorbei durch Induktion aufgeladen wird, Ladungsverteilungsmittel, angeordnet nahe dem Träger zur steuerbaren Entladung der Werkstücke, und eine Steuerschaltung zur Kupplung des Detektors mit den Ladungsverteilungsmitteln zur Einstellung der Entladung des einen oder der mehreren Werkstücke infolge der durch den Detektor abgefühlten Ladung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Träger ein Leiter ist und die Werkstücke Halbleiterwafer sind, die am Träger angeordnet sind, und zwar für die Behandlung durch einen Ionenstrahl aus geladenen Teilchen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung Mittel aufweist, um die Ladung zu integrieren, während die Ladung am Leiter induziert wird.

6. Verfahren zum Feststellen der Ladung, hervorgerufen durch den Teilchenstrahlenkontakt mit einer Werkstückoberfläche, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:
Leitung eines Teilchenstrahls auf die Werkstückoberfläche,
Kontaktierung mit der Oberfläche und Erzeugung einer geladenen Zone auf der Oberfläche,
Positionierung eines Leiters nahe der Werkstückoberfläche,
Bewegung des Werkstücks bezüglich des Leiters derart, daß die geladene Zone eine entgegengesetzte Ladung am Leiter induziert, und
Abfühlen der entgegengesetztliegenden Ladung am Leiter.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Werkstück einen drehbar gelagerten Träger zur Anordnung von Halbleiterwafers aufweist und wobei der Positionierungsschritt ausgeführt wird durch Verdrehung der Wafer am Leiter vorbei.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Abfühlschritt dadurch ausgeführt wird, daß man die am Leiter induzierte Ladung integriert.

9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zusätzlich ein Schritt des Entladens der Werkstückoberfläche vorgesehen ist, und zwar durch Ladung geladener Teilchen auf die Oberfläche mit einer mit der abgefühlten Ladung in Beziehung stehenden Intensität.

10. Vorrichtung, die folgendes aufweist:
eine Ionenquelle zur Erzeugung eines Ionenstrahls,
ein drehbarer Träger zur Bewegung eines oder mehrerer Werkstücke durch den Ionenstrahl zur Behandlung der Werkstücke,
ein nächst dem Träger angeordneter Detektor zum Abfühlen des Ladungsaufbaus an den Werkstücken, während diese behandelt werden, wobei der Detektor einen Leiter aufweist, der nächst einem Werkstückpfad derart angeordnet ist, daß, wenn ein geladenes Werkstück an dem Leiter vorbei läuft, der Leiter durch Induktion geladen wird,
Isolationsmittel, positioniert zwischen dem Werkstückpfad und dem Leiter zur Isolierung des Leiters gegenüber Kontakt mit der Ladung in der Zone des Detektors,
Ladungsverteilungs- oder Ableitemittel, angeordnet nächst dem Träger zur steuerbaren Entladung der Werkstücke, und
eine Steuerschaltung zur Kupplung des Detektors mit den Ladungsverteilungsmitteln zur Einstellung der Entladung des erwähnten einen oder mehrerer Werkstücke infolge der durch den Detektor abgefühlten Ladung.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Steuerschaltung Mittel aufweist, um einen Spannungsgradienten zu messen, wenn ein Werkstück vor dem Detektor vorbeiläuft.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Ladungsverteilungsmittel eine Kathode aufweisen zum Emittieren von Elektronen und ferner eine Anode zum Auffangen von Elektronen von der Kathode und zur Emission von Sekundärelektronen, welche die Ladung auf den Werkstücken verteilen, und wobei die Steuerschaltung Mittel aufweist, um den von der Kathode emittierten Elektronenstrom zu steuern.