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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine
Ionenquelle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen
Art und insbesondere eine Ionenquelle zum Erzeugen eines
Ionenstrahles, der bei der Herstellung und Bearbeitung von
Halbleitern, Dünnfilmen und dergleichen verwendet werden kann.
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In den zurückliegenden Jahren nahm die Tendenz zur
Verwendung von Ionenstrahlen in Ätz- und Sputtervorrichtungen zum
Bearbeiten und Herstellen von funktionellen Dünnfilmen,
Halbleitern und dergleichen in Verbindung mit zunehmenden
Anforderungen an die Feinheit der Ausführung dieser Elemente mehr und
mehr zu.
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Viele der Ionenquellen zum Erzeugen des Ionenstrahles für
die obigen Anwendungen sind so aufgebaut, daß durch die
Emission von thermischen Elektronen aus einem Glühfaden eine
Lichtbogenentladung aufrechterhalten wird, um dadurch das
Plasma eines gewünschten Gases zu erzeugen, vgl. Rev. Sci.
Instrum., Bd. 53 Nr. 7, Juli 1982, Seiten 1038-1048, S. Tanaka
et al: "Reduction of gas flow into a hollow cathode ion source
for a neutral beam injector". Die herkömmliche Ionenquelle
dieser Art hat jedoch den Nachteil, daß die Lebensdauer des
Glühfadens so kurz ist, daß ein häufiges Auswechseln davon
erforderlich ist. Dies liegt daran, daß das Plasma aus einem
Gas zu erzeugen ist, das für solche Anwendungen wie Ätzen oder
dergleichen eine hohe Reaktivität aufweist.
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Dieses Problem kann durch Ausweichen auf die Anwendung
einer Hochfrequenzentladung (Radiofrequenz- oder Hf-Entladung)
oder einer Mikrowellenentladung zum Erzeugen des Plasmas
umgangen werden. Eine Ionenquelle dieses Typs kann über eine
verlängerte Nutzlebensdauer betrieben werden, da kein
Glühfaden mehr verwendet wird. Die auf der Basis der
Hochfrequenzentladung betriebene Ionenquelle ist seit langem untersucht
und wird zum Beispiel in dem Artikel von C.J. Cook et al:
"Energy Anomalies Observed in Ion Beams Produced by RF
Sources" in Rev. Sci. Instrum., Bd. 33 Nr. 6, Seiten 649-652
(1962) beschrieben. Wie in dieser Literaturstelle auch
erläutert wird, ist es bekannt, daß der aus einem Plasma, das
durch eine Hochfrequenzentladung erzeugt wird, abgeleitete
Ionenstrahl einen Energiepegel aufweist, der im Mittel um
mehrere hundert eV (als Überschußenergie bezeichnet) höher ist
als das Extraktionspotential und der eine ziemlich breite
Energieverteilung zeigt.
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Andererseits haben die Erfinder der vorliegenden
Anmeldung experimentell festgestellt, daß die Anzahl von Ionen, die
in einem Ionenstrahl mit einem Energiepegel, der nicht größer
ist als 1 keV und der von einem mittels Hochfrequenzentladung
(Hf-Entladung) erzeugten Plasma abgeleitet wird, im Vergleich
zu der aus einem Plasma abgeleiteten Ionenstrahl klein ist,
das mittels Lichtbogenentladung oder Mikrowellenentladung
erzeugt wird und das eine Dichte hat, die der des mittels der
erwähnten Hochfrequenzentladung erzeugten Plasmas entspricht.
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Ionenquellen, bei denen eine Mikrowelle verwendet wird,
sind im einzelnen zum Beispiel in dem Artikel von N. Sakudo et
al: "Microwave Ion Source" in "Rev. Sci. Instrum.", Bd. 48 Nr.
7, (Juli 1977), Seiten 762-766 beschrieben. Eine Ionenquelle
dieser Art hat eine schmale Energieverteilung und erzeugt
keine Überschußenergie, im Unterschied zu der Ionenquelle des
Hochfrequenzentladungstyps. Die Mikrowellen-Ionenquelle kann
daher vorteilhaft als Ionenquelle für
Ionenimplantationsvorgänge verwendet werden, bei denen eine Massenseparation
erfolgt. Die von der Mikrowellen-Ionenquelle hervorgerufene
Dichteverteilung des Plasmas weist jedoch nicht immer die
gewünschte Gleichförmigkeit auf. Wenn ein Ionenstrahl mit einer
Energie in der Größenordnung von mehreren hundert eV aus einem
Plasma abgeleitet wird, das von einer Mikrowellen-Ionenquelle
für einen Ätzprozeß erzeugt wird, weist der Ionenstrahl eine
Intensitätsverteilung auf, die im wesentlichen proportional zu
der Plasmadichteverteilung ist. Entsprechend ist es bei einer
Ätzvorrichtung, bei der eine Ionenquelle des
Mikrowellen-Entladungstyps verwendet wird, schwierig, über eine große Fläche
eine gleichmäßige Ätzrate zu erhalten. Um einen Strahl mit
großem Durchmesser zu erzeugen (d. h. einen Ionenstrahl mit
einer großen Fläche), ist eine große Plasmakammer
erforderlich. In diesem Fall ist es jedoch notwendig, eine
Impedanzanpassung für die Einführung der Mikrowellenleistung in die
Plasmakammer vorzusehen, wodurch sowohl bei der Auswahl der
Abmessungen eines Wellenleiters als auch der der Plasmakammer
Beschränkungen zu beachten sind. Bei der praktischen Anwendung
unterliegt auch die Größe einer zylindrischen Spule zum
Erzeugen eines Magnetfeldes Beschränkungen.
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In der FR-A-2 550 681 ist eine Ionenquelle mit einer
Hochfrequenzentladung zwischen zwei Elektroden und einer
Plasma-Expansionskammer zum Erhalten einer verbesserten
Intensitätsverteilung beschrieben.
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Im Lichte des oben beschriebenen Standes der Technik ist
es Aufgabe der Erfindung, eine Ionenquelle zu schaffen, die in
der Lage ist, einen Ionenstrahl mit einer großen Fläche zu
liefern, ohne daß das Volumen einer Plasmaerzeugungskammer
vergrößert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Ionenquelle umfaßt eine
Plasmaerzeugungskammer mit einem Innenraum, der zum Erzeugen eines
Plasmas mittels einer Mikrowellenentladung mit einem Gas versorgt
wird und der mit einer ersten Magneteinrichtung zum Begrenzen
eines Plasmabereiches sowie mit einer an der Seite der
Plasmaerzeugungskammer vorgesehenen Plasmaexpansionskammer
ausgerüstet
ist, an der eine Ionenstrahl-Extraktionseinrichtung
angeordnet ist, wobei die Plasmaexpansionskammer eine zweite
Magneteinrichtung zum Begrenzen und Halten eines
Plasmabereiches mit einer größeren Fläche als der des Plasmabereiches
in der Plasmaerzeugungskammer aufweist.
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit
der beiliegenden Zeichnung hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die Fig. 1 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine
beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Ionenquelle zeigt.
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Die Fig. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie V-V in
der Fig. 1.
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Die Fig. 3 ist eine Schnittansicht längs der Linie VI-VI
in der Fig. 1.
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Die Fig. 4 ist eine vertikale Schnittansicht einer
weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionenquelle.
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Die Fig. 5 ist eine Aufsicht auf die Ionenquelle der Fig.
4.
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Die Fig. 6 und 7 sind graphische Darstellungen von
Plasmadichteverteilungen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug zu der
Zeichnung im Detail beschrieben.
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In der Fig. 1, die in einer vertikalen Schnittansicht
eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Ionenquelle zeigt, weist eine Plasmaerzeugungskammer, die
insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet wird, eine
zylindrische Seitenwand 15 auf. Die Plasmaerzeugungskammer 1 ist an
ihrer Unterseite mit einer Plasmaexpansionskammer 2 versehen.
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Das heißt, die Plasmaexpansionskammer 2 weist eine Oberseite
auf, die mit der Plasmaerzeugungskammer 1 verbunden ist, und
sie besitzt eine vergrößerte zylindrische Seitenwand 16 und
eine Strahlextraktionselektrode 4. Mit der
Plasmaexpansionskammer 2 ist an deren Unterseite über ein dazwischenliegendes
Isolationselement 9a ein Vakuumbehälter 17 verbunden. In der
Vakuumkammer 17 ist ein Halter 6 angeordnet, der drehbar
angebracht und mit Wasser gekühlt ist. Auf dem Halter 6 befindet
sich ein zu bearbeitendes Werkstück 5. Die gesamte Anordnung
mit der Plasmaerzeugungskammer, der Plasmaexpansionskammer und
dem Vakuumbehälter wird über einen Evakuierungsauslaß 18
evakuiert, so daß im gesamten System ein Vakuum vorliegt.
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Im Falle der vorliegenden Ausführungsform besitzt die
Plasmaexpansionskammer 2 ein Volumen, das fünf mal so groß wie
das der Plasmaerzeugungskammer 1 ist. Die
Plasmaexpansionskammer 2 bewirkt eine Expansion des in der Kammer 1 erzeugten
Plasmas, das eine Tendenz zur Diffusion hat.
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Um den äußeren Umfang der Seitenwand 15 der
Plasmaerzeugungskammer 15 ist eine zylindrische Spule 14 angeordnet, um
ein magnetisches Gleichfeld in Längsrichtung der zylindrischen
Spule 14 anlegen zu können.
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In die Plasmaerzeugungs- oder Quellenkammer 1 wird nach
deren Evakuierung durch den Einlaßanschluß 8 ein reaktives Gas
eingeleitet, während über einen Wellenleiter 13
Mikrowellenleistung mit einer Frequenz von 2,45 GHz zugeführt wird. Die
Intensität des angelegten Magnetfeldes wird so eingestellt,
daß die Elektronen-Zyklotronresonanzfrequenz (ECR-Frequenz)
etwa gleich der der zugeführten Mikrowellenleistung ist.
Alternativ kann die Intensität des angelegten Magnetfeldes
etwas höher als die der letzteren eingestellt werden. Unter
der Einwirkung der Resonanz, die zwischen dem Plasma und der
Mikrowellenleistung eintritt, wird das eingeleitete Gas
ionisiert und bildet ein Plasma hoher Dichte. Zum Beispiel kann,
wenn Sauerstoffgas (O&sub2;) verwendet wird, eine Plasmadichte von
0,5 · 10¹² bis 1 · 10¹² (cm&supmin;³) erhalten werden. Die
Gleichförmigkeit der Plasmadichteverteilung ist jedoch nicht
zufriedenstellend, wie aus der Fig. 6 hervorgeht. Wenn der Ionenstrahl
direkt aus der Plasmaerzeugungskammer 1 abgeleitet wird, ist
die Intensitätsverteilung des abgeleiteten Ionenstrahles nicht
gleichmäßig. Um dieses Problem zu lösen, lehrt die Erfindung
das Vorsehen der Plasmaexpansionskammer 2. Bei diesem Aufbau
kann die Verteilung der Plasmadichte in der
Plasmaexpansionskammer 2, die zum Eingrenzen und Halten des Plasmas mit
Permanentmagneten 10b ausgestattet ist, durch die Diffusion des
Plasmas erheblich gleichmäßiger gemacht werden, wie sich aus
der Fig. 7 ergibt, mit dem Ergebnis, daß die
Intensitätsverteilung des aus der Plasmaexpansionskammer 2 abgeleiteten
Ionenstrahles über eine große Fläche gleichmäßiger wird.
Nebenbei bemerkt ist der Verlust von Plasma in der
Plasmaexpansionskammer 2 so gering, daß er vernachlässigbar ist.
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Es ist nun ersichtlich, daß eine Ionenkammer mit dem in
den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Aufbau die Ableitung eines
Ionenstrahles mit einer gleichförmigen Intensität über eine
vergrößerte Fläche mittels einer Anordnung erlaubt, mit der
die Dichteverteilung des in der Plasmaquellenkammer 1
erzeugten Plasmas durch das Vorsehen der Plasmaexpansionskammer 2
vergleichmäßigt wird.
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Gemäß Fig. 3 wird das Magnetfeld 19 wie im Falle der
vorstehenden Ausführungsform durch die Permanentmagneten 10b
in sternförmiger Multicusp-Geometrie ausgebildet. Es ist
jedoch anzumerken, daß bei jeder Ausführungsform auch eine
zylindrische Spule verwendet werden kann, wenn der Durchmesser
der Plasmaexpansionskammer 2 klein ist. Entsprechend kann
gesagt werden, daß das Vorsehen von Magneteinrichtungen, die in
der Lage sind, das Plasma von den Seitenwänden 16 der
Plasmaexpansionskammer 2 fernzuhalten, ausreichend ist.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Ionenquelle, die dafür vorgesehen ist, einen
Ionenstrahl mit einer weiter vergrößerten Fläche abzuleiten,
der mittels einer Mikrowellenentladung erzeugt wird. Wie aus
der Fig. 5 hervorgeht, weist die zylindrische
Plasmaexpansionskammer 2 mit ringröhrenartiger Konfiguration und mit
einem größeren Plasmabereich als die Plasmaerzeugungskammer 1
eine Anzahl von Permanentmagneten 10b auf, die um den inneren
und den äußeren Umfang der Seitenwand 16 angeordnet sind, um
ein Magnetfeld mit Multicusp-Geometrie zu erzeugen. An der
Plasmaexpansionskammer 2 sind an Stellen, die im wesentlichen
symmetrisch zueinander liegen, zwei Plasmaerzeugungskammern l
mit zylindrischen Spulen 14 und Wellenleitern 13 angeordnet,
um ein Plasma zu erzeugen und zu halten. Durch die beiden
Plasmaerzeugungskammern 1 wird mittels des vor stehend in
Verbindung mit der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform
beschriebenen Mechanismusses ein Plasma mit ringröhrenartiger
Geometrie erzeugt. Durch das Anlegen einer vorgegebenen
Spannung an die Ionenstrahl-Extraktionselektrode 4 kann aus dem
Plasma ein hohler Ionenstrahl 7 abgeleitet werden.
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Bei dieser Ausführungsform wird zum Vergrößern der Fläche
des Plasmabereiches die Plasmaexpansionskammer 2 in
ringröhrenartiger, zylindrischer Konfiguration ausgebildet. Dazu wird
wie gezeigt sowohl an den Seitenwänden als auch der oberen
Wand 21 der Plasmaexpansionskammer 2 eine Anzahl von
Permanentmagneten 10b befestigt. An im wesentlich symmetrisch
zueinander liegenden Stellen werden an der
Plasmaexpansionskammer 2 zwei Plasmaerzeugungskammern 1 angebracht.
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Mit der Ionenquelle mit dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten
Aufbau kann ein Ionenstrahl mit einer vergrößerten Fläche und
mit einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung abgeleitet
werden.
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Obwohl bei der vorstehenden Beschreibung der
verschiedenen Ausführungsformen angenommen wurde, daß ein reaktives Gas
verwendet wird, kann mit dem gleichen Ergebnis auch ein
inaktives Gas verwendet werden.
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Wie nun ersichtlich ist, ermöglicht es die Erfindung, die
lehrt, daß bei einer Ionenquelle des Mikrowellenentladungstyps
in Verbindung mit der Plasmaerzeugungskammer auf der Seite, an
der die Ionenstrahlen abgeleitet werden, eine
Plasmaexpansionskammer mit Magneteinrichtungen zum Fernhalten des Plasmas
von den Wänden der Expansionskammer vorgesehen wird, einen
Ionenstrahl mit einer großen Fläche und mit einer
vergleichmäßigten Intensität abzuleiten.