DE3813559A1 - Ion source - Google Patents

Ion source

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DE3813559A1
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Germany
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evaporator crucible
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DE19883813559
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Werner Foditsch
Erich Dr Halder
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ABB Schweiz Holding AG
ABB AB
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Asea Brown Boveri AG Switzerland
Asea Brown Boveri AB
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/08Ion sources; Ion guns
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/022Details

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

An ion source (1) for an ion implanter has a gas-discharge chamber (12) and an evaporator crucible (vaporiser crucible) (9) which are connected to one another via a connecting pipe (11). To permit an operating temperature as low as possible in the evaporator crucible (9), the connection pipe (11) is made from a material which is a very poor heat conductor. In addition, the evaporator crucible (9) is connected to an inlet tube (15) which consists of a material which is a good heat conductor. The connecting pipe (11) preferably consists of quartz (silica) and the inlet tube (15) of copper. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle für einen Ionenimplan­ ter, umfassend eine Gasentladungskammer, welche über ein Ver­ bindungsrohr mit einem Verdampfertiegel in Verbindung steht.The invention relates to an ion source for an ion implant ter, comprising a gas discharge chamber, which via a Ver Connection tube is connected to an evaporator crucible.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden die benötigten Dotierungsprofile heute vielfach unter Verwendung von Ionenimplantern erzeugt. Diese Geräte sind dafür bekannt, daß sie es ermöglichen, wohldefinierte Mengen des gewünschten Dotierstoffes in den Halbleiterkörper einzubringen.In the manufacture of semiconductor devices, the required doping profiles are often used today generated by ion implanters. These devices are known that they allow well-defined amounts of the desired Introduce dopant into the semiconductor body.

Bekanntlich funktioniert ein Ionenimplanter so, daß z.B. eine Feststoffquelle verdampft wird, dieser Dampf in einer Gasentladung ionisiert wird und die so erzeugten Ionen selek­ tiert, beschleunigt und auf den Halbleiterkörper (Wafer) ge­ schossen werden.As is known, an ion implantator works in such a way that e.g. a solid source is evaporated, this vapor in one Gas discharge is ionized and the ions generated in this way are selected  tiert, accelerated and on the semiconductor body (wafer) ge be shot.

Solche Ionenimplanter sind heute standardmäßig im Handel erhältlich, z.B. bei der Firma EATON Semiconductor Equipment.Such ion implanters are standard on the market today available, e.g. at EATON Semiconductor Equipment.

Ein Problem bei dem bekannten Ionenimplanter besteht darin, daß nur Feststoffquellen verwendet werden können, deren Ver­ dampfungstemperatur mehr als ca. 130°C beträgt.A problem with the known ion implanter is that only solid sources can be used, the Ver steaming temperature is more than approx. 130 ° C.

Insbesondere bei der Herstellung von Leistungshalbleitern stellt Aluminium einen wichtigen Dotierstoff dar. Um einen Ionenstrahl der gewünschten hohen Dosis erzeugen zu können, sollte als Feststoffquelle z.B. AlCl3 eingesetzt werden können. Der Dampfdruck AlCl3 ist bei Temperaturen von ca. 150°C jedoch viel zu hoch.Aluminum is an important dopant, particularly in the production of power semiconductors. In order to be able to generate an ion beam of the desired high dose, AlCl 3 , for example, should be able to be used as the solid source. The vapor pressure AlCl 3 is much too high at temperatures of approx. 150 ° C.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Ionenquelle für einen Ionenimplanter, umfassend eine Gasentladungskammer, welche über ein Verbindungsrohr mit einem Verdampfertiegel in Verbin­ dung steht, zu schaffen, welche auch die Verwendung von Fest­ stoffquellen zuläßt, welche eine Arbeitstemperatur von beträcht­ lich weniger als 130°C erfordern.The object of the invention is therefore an ion source for a Ion implanter, comprising a gas discharge chamber, which via a connecting pipe with an evaporator crucible in connection stands to create, which also includes the use of hard Allows material sources that have a working temperature of considerable require less than 130 ° C.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung darin, daß das Verbindungs­ rohr aus einem Material besteht, welches sehr schlecht wärme­ leitend ist und daß der Verdampfertiegel mit einem Einlaßrohr verbunden ist, welches aus einem gut wärmeleitenden Material besteht.According to the invention, the solution is that the connection pipe is made of a material that has very poor heat is conductive and that the evaporator crucible with an inlet tube is connected, which is made of a good heat-conducting material consists.

Vorzugsweise besteht das Verbindungsrohr aus Quarz und das Einlaßrohr aus Kupfer.The connecting tube is preferably made of quartz and that Inlet pipe made of copper.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Further preferred embodiments of the invention result from the subclaims.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:In the following, the invention is intended to be based on exemplary embodiments and will be explained in connection with the drawing. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ionenimplanters; Fig. 1 is a schematic representation of an ion implanter;

Fig. 2 eine Ionenquelle nach dem Stand der Technik, und Fig. 2 shows an ion source according to the prior art, and

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Ionenquelle. Fig. 3 shows an ion source according to the invention.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten Ionenimplanters. Fig. 1 shows a schematic representation of a known ion implanter.

Eine Ionenquelle 1 liefert einen Ionenstrahl 2 eines gewünschten Dotierstoffes. Dieser Ionenstrahl 2 wird z.B. mit 20 KV vorbe­ schleunigt, worauf er in einem Magnetfeld B eines Analysa­ tormagnets 3 abgelenkt wird. Mit einer Blende 4 werden die gewünschten Ionen aus dem Ionenstrahl 2 herausselektiert und im Beschleuniger 5 auf etwa 200 KeV beschleunigt. Mit Hilfe einer Triplet-Quadrupol-Linse 6 wird der hochenergetische Ionenstrahl 2 so fokussiert, daß die Ionen in einem genau definierten Bereich auf einen zu dotierenden Wafer 8 treffen. Ein Scanner 7 ist dazu da, den Ionenstrahl 2 so abzulenken, daß der ganze Wafer 8 überstrichen und dotiert werden kann.An ion source 1 supplies an ion beam 2 of a desired dopant. This ion beam 2 is accelerated, for example, with 20 KV, whereupon it is deflected in a magnetic field B of an analyzer magnet 3 . The desired ions are selected from the ion beam 2 with an aperture 4 and accelerated to about 200 KeV in the accelerator 5 . With the help of a triplet quadrupole lens 6 , the high-energy ion beam 2 is focused in such a way that the ions hit a wafer 8 to be doped in a precisely defined area. A scanner 7 is there to deflect the ion beam 2 so that the entire wafer 8 can be scanned and doped.

Im foglenden wird nun eine erfindungsgemäße Ionenquelle be­ schrieben. Um das Wesentliche der Erfindung besser hervortreten zu lassen, wird aber zunächst noch einmal kurz auf den Stand der Technik eingegangen.An ion source according to the invention is now described below wrote. To better emphasize the essence of the invention but will be briefly briefly again on the stand of technology.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Ionenquelle 1 nach dem Stand der Technik. In einem Verdampfertiegel 9 (Vapo­ rizer) wird aus einer Feststoffquelle 10 der Dotierstoff ver­ dampft und über ein Verbindungsrohr 11 aus Stahl einer Gasent­ ladungskammer 12 (arc chamber) zugeführt. Dort wird der Dampf ionisiert und tritt als Ionenstrahl 2 aus der Ionenquelle 1 aus. Fig. 2 shows a simplified representation of an ion source 1 of the prior art. In an evaporator crucible 9 (Vapo rizer) the dopant is evaporated from a solid source 10 and fed to a gas discharge chamber 12 (arc chamber) via a steel connecting tube 11 . There the steam is ionized and exits the ion source 1 as an ion beam 2 .

Eine Induktionsheizung 13 steuert über die Temperatur den Dampfdruck und damit die Intensität des Ionenstrahls 2. Bei der bekannten Ionenquelle hat sich gezeigt, daß sich schon bei ausgeschalteter Induktionsheizung 13 im Verdampfertiegel 9 eine Gleichgewichtstemperatur von ca. 130°C einstellt, und das allein aufgrund der Wärmeübertragung von der heißen Gas­ entladungskammer 12 auf den Verdampfertiegel 9. Es ist deshalb ausgeschlossen, als Feststoffquelle 10 AlCl3 zu verwenden.An induction heater 13 controls the vapor pressure and thus the intensity of the ion beam 2 via the temperature. In the known ion source, it has been shown that an equilibrium temperature of approximately 130 ° C. is established in the evaporator crucible 9 even when the induction heater 13 is switched off, and this solely because of the heat transfer from the hot gas discharge chamber 12 to the evaporator crucible 9 . It is therefore impossible to use 10 AlCl 3 as a solid source.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ionenquelle 1. In der Anordnung der einzelnen Teile unterscheide sie sich im wesentli­ chen nicht vom Stand der Technik (Fig. 2), wesehalb für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind. Fig. 3 shows an ion source 1 of the invention. In the arrangement of the individual parts, they do not differ substantially from the prior art ( FIG. 2), which is why the same reference numerals have been used for the same parts.

Neu ist hingegen die Ausführung des Verbindungsrohres 11. Es besteht aus einem Material, welches sehr schlecht wärmelei­ tend ist. Bevorzugterweise wird als Material Quarz verwendet. Auf diese Weise wird die Wärmeübertragung auf den Verdampfer­ tiegel 9 auf ein Minimum reduziert.In contrast, the design of the connecting pipe 11 is new. It consists of a material that is very poor in heat conduction. Quartz is preferably used as the material. In this way, the heat transfer to the evaporator crucible 9 is reduced to a minimum.

Eine zweite ebenso wichtige Maßnahme besteht darin, einen beim Stand der Technik (Fig. 2) verwendeten Stahlfaltenbalg 14 durch ein Einlaßrohr 15 zu ersetzen, welches aus einem be­ sonders gut wärmeleitenden Material, z.B. Kupfer, besteht. Dadurch wird die Wärme des Verdampfertiegels 9 über einen Deckel 16 nach außen hin abgeführt, falls die Temperatur des Verdampfertiegels über die Umgebungstemperatur steigt. Der Abfluß der Wärme ist aber nicht so groß, daß die Wirkung der Induktionsheizung 13 zunichte gemacht wird.A second equally important measure is to replace a steel bellows 14 used in the prior art ( FIG. 2) by an inlet pipe 15 , which consists of a particularly good heat-conducting material, for example copper. As a result, the heat of the evaporator crucible 9 is dissipated to the outside via a cover 16 if the temperature of the evaporator crucible rises above the ambient temperature. The outflow of the heat is not so large that the effect of the induction heater 13 is made naught.

Durch diese beiden, erfindungsgemäßen Maßnahmen kann der Verdampfertiegel 9 (bei ausgeschalteter Induktionsheizung 13) praktisch auch Umgebungstemperatur gehalten werden, was eine Voraussetzung dafür ist, daß, ausgehend von AlCl3, auch ge­ ringe Dosen Aluminium implantiert werden können. Through these two measures according to the invention, the evaporator crucible 9 (with the induction heater 13 switched off) can practically also be kept at ambient temperature, which is a prerequisite for starting from AlCl 3 , even small cans of aluminum can be implanted.

Mit der erfindungsgemäßen Ionenquelle 1 ist es im Ionenimplan­ ter NV4206 der Firma EATON ohne weiteres möglich, z.B. Ströme von 1 µA zu Implantieren, wofür im Verdampfertiegel 9 eine Arbeitstemperatur von unter 50°C nötig ist.With the ion source 1 according to the invention, it is readily possible in the ion implant ter NV4206 from EATON, for example to implant currents of 1 μA, for which purpose a working temperature of below 50 ° C. is necessary in the evaporator crucible 9 .

Im folgenden soll noch auf einzelne konstruktive Details einge­ gangen werden.In the following, I will go into individual construction details be gone.

Beim Stand der Technik (Fig. 2) ist das Verbindungsrohr 11 an dem der Gasentladungskammer 12 zugewandten Ende konisch auslaufend geformt, so daß mit einem entsprechend geformten Anschluß der Gasentladungskammer 11 eine dichte Verbindung entsteht. Dicht in dem Sinn, daß der gasförmige Dotierstoff in die Gasentladungskammer 12 geleitet wird und nicht in die Umgebung entweicht.In the prior art (Fig. 2) is the connecting tube to which the gas discharge chamber formed 11 12 end facing conically tapered, so that 11 is a tight connection with a correspondingly shaped terminal of the gas discharge chamber. Tight in the sense that the gaseous dopant is led into the gas discharge chamber 12 and does not escape into the environment.

Die Schlüssigkeit der Verbindung wird durch den Stahlfalten­ balg 14 garantiert, welcher Längstoleranzen aufnehmen kann.The coherence of the connection is guaranteed by the steel bellows 14 , which can take up longitudinal tolerances.

Bei der erfindungsgemäßen Ionenquelle (Fig. 3) ist eine ent­ sprechend dichte Verbindung vorzugsweise so erreicht, daß an der Gasentladungskammer 12 eine Hülse 17 vorgesehen ist, in welche das Verbindungsrohr 11 eingeschoben wird. Diese Hülse 17 kann zugleich auch die Längstoleranzen aufnehmen. Dadurch kann das Einlaßrohr 15 auch als fixes Kupferrohr ausgeführt sein.In the ion source according to the invention ( Fig. 3) is accordingly a tight connection is preferably achieved so that a sleeve 17 is provided in the gas discharge chamber 12 , into which the connecting tube 11 is inserted. This sleeve 17 can also accommodate the longitudinal tolerances. As a result, the inlet pipe 15 can also be designed as a fixed copper pipe.

Der Verzicht auf ein konisch auslaufendes Ende des Verbindungs­ rohres 11 ist besonders bei einem brüchigen Material wie Quarz von Vorteil.Dispensing with a tapered end of the connecting tube 11 is particularly advantageous with a brittle material such as quartz.

Die Verbindung zwischen Einlaßrohr 15 und Verdampfertiegel 9 wird durch ein Graphitgewinde 18 geschaffen. Diejenige zwischen Verdampfertiegel 9 und dem Verbindungsrohr 11 aus Quarz kann z.B. durch einen Klebstoff erfolgen. The connection between inlet pipe 15 and evaporator crucible 9 is created by a graphite thread 18 . That between the evaporator crucible 9 and the connecting tube 11 made of quartz can be done, for example, by an adhesive.

Um ein Einlaßrohr 15 aus Kupfer vor Korrosion zu schützen, wird es vorzugsweise mit einer Schutzschicht versehen.In order to protect an inlet pipe 15 made of copper against corrosion, it is preferably provided with a protective layer.

Wie beim Stand der Technik so auch bei der Erfindung besteht die Möglichkeit, den Dotierstoff anstatt durch Verdampfen aus einer Feststoffquelle 10 direkt als Gas durch das Einlaß­ rohr 15 von außen zuzuführen.As in the prior art so also in the invention, it is possible to supply the dopant instead of by evaporation from a solid source 10 directly as a gas through the inlet pipe 15 from the outside.

Weitere, hier nicht gesondert betrachtete Einzelheiten zur Ionenquelle 1 sind dem genannten Stand der Technik zu entnehmen.Further details of the ion source 1 , which are not considered separately here, can be found in the cited prior art.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß durch die erfindungs­ gemäße Ionenquelle auch solche chemische Verbindungen als Feststoffquellen verwendet werden können, deren Dampfdruck bei den in herkömmlichen Systemen möglichen Arbeitstemperaturen zu hoch ist.In summary, it can be said that the invention according to ion source also such chemical compounds as Solid sources can be used, their vapor pressure at the working temperatures possible in conventional systems is too high.

Claims (7)

1. Ionenquelle für einen Ionenimplanter, umfassend
  • a) eine Gasentladungskammer (12),
  • b) welche über ein Verbindungsrohr (11)
  • c) mit einem Verdampfertiegel (9) in Verbindung steht,
1. Ion source for an ion implanter, comprising
  • a) a gas discharge chamber ( 12 ),
  • b) which via a connecting tube ( 11 )
  • c) is connected to an evaporator crucible ( 9 ),
dadurch gekennzeichnet, daß
  • d) das Verbindungsrohr (11) aus einem Material besteht, welches sehr schlecht wärmeleitend ist und
  • e) daß der Verdampfertiegel (9) mit einem Einlaßrohr (15) verbunden ist, welches aus einem gut wärmeleitenden Material besteht.
characterized in that
  • d) the connecting tube ( 11 ) consists of a material which is very poorly heat-conducting and
  • e) that the evaporator crucible ( 9 ) is connected to an inlet pipe ( 15 ) which consists of a good heat-conducting material.
2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (11) aus Quarz besteht.2. Ion source according to claim 1, characterized in that the connecting tube ( 11 ) consists of quartz. 3. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßrohr (15) aus Kupfer besteht.3. Ion source according to claim 1, characterized in that the inlet tube ( 15 ) consists of copper. 4. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfertiegel (9) mit einer Induktionsheizung versehen ist.4. Ion source according to claim 1, characterized in that the evaporator crucible ( 9 ) is provided with an induction heater. 5. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine dichte Verbindung zwischen Gasentladungskammer (12) und Verbindungsrohr (11) durch eine Hülse (17) geschaffen wird.5. Ion source according to claim 2, characterized in that a tight connection between the gas discharge chamber ( 12 ) and connecting tube ( 11 ) is created by a sleeve ( 17 ). 6. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (11) mit dem Verdampfertiegel (9) durch einen Klebstoff verbunden ist.6. Ion source according to claim 2, characterized in that the connecting tube ( 11 ) with the evaporator crucible ( 9 ) is connected by an adhesive.
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DE19910146B4 (en) * 1998-03-31 2006-08-10 Bakal, Semen, Dr. Apparatus for generating collisions of opposing ion bundles

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