DE3838947A1 - Ionenquelle - Google Patents

Ionenquelle

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DE3838947A1
DE3838947A1 DE3838947A DE3838947A DE3838947A1 DE 3838947 A1 DE3838947 A1 DE 3838947A1 DE 3838947 A DE3838947 A DE 3838947A DE 3838947 A DE3838947 A DE 3838947A DE 3838947 A1 DE3838947 A1 DE 3838947A1
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Soichi Ogawa
Akio Okamoto
Shigeo Fukui
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Cryovac Corp
Osaka Prefecture
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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    • H01J37/317—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation
    • H01J37/3178—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation for applying thin layers on objects
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle, insbesondere zur Ablagerung einer wirksamen dünnen Schicht, etwa mit Hilfe des sogenannten PVD-Verfahrens (Plasma-Dampf-Abscheidung). Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Ionengenerator zum Erzeugen von Ionen mit relativ hoher Stromdichte von beispielsweise 1 mA/cm² oder mehr selbst bei einem sehr guten Vakuum von 10-4 Torr oder weniger; dabei werden Energien von nur 200 eV oder weniger zum Bestrahlen des Substrats mit Ionen benötigt, um eine dünne Schicht auszubilden.
Die dünne Schicht aus einer qualitativ hochwertigen Verbindung oder aus einem Metall wird gebildet durch Bestrahlen eines Substrats mit einem Ionenstrahl aus einem reaktiven Gas, wie Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff; dabei können die Merkmale der dünnen Schicht weiter verbessert werden durch Bestrahlen der Schicht mit einem Ionenstrahl aus einem inerten Gas, wie He, Ne, Ar oder Kr. Bekannte Ionenquellen für derartige Zwecke erfordern Energien von mehreren hundert oder mehreren tausend eV, und die erzielbare Ionenstromdichte beträgt 100 µA/cm² oder weniger; diese bekannten Ionenquellen sind daher für den genannten Zweck ungeeignet (siehe den Aufsatz von T. Sugano auf Seite 68 in "Semiconductor Plasma Process Technology", Sangyo Tosho (1980)). Kürzlich ist eine Niederenergie-Ionenquelle mit einem einzigen Kauffmann-Gitter vorgeschlagen worden. Die verwendete Beschleunigungsspannung beträgt dabei 50 bis 130 V, und die Ionenstromdichte berechnet für Werte in der Nähe des Gitters beträgt selbst unter optimalen Bedingungen lediglich 0,97 mA/cm². Diese Ionenquelle kann daher nicht als wesentliche Verbesserung angesehen werden (siehe K. Usami et al. in "Vacuum", Seiten 10 bis 15, Bd. 29, Nr. 11 (1986)).
Im Rahmen der Erfindung ist herausgefunden worden, daß Ionen mit einer Ionenstromdichte von 1 mA/cm² oder mehr erzeugt werden können durch Entladen des Filaments, das thermische Elektronen emittiert, während ein hochintensiver Atom- oder Molekül-Strahl in eine Ionengeneratorkammer eingeleitet wird, die unter einem Vakuum von 10-4 Torr oder weniger gehalten wird; dieser Atom- oder Molekularstrahl wird mit Hilfe eines Bündels von mehreren Kapillaren in die Ionengeneratorkammer gerichtet, und zwar mit einem Schlankheitsgrad (Länge/Breite) von etwa 100 bis etwa 1000.
Erfindungsgemäß wird ein Ionengenerator mit einer Ionengeneratorkammer und einer Anode bereitgestellt, die aus einem multi-kapillaren Bündel besteht, um zu ionisierende Atome oder Moleküle hoher Dichte gleichförmig gerichtet in die Ionengeneratorkammer einzuleiten.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenquelle und
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenquelle.
Die Ionenquelle gemäß Fig. 1 weist eine Anode 1 mit einem Bündel mehrerer Kapillaren, eine Kathode 3 zum Emittieren thermischer Elektronen, um Atome oder Moleküle, die durch das Multi-Kapillaren-Bündel gleichförmig gerichtet sind, zu ionisieren, einen Reflektor 5 zum wirksamen Ausnutzen der thermischen Elektronen, indem deren Diffusion verhindert wird, sowie optional die folgenden zusätzlichen Bauelemente auf, nämlich eine Hilfselektrode 7, einen Permanentmagneten 9 und ein Target 11 zum Messen des Ionenstroms auf. Die Stärke des Magnetfelds beträgt von 0 bis 500 Gauss. Der Raum zwischen der Kathode 3 und der Anode 1 oder der Hilfselektrode 7 entspricht einer Ionengeneratorkammer zum wirksamen Extrahieren von Ionen, indem die Diffusion des dort erzeugten Plasmas unterdrückt wird. Die Ionenstromdichte wird durch den Einbau der Hilfselektrode 7 erhöht.
Die Multikapillare kann aus einem Bündel von etwa 50 bis 1000 Kapillaren von etwa 0,01 bis etwa 1,0 mm Ionendurchmesser bestehen. Das Material der Kapillaren ist ebenfalls relativ unkritisch; beispielsweise können hierfür Metalle, Polymere oder Glas eingesetzt werden.
Da der in einer Richtung sich gleichförmig ausbreitende Atom- oder Molekularstrahl in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 wirksam mit den thermischen Elektronen kollidiert, erhält man eine Ionenstromdichte von 1,0 mA/cm² bei optimalen Betriebsbedingungen unter Verwendung der Hilfselektrode 7 ohne Anlagen einer Beschleunigungsspannung; bei Anlegen einer Beschleunigungsspannung von 200 V ergibt sich eine Ionenstromdichte von 6 mA/cm² oder mehr.
Die Fig. 2 zeigt eine Ionenquelle mit einer Ionengeneratorkammer 15, die beispielsweise aus einem Quarzrohr besteht und um die eine Wendelelektrode 13 zum Einkoppeln von Radiofrequenzstrahlung vorgesehen ist, um Atome oder Moleküle wirksam zu ionisieren, die in eine Richtung durch die aus einer Multikapillare bestehende Anode 1 geschickt werden. Die anderen Komponenten in Fig. 2 sind im wesentlichen gleich denen in Fig. 1.
Mit der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung kann man einen Ionenstrom von 10 mA selbst ohne Anlegen einer Beschleunigungsspannung erreichen, während bei Anlegen einer Beschleunigungsspannung von 200 V ein extrem hoher Ionenstrom von 25 mA oder mehr erzielt werden kann.
Wenn die Wendelelektrode 13 zum Einkoppeln der Radiofrequenzstrahlung durch einen Wellenleiter zum Einkoppeln von Mikrowellen in der Vorrichtung gemäß Fig. 2 ersetzt wird, so erhält man ähnliche Ergebnisse.
Da die zu ionisierenden Atome oder Moleküle durch die als Anode eingesetzte Multikapillare in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt werden, wird ein Atom- oder Molekularstrahl hoher Intensität, der sich gleichförmig in einer Richtung ausbreitet, in der Ionengeneratorkammer erzeugt. Eine Ionenstromdichte von 1 mA/cm² oder mehr kann daher selbst bei niedrigen Beschleunigungsspannungen, wie 200 V oder weniger erreicht werden.
Bei gleichzeitiger Verwendung einer Hilfselektrode mit der Anode erhält man eine Ionenstromdichte von 3 mA/cm² oder mehr selbst bei einer Beschleunigungsspannung von nur 50 V, während die Ionenstromdichte 6 mA/cm² oder mehr beträgt, wenn die Beschleunigungsspannung etwa 200 V beträgt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher außerordentlich vorteilhaft zum Ausbilden qualitativ hochwertiger dünner Schichten, z. B. aus Halbleitermaterial oder aus superleitendem Material.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert.
Die Beispiele 1 bis 9 wurden mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und die Beispiele 10 bis 15 unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 2 durchgeführt.
Bei den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurde keine Spannung an die Hilfselektrode angelegt; bei den Beispielen 6 bis 9 und dem Vergleichsbeispiel 4 lag eine Spannung an der Hilfselektrode.
Die in den Beispielen und Vergleichsbeispielen verwendeten Symbole haben die folgende Bedeutung:
V d
= Entladungsspannung
I d = Entladungsstrom
P Ar = Partialdruck des Argon-Gases
P O2 = Partialdruck des Sauerstoffgases
V a = Beschleunigungsspannung
i a = Ionenstromdichte
I a = Ionenstrom
V s = Spannung der Hilfselektrode
I s = Strom der Hilfselektrode
Vergleichsbeispiel 1
Der Wert von i d wurde unter Variation von V a und den folgenden konstanten Bedingungen gemessen: V d = 60 V; I d = 1,35 A; V s = null; und P Ar = 2,0×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle I dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
-
50 0,52
100 0,56
150 0,60
200 0,64
Beispiel 1
Der Wert von i a wurde mit variierendem V a gemessen bei den folgenden konstanten Bedingungen: V d = 70 V; I d = 1,35 A; V s = null; und P Ar = 2,0×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle II dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
0,09
50 1,01
100 1,07
150 1,13
200 1,19
Der Vergleich der Ergebnisse von Beispiel 1 mit denen des Vergleichsbeispiels 1 zeigt, daß eine Ionenstromdichte von mindestens 1 mA/cm² erreicht werden kann, selbst wenn V a nur 50 V, V d mindestens 70 V und P Ar höchstens 2,0×10-4 Torr betragen.
Vergleichsbeispiel 2
Der Wert von i a wird bei variierendem V a gemessen unter den folgenden konstanten Bedingungen: V d = 80 V; I d = 1,5 A; V s = null; und P Ar = 1,2×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle III dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
-0,68
50 0,23
100 0,32
150 0,33
200 0,35
Beispiel 2
Der Wert von i a wurde gemessen bei variierendem V a und bei den folgenden konstanten Bedingungen: V d = 80 V; I d = 1,5 A; V s = null; und P Ar = 1,7×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle IV dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
0,68
50 1,39
100 1,47
150 1,55
200 1,63
Beispiel 3
Der Wert von i a wurde gemessen bei variierendem V a unter den folgenden konstanten Bedingungen: V d = 80 V; I d = 1,5 A; V s = null; und P Ar = 2,0×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle V dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
0,88
50 1,40
100 1,50
150 1,55
200 1,65
Der Vergleich der Ergebnisse der Beispiele 2 und 3 mit denen des Vergleichsbeispiels 2 zeigt eine Ionenstromdichte von mindestens 1,39 mA/cm² selbst bei einem V a von nur 50 V, wenn V d mindestens 80 V und P Ar höchstens 1,7×10-4 Torr betragen.
Vergleichsbeispiel 3
Der Wert von i a wird gemessen mit veränderlichem V a unter den folgenden konstanten Bedingungen: V d = 100 V; I d = 1,5 A; V s = 0; und P Ar = 1,2×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle VI dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
-0,16
50 0,90
100 0,92
150 0,95
200 0,98
Beispiel 4
Der Wert von i a wird mit veränderlichem V a gemessen unter den folgenden konstanten Bedingungen: V d = 100 V; I d = 1,5 A; V s = null; und P Ar = 1,7×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle VII dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
1,27
50 1,91
100 2,03
150 2,15
200 2,22
Beispiel 5
Der Wert von i a wird gemessen mit veränderlichem V a unter den folgenden konstanten Bedingungen: V d = 100 V; I d = 1,5 A; V s = null; und P Ar = 2,0×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle VIII dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
1,25
50 1,80
100 1,95
150 2,03
200 2,11
Der Vergleich der Ergebnisse der Beispiele 4 und 5 mit denen des Vergleichsbeispiels 3 zeigen, daß eine Ionenstromdichte von mindestens 1,27 mA/cm² selbst bei einem Wert V a = null, nämlich ohne Beschleunigungsspannung, erhalten werden kann, wenn V d mindestens 100 V und P Ar höchstens 1,7×10-4 Torr betragen; bei V a = 200 V beträgt die Ionenstromdichte mindestens 2 mA/cm².
Vergleichsbeispiel 4
Der Wert von i a wird mit veränderlichem V a unter den folgenden konstanten Bedingungen gemessen: V d und V s jeweils 50 V; I d = 2,8 A; I s = 2,4 A und P Ar = 1,0×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle IX dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
-0,60
50 0,10
100 0,20
150 0,22
200 0,28
Beispiel 6
Der Wert von i a wird mit variierendem V a unter den folgenden konstanten Bedingungen gemessen: V d und V s jeweils 50 V; I d = 2,8 A; I s = 2,4 A und P Ar = 2,0×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle X dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
-0,50
50 1,05
100 1,70
150 2,12
200 2,50
Beispiel 7
Der Wert von i a wird unter Variation von V a und bei den folgenden konstanten Bedingungen gemessen: V d und V s jeweils 50 V; I d = 2,8 A; I s = 2,4 A und P Ar = 3,0×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle XI dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
0,15
50 2,36
100 3,33
150 4,23
200 4,80
Beispiel 8
Der Wert von i a wird unter Variationen von V a und mit den folgenden konstanten Bedingungen gemessen: V d und V s jeweils 50 V; I d = 2,8 A; I s = 2,4 A und P Ar = 4,0×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle XII dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
0,80
50 3,20
100 4,40
150 5,35
200 6,10
Beispiel 9
Der Wert von i a wird gemessen unter Variation von V a und unter den folgenden konstanten Bedingungen: V d und V s jeweils 50 V; I d = 2,8 A; I s = 2,4 A und P Ar = 5,0×10-4 Torr.
Die Ergebnisse sind in Tabelle XIII dargestellt.
V a (V)
i a (mA/cm²)
0
1,00
50 3,17
100 4,30
150 5,10
200 5,50
Der Vergleich der Ergebnisse der Beispiele 6 bis 9 mit denen des Vergleichsbeispiels 4 zeigt, daß selbst bei einem niedrigen V a von 50 V eine Ionenstromdichte von mindestens 1,05 mA/cm² erreicht werden kann, wenn eine Hilfselektrode gemeinsam mit der Anode in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird; selbst bei V a = 0, d. h. bei fehlender Beschleunigungsspannung, sowie bei P Ar von 5,0×10-4 Torr erhält man eine Ionenstromdichte von 1,0 mA/cm².
Bei V d = 50 V, V a = 200 V und bei P Ar = 4,0×10-4 Torr kann man eine Ionenstromdichte von 6,1 mA/cm² erreichen, die bislang nicht erzielt worden ist.
Beispiel 10
Der Ionenstrom (I a ) bei variierendem V a wurde bei konstanten Bedingungen für die Radiofrequenzleistung (RFP) bei 200 W sowie bei P Ar von 2,0×10-4 Torr gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle XIV dargestellt.
V a (V)
I a (mA)
0
10
50 11
100 12
150 12
200 12
Beispiel 11
Der Wert von I a wurde bei veränderlichem V a sowie bei den konstanten Bedingungen von RFP = 200 W und bei P Ar = 4,0× 10-4 Torr gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle XV dargestellt.
V a (V)
I a (mA)
0
20
50 21
100 22
150 23
200 24
Beispiel 12
Der Wert I a wurde bei veränderlichem V a und bei konstanten Bedingungen für RFP = 200 W und P Ar = 6,0×10-4x Torr gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle XVI dargestellt.
V a (V)
I a (mA)
0
21
50 22
100 23
150 24
200 25
Beispiel 13
Der Wert I a wurde bei veränderlichem V a und bei konstanten Bedingungen für RFP = 200 W und P O2 = 2,0×10-4 Torr gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle XVII dargestellt.
V a (V)
I a (mA)
0
9
50 10
100 11
150 11
200 11
Beispiel 14
Der Wert I a wurde bei veränderlichem V a und bei den konstanten Bedingungen für RFP = 200 W und P O2 = 4,0×10-4 Torr gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle XVIII dargestellt.
V a (V)
I a (mA)
0
15
50 22
100 26
150 34
200 39
Beispiel 15
Der Wert I a wurde bei veränderlichem V a und bei den konstanten Bedingungen für RFP = 200 W und P O2 = 6,0×10-4 Torr gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle XIX dargestellt.
V a (V)
I a (mA)
0
20
50 38
100 33
150 39
200 44
Die Ergebnisse der Beispiele 10 bis 12 zeigen, daß man einen Ionenstrom von 10 mA erreichen kann bei einem Partialdruck für Argongas von 2×10-4 Torr oder weniger in einer Ionenquelle mit Multikapillare bei Radiofrequenzstrahlung; bei V a = 200 V und P Ar = 6×10-4 Torr kann man einen Ionenstrom von 25 mA erzielen.
Die Ergebnisse der Beispiele 13 bis 15 zeigen, daß man einen Ionenstrom von 9 mA selbst bei V a = null und bei einem Sauerstoff-Partialdruck von 2×10-4 Torr oder weniger in einer Ionenquelle mit Multikapillare und bei Radiofrequenzeinstrahlung erreichen kann; bei V a = 200 V und bei P O2 = 6×10-4 Torr kann man sogar einen Ionenstrom von 44 mA erreichen, der bislang nicht erreicht worden ist.

Claims (4)

1. Ionenquelle mit einer Ionengeneratorkammer (15) und einer Anode (1) aus mehreren Kapillaren zum Abgeben von zu ionisierenden Atomen oder Molekülen hoher Dichte unter konstanter Richtung in die Ionengeneratorkammer (15).
2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionengeneratorkammer (15) eine Kathode (3) aufweist, die zum Ionisieren der Atome oder Moleküle thermische Elektronen abgibt.
3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Hilfselektrode (7) zum Erhöhen des Ionenextraktionswirkungsgrades im Vakuum.
4. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Elektrode (13) zum Einkoppeln von radiofrequenter Strahlung oder durch einen Wellenleiter zum Einkoppeln von Mikrowellenstrahlung, um in der Ionengeneratorkammer (15) Atome oder Moleküle zu ionisieren.
DE3838947A 1987-11-20 1988-11-17 Ionenquelle Withdrawn DE3838947A1 (de)

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8128 New person/name/address of the agent

Representative=s name: VOSSIUS, V., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. TAUCHNER, P.,

8128 New person/name/address of the agent

Representative=s name: TAUCHNER, P., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. HEUNEMANN, D

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