DE3884899T2 - Implantierungsgerät für Metallionen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anlage für Metallionenimplantation von einer Kathode nach einem Target, mit einer evakuierten Implantationskammer, in der wenigstens eine evakuierte Bogenionenquelle angeordnet ist, wobei diese Anlage sich besonders für Industrieanwendungen im metallurgischen Bereich oder für die Herstellung metastabiler Legierungen mit neuen metallurgischen Kennzeichen eignet.
• Die modernen Anlagen für metallurgische Anwendung sind zweierlei:
• - Gasionenimplantationsanlagen (Wasserstoff, Sauerstoff, Edelgas ...),
• - Metallionenimplantationsanlagen ausgehend von Metallsalzdämpfen und mit einem Massenseparator. In diesen Anlagen sind die Durchflußgeschwindigkeiten niedrig und die Kosten besonders hoch.
• Die Dampf- oder Gasionenquellen werden mit verhältnismäßig hohen Drücken von wenigen 10&supmin;&sup5; Pa bis zu wenigen 10&supmin;³ Pa (wenige 10&supmin;³ bis wenige 10&supmin;¹ Torr) betrieben, die
• - eine Extraktion der Ionen der Quelle eines kleiner Öberflächenbereichs und daher mit niedriger Durchflußgeschwindigkeit (um einen bedeutenden Druckanstieg im Beschleunigungsgebiet zu vermeiden), oder
• - eine große Extraktion (im wesentlichen für Gasionen verwendet) bewirken, die einen hohen Druck im Beschleunigungsgebiet erzeugt, der eine Vielzahl von Wechselwirkungen zwischen Ionen/Neutronen sowie einen Abfall der mittleren Ionenenergie ergibt; das Ergebnis ist ein Abfall der mittleren Eindringtiefe und nicht einwandfrei gesteuerte Vergrösserung der Implantation.
• Die Metallimplantation kann auch durch Ionenbeschuß (im allgemeinen mit Gasionen, Wasserstoff oder Edelgas) einer gleichzeitigen Metallablagerung auf demselben Substrat (beispielsweise Verdampfung) erhalten werden.
• Eine Anlage dieser Art ist in einem Artikel von T. SATO et al. beschrieben, der in der Zeitschrift JOURNAL VACUUM SCIENCE TECHNOLOGY A4 (3) vom Mai-Juni 1986, S. 784...787.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Implantationsanlagen mit noch höherer Leistung für industrielle Anwendungen ausgehend von Vakuumbogenionenquellen zu schaffen, die eine hohe Durchflußgeschwindigkeit auf einer breiten Oberfläche ermöglichen und in bezug auf die anderen Quellen folgende Vorteile bieten:
• - Abwesenheit eines Gaszufuhrsystems,
• - Betrieb im Vakuum, insbesondere mit Ausschließung der Differentiellpumpvorgänge, die für die Implantationsanlage mit hoher Durchflußgeschwindigkeit unabkömmlich sind,
• - kleine Abmessungen der Plasmaquelle.
• Die Emission bedeutender Flüsse gewährleistet so eine genau definierte Implantation in Masse und Energie und in kontrollierbaren Tiefen. In diesem Zusammenhang ähneln diese Implantationsanlagen die in der Mikroelektronik zum Dotieren der Halbleiterwerkstoff verwendeten Anlagen.
• Die erfindungsgemäße Implantationsanlage ist dadurch gekennzeichnet, daß sie in der evakuierten Implantationskammer in der Reihenfolge von der Kathode nach dem Target wenigstens die Kathode, Steuerelektroden und eine Anode, eine Fokussier- und Extraktionselektrode und eine Beschleunigungselektrode enthält.
• Es sei bemerkt, daß die Veröffentlichung NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS IN PHYSICS RESEARCH, Vol. B10/11, Nr. 1, Mai 1985, S. 792...795, Teil 2, Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam, Niederlande, tatsächlich Metallioneninjektoren ausgehend von einer evakuierten Bogenionenquelle beschrieben sind. Die Bogenquelle enthält eine Kathode K und eine Anode A für die Extraktion.
• Erfindungsgemäß werden die Fokussier- und Extraktionselektrode und die Beschleunigungselektrode bei einer sehr hohen bzw. einer niedrigen Spannung polarisiert.
• Beschuß des Targets vom Ionenstrahl bewirkt einen Sekundärelektronenfluß. Vorzugsweise enthält die Vakuumbogenionenquelle Kühlmittel zum Absorbieren der Sekundärelektronen und/oder enthält die Implantationsanlage in der Implantationskammer eine Unterdrückungselektrode zum Unterdrücken von Sekundärelektronen.
• Mit einer gemeinsamen Ionenquelle kann die Extraktion- und Fokussierelektrode aus einer Mehrmündungsstruktur bestehen, deren Entwurf im Hinblick auf die Beschleunigung von den angelegten Spannungen, von der Dichte und von der Ionenmasse abhängig ist.
• Die Implantationsanlage kann mehrere parallel arbeitende Quellen enthalten, die aus mehreren Kathoden desselben Materials (oder aus verschiedenen Werkstoffen) bestehen.
• In Abhängigkeit von der Form der zu implantierenden Targetplatte lassen sich verschiedene abgewandelte Anlagen entwerfen.
• Wenn die Targetplatte eine planare Geometrie besitzt, werden die Quellen auf derselben Linie mit einer Anode und einem Gate gemeinsam angeordnet. Die Targetplatte ist dabei vorzugsweise verschiebbar.
• Wenn das Innere (oder die Außenseite) einer Targetplatte mit Zylinderform implantiert werden soll, werden die Quellen auf dem Umkreis eines Umfangs einheitlich verteilt, auf die Außenseite (oder das Innere) dieses Umfangs gerichtet und auf der Zylinderachse verschiebbar gemacht.
• Wenn die Innen- (oder Außen-)Flächen einer Targetplatte, beispielsweise mit der Form eines viereckigen oder rechteckigen Parallelepipeds, zu implantieren sind, werden die Quellen genauso einheitlich auf den Umkreis eines Vierecks oder eines Rechtecks verteilt, aber auf die Außenseite (oder auf das Innere) dieses Vierecks oder dieses Rechtecks gerichtet und mit einem Translationssystem in einer Richtung parallel zu den Flanken des Parallelepipeds oder mit Hilfe von Zapfenhebeln verschiebbar gemacht, die mit einem Computer gesteuert werden können.
• Das Beseitigen der unerwünschten Ionen wird mit verschiedenen Filtereinrichtungen bewerksteligt.
• Für eine gute Durchführung der Erfindung werden jetzt nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1 eine einfache Struktur einer erfindungsgemäßen Implantationsanlage, die die Basiszelle darstellt,
• Fig. 2 eine Struktur mit verschiedenen Zellen nahe bei den vorangehenden Zellen mit einer einzigen Quelle,
• Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit verschiedenen parallelen Quellen für die Implantation einer planaren Oberfläche,
• Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit mehreren parallelen Quellen für die Implantation der Innenfläche einer Zylinderoberfläche,
• Fig. 5 und 6 ein Ausführungsbeispiel mit mehreren parallelen Quellen für die Implantation der externen Oberflächen eines Viereck- oder Rechteck-Parallelepipeds, wobei die Quellen mittels eines Translationssystems oder durch Zapfenhebel verschoben werden,
• Fig. 7, 8, 9 und 10 die Schaltbilder mehrerer Filterarten,
• Fig. 11 das Schaltbild der Zusammensetzung einer industriellen Ausrüstung einer metallurgischen Implantationsanlage.
• Die in den verschiedenen Figuren dargestellten gleichen Elemente sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
• In Fig. 1 ist die einfäche Struktur einer Basiszelle der erfindungsgemäßen Implantationsanlage dargestellt, deren Durchflußgeschwindigkeit, ausgehend von einer einzigen Vakuumbogenionenquelle, durch die thermischen Erwärmungsprobleme in Abhängigkeit von den benutzten sind nicht dargestellten Abkühlmitteln begrenzt wird.
• Das Ergebnis davon ist, daß die berechnete Durchflußgeschwindigkeit je Zeiteinheit und unter der Steuerung des Verhältnisses zwischen der Betriebsechtzeit und der Gesamtzeit (Pulsbetriebsart) zwischen wenigen mA bis mehreren Amperen schwanken kann.
• Die Vakuumbogenionenquelle enthält eine Kathode 1 zum Emittieren eines Plasmas 2, eine Anode 3 und ein Gate 4.
• Die Extraktion der Ionen 5 des Plasmas erfolgt durch eine Mündung, die möglicherweise mit einem Extraktionsgitter 6 ausgerüstet ist, und die Strahlfokussierung durch eine einfache Elektrode 7, deren Abmessungen von denen der Struktur abhängig sind. Die Beschleunigung der Ionen wird mit Hilfe der Beschleunigungselektrode 8 mit einer einfachen Mündung großer Abmessungen in Abhängigkeit von der angezielten Durchflußgeschwindigkeit erhalten.
• Die bei der Targetplatte 9 ankommenden Ionen führen zu einer starken Sekundärelektronenemission, die einen Pegel erreichen kann, der ein Vielfaches von dem des einfallenden Ionenstrahls ist. Unter diesen Bedingungen sind zwei Lösungen möglich:
• - Absorption von Energie am Ionenquellenteil der Implantationsanlage durch eine einfache natürliche oder gezwungene Kühlung (Kreislauf einer Kühlflüssigkeit),
• - Positionierung einer Elektrode 10, die Sekundärelektronen unterdrückt und aus einem Ring oder einem Gitter mit hoher Transparenz besteht, der bzw. das an die Targetplatte ein kleines elektrisches Feld anlegt, das der Emission dieser Elektronen entgegengesetzt ist. Die aus dieser Elektrode extrahierten und auf die zu behandelnde Targetplatte abgelagerten Atome sind nicht zahlreich und werden durch den einfallenden Strahl in ihre Quasi-Gesamtheit neupulverisiert.
• Die Targetplatte kann derart verschoben werden, daß ein homogener Niederschlag erhalten wird. Eine automatische Steuerung mit gleichzeitiger Messung der einfallenden Ionenströmen durch Sonden mit Faraday-Käfigen an verschiedenen Punkten der Targetplatte und eine Datensteuerung der Meßergebnisse können erhalten werden, wenn die Genauigkeit der Implantationsdosis ein kritisches Parameter ist.
• Die Targetplatte wird durch natürliche oder gezwungene Kühlung in Abhängigkeit von der Anwendung, der Arbeitsgeschwindigkeit, der Durchflußgeschwindigkeit und der Energie der implantierten Ionen gekühlt. Die Art der Kühlung und die mechanischen Mittel zum Verwirklichen dieser Kühlung, insbesondere bei Implantation von Ionen zum Fertigbearbeiten von Werkstücken, sind von der Anwendungsart abhängig.
• In Fig. 2 ist eine Extraktionsstruktur dargestellt, die aus mehreren Zellen nahe bei der vorangehenden Struktur zusammengesetzt ist, die angeordnet werden kann wie aus dem Schaltplan ersichtlich ist, und aus folgenden Elementen besteht:
• - Gemeinsame Vakuumbogenionenquelle (Kathode 1 zum Emittieren des Plasmas 2, Anode 3, Gate 4).
• - Eine Extraktions- und Fokussierstruktur (11, 12) mit mehreren Mündungen nach der Definition aus der Sicht der Beschleunigung, der angelegten Spannungen, der Dichte, der Masse der Ionen 5 und dem gesuchten Beschußtyp.
• - Eine Mehrmündungsbeschleunigungselektrode 13, die in bezug auf die Targetplatte auf ein negatives Potential gebracht werden kann, um die Sekundärelektronen von der Targetplatte zurückzuweisen. Eine Verbesserung in bezug auf die Ionenstrahloptik kann durch Ergänzung mit einer zweiten Elektrode (nicht dargestellt) zwischen der Extraktionselektrode 12 und der Beschleunigungselektrode 13 erhalten werden, die das Modulieren der Strahlform und insbesondere der Abmessungen und der Homogenität der Beschlußzone mittels ihrer Polarisation ermöglichen. Diese Struktur führt außerdem - durch Steuerung ihrer Polarisationsspannung - die Möglichkeit einer Änderung in der Ionenmasse ein durch einfaches Ändern der Quelle und ohne große Änderungen im Ionenstrahloptiksystem.
• - Eine Targetplatte 9 liegt allgemein auf Nullpotential. Diese Targetplatte ist im allgemeinen verschiebbar, um eine Homogenität des Beschusses zu gewährleisten. Sie kann abhängig vom Polarisationstyp der Beschleunigungselektrode mit einem System zum Unterdrücken von Sekundärelektroden 10 (Gitter, Elektrode in Trichterform, usw. ...) ausgerüstet werden.
• Eine vorteilhafte Abwandlung für die Implantation desselben Materials bei höherer Durchflußgeschwindigkeit oder auf einer größeren Oberfläche oder für die gleichzeitige Implantation von Werkstoffen verschiedener Art ist die Montage verschiedener Ionenquellen in Parallelschaltung und mit Kathoden desselben Materials oder aus verschiedenen Werkstoffen, wie im Prinzipschaltbild nach Fig. 3 dargestellt ist.
• Wenn beispielsweise gleichzeitig drei metallische Werkstoffe M&sub1;, M&sub2;, M&sub3; zu implantieren sind, emittieren die entsprechenden Kathoden 1', 1"und 1"' die Plasmen 2', 2" und 2"', die zur Bildung der Mischung 2'+2"+2"' miteinander vermischt werden.
• Die Mehrquellensteuerung kann einmalig sein, während die Zündung eines Bogens mittels des Gates 4 zur Zündung benachbarter Strukturen führen kann.
• Die Anode 3 der Multiquelle kann gemeinsam oder spezifisch sein, wobei die Steuerung des Stroms durch die Kathodenschaltung ausgeführt wird.
• Die Dotierung kann durch Modulation des zugeführten Stroms und/oder durch die Steuerung der Impulsbreite ausgeführt werden.
• Die weiteren Element des Schaltbilds sind: Extraktions- und Fokussierelektroden (11, 12), Beschleunigungselektrode 13, Unterdrückungselektrode 10 und Targetplatte 9 sind gleich denen des Schaltbilds der einmaligen Quelle nach Fig. 2.
• Eine wichtige Abwandlung bei möglichster Ausnützung der erwahnten Vorteile der Plasmaionenquellen ist, daß Quellen mit einer Extraktionsoberfläche mit verschiedener Geometrie und angepaßt an das zu implantierende Material erhalten werden.
• Beispielsweise können verschiedene plasmaemitterende Strukturen entsprechend der Form der Targetplatte entwickelt werden.
• In Fig. 4 ist schematisch eine Struktur mit einer zylindrischen Emissionszone dargestellt, die durch ein Mehrkathodensystem gebildet wird, dessen durch die Kathoden auf einem Kreis emittierte Plasmaprojektionen einander auf einer zylindrischen Oberfläche zusammen mit der Extraktionselektrode überlappen und von der Anzahl und der Position der Kathoden 14, von der Bündelbreite der Projektionen des Plasmas 15 (etwa 60º), von der Transparenz der Anode 16 und vom Abstand zwischen den Kathodenabschnitten abhängig sind.
• Das emittierte Plasma bedeckt integral die Extraktionselektrode 17, und also wird eine einheitliche Implantation auf der Innenfläche der zylindrischen Targetplatte 20 nach dem Durchgang der Ionenstrahlen durch die Beschleunigungselektrode 18 und die Unterdrückungselektrode 19 erhalten.
• Die Kathodenquellen können aus Monomaterial oder aus Mehrfachmaterialien hergestellt sein.
• Zum Erhöhen der Niederschlagsgeschwindigkeit können mehrer Kathodenpegel der Kathoden 14, 14' ... zur Verfügung stehen, wobei die Gitter 16, 16' möglicherweise gemeinsam sind.
• Die Innenfläche der zylindrischen Targetplatte 20 kann dabei durch eine einfache Verschiebung der Anordnung der Ionenquelle (oder der Targetplatte) implantiert werden.
• In Fig. 5 ist das Schaltbild einer Struktur für die Implantation auf der externen Fläche 26 einer Targetplatte dargestellt, die aus einem Rohr mit Viereck- oder Rechtecktquerschnitt besteht, dabei sind die Ionenquellen (Kathoden 21 und Anoden 22) auf einem Viereck oder einem Rechteck angeordnet und können durch Ergänzung mit einem Translationssystem 27 unter Verwendung von Balgen verschiebbar sein, und die externe Fläche des Rohrs 26 kann also nach dem Durchgang der Ionenstrahlen durch die Extraktions- und Fokussierelektrode 23, die Beschleunigungselektroden 24 und die Unterdrückungselektroden 25 implantiert werden.
• In diesen Strukturen kann die Anode gemeinsam sein und kann die Kathode eine individuelle Speisung haben (Strom und Impulsbreite einzeln gesteuert). Diese Einheiten können bewegbar und gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück verschoben werden, wie in Fig. 5 dargestellt, oder umgekehrt eine statische Position einnehmen, wobei die Targetplatte verschiebbar ist (das zu bearbeitende Werkstück).
• Im gleichen Sinne kann eine aus einer oder mehreren Kathoden desselben oder abweichenden Materials bestehende Ionenquelle integral mit einem Zapfenhebel entsprechend einer mit Vakuum und Ultravakuum nach Fig 6 kompatibler Technologie hergestellt werden. Dieser Hebel 28 kann von einem Computer mit Hilfe eines Programms gesteuert werden, das beispielsweise nach Versuchen an einem Prototyp verwirklicht wurde, das mit Ionenbeschußkollektoren ausgerüstet ist. Die niedergeschlagenen Ionenmengen und ihre Beschußenergie würden dabei steuerbar sein und könnten entsprechend dem Bedarf mit einer hohen Genauigkeit angeglichen werden.
• Es sei bemerkt, daß der zu implantierende Teil, wenn er große Abmessungen hat und an den Enden (Innenzylinder) leicht abschließbar sind, die Vakuumkammer darstellen kann: Die Implantationsanlage kann auf einem der Enden und das Pumpsystem auf dem anderen Ende festgesetzt werden.
• Für die Implantation auf einem Objekt mit komplexer Form werden die Innen- oder Außenionenquellen derart angeordnet und orientiert, daß die Achse des Plasmaflusses senkrecht zur Oberfläche verläuft, und daß die abgelagerte Dichte möglichst homogen ist.
• Nach der Beschreibung von Strukturen von Implantationsanlagen ist es erforderlich, die Prinzipien zu erläutern, die den Betrieb dieser Systeme zum Erhalten der für eine industrielle Verwirklichung erhaltenen Lösungen steuern.
• Die Durchflußgeschwindigkeit von Ionen, die aus einer Anlage nach demselben Prinzip wie das des Schaltdiagramms nach Fig. 2 exträhiert werden, ist abhängig von:
• - dem bei der Extraktionselektrode ankommenden Plasmafluß (Einfluß der mit den Ionenquellen verknüpften Parameter - Bogenstrom, Abstand zwischen Extraktionselektrode und Kathode, Transparenz des Anodengitters),
• - der Transparenz und der Form der Extraktionselektrode,
• - dem bis zur Grenze des Plasmas (Meniskus) angelegten elektrischen Feld, dessen Form eine direkte Auswirkung auf die Konvergenz des extrahierten und beschleunigten Strahls hat,
• - der Masse der extrahierten Ionen.
• Bei einem homogenen Plasma läßt sich die Dichte des extrahierten Stroms J&spplus;i wie folgt schreiben:
• wobei in dieser Formel V die Extraktionsspannung, dc der Abstand zwischen der Beschleunigungselektrode (oder der äquivalenten Oberfläche) und dem Meniskus des Plasmas und q/M&spplus; das Verhältnis zwischen der Ionenladung in seiner Masse sind.
• Bezüglich der Konvergenz des Strahls ist er von der extrahierten Dichte, von der Geometrie und von den Beschleunigungsspannungen abhängig.
• Bei einer Mehrmaterialimplantationsanlage sind die ihren Betrieb steuernden Regeln gleich denen eines Monomaterialstrahls mit einem Verhältnis qe/Me, wie wobei bekannt ist, daß C&sub1;, C&sub2;,...Cj die Konzentrationen der verschiedenen Ionenarten und C&sub1; + C2 + ... + Cj = 1 ist.
• Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die Ionen in einer genau vorgegebenen Tiefe zu implantieren, was Ionen mit konstanter Energie erfordert. Nunmehr ist in den Vakuumbogenquellen die Mehrladungsionenmenge sehr wichtig und daher kann die Energie der Ionen um den Faktor 1, 2, 3 oder sogar 4 schwanken. Unter diesen Umständen muß die Implantationsanlage ein System enthalten, das die Beseitigung der Ionen mit unerwünschter Energie ermöglicht.
• Zum Ausnutzen der Wichtigkeit der Bogenplasmen benutzenden Ionenquellen ist es erforderlich, ein System zur Verfügung zu haben, das den Durchgang mit hohen Durchflußgeschwindigkeiten ermöglicht, d.h. mit großen Eintritts- und Austrittsmündungen.
• Die beschriebenen Systeme erfüllen diese Bedingung, obgleich sie allgemein eine wesentliche Reduktion des von diesen Systemen gelieferten Ionenflusses aufweist.
• Das schematisch in Fig. 7 dargestellte System stellt ein Filter mit Quadripolarzellen dar und umfaßt den gleichzeitigen Gebrauch vieler durch Quadripole dargestellten Zellen. Ein Quadripol wird durch vier zylindrische Stäbe 29, 30, 31 und 32 gebildet, die ein Äquipotentialnetzwerk vom Hyperboltyp und mit einer Polarisation von ± V/2 simulieren, worin V = V&sub1; + V&sub0; cos ωt ist.
• Die Bewegung eines Ions in diesem System ist in einem normalen Koordinatensystem durch folgendes Gleichungensystem gegeben: cosωt konstant
• Die Lösung dieser als Mathieu-Gleichungen bekannten Gleichungen ist komplex. Es sei einfach angenommen, daß für einen reduzierten Bereich der Werte (ω, r²&sub0;, V&sub0;, V&sub1;) Stabilitätsbedingungen des Oszillierweges der Ionen vorliegen, die also das Filter durchqueren können. Diese Ionen mit reduzierter Masse m&sub0; = M&sub0;/q, (M ist darin die Atommasse des Ions und q ihre elektrische Ladung), sind die einzigen das Filter druchquerenden Ionen, die also zu implantieren sind.
• Die Ionenbewegung in einer Quadripolfilterzelle ist in perspektivischer Darstellung und schematisch in der Figur durch die Wege 33 und 34 mit gestrichelten Linien wiedergegeben.
• In Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch die Anordnung einer Einheit von Filterzellen 35, 36 und 37 vom oben beschriebenen Typ zwischen den Eintritts- und Austrittselektroden (schematisch dargestellt) der Implantationsanlage dargestellt.
• Aufeinanderfolgend sind an der Eintrittsseite die Extraktionsmündungen 38 des Anodenplasmas und die Beschleunigungsmündungen 39 der injizierten Ionen 40 und 41 vorgesehen. Die Ionen 40 des zu implantierenden Metalls mit reduzierter Masse m&sub0; durchqueren das Filter mit einer konstanten Gleitgeschwindigkeit. Die Ionen 41 mit reduzierter Masse über m&sub0; absorbiert das Filter.
• Nach dem Durchqueren der Filter durchqueren die zu implantierenden Ionen im Substrat 45 aufeinanderfolgend an der Austrittsseite das Gitter oder die Mündung 42 zum Begrenzen der Eindringung des elektrischen endgültigen Beschleunigungsfeld der Ionen, die Elektrode der Beschleunigung der Ionen auf die gewünschte Energie 43 und die Unterdrückungselektrode 44.
• In Fig. 9 ist ein magnetisches Abweichungsfilter zwischen der Eintrittsblende 46 und der Elektrode zum Extrahieren von Ionen 47 einerseits und der Beschleunigungselektrode 48 andererseits dargestellt. Dieses System benutzt die Eigenschaften der Abweichung der Ionen durch ein Magnetfeld, d.h. der Drehradius Rj eines Ions mit reduzierter Masse m und mit einer Energie eV in einem senkrechten Induktionsfeld B wird durch folgende Gleichung geben:
• Es besteht aus Mehrkanälen 49, die das Injizieren eines bedeutenden Ionenflusses in einem großen Ausmaß ermöglichen. Diese Kanäle werden durch Teile eines Kreises 50 mit einer gemeinsamen Mitte begrenzt, die den Durchgang der gewünschten Ionenmassen, beispielsweise auf dem Weg 51, und das Einfangen der unerwünschten Ionenmassen ermöglicht, beispielsweise auf den Wegen 52 und 53. Zu diesem Zweck muß das Magnetfeld im umgekehrten Verhältnis zum Radius des Kanals abfallen, um das konstante Produkt BxR aufrechtzuerhalten.
• Eine Änderung in bezug auf das Mehrkanalsystem ist sein Ersatz durch Blenden, die die Ionen einfangen, die nicht den gewünschten Weg zurücklegen. Wie für das vorangehende System werden die Ionen am Eingang des Filters mit einer mittleren Energie von wenigen keV beschleunigt. Am Ausgang erfahren sie die Hauptbeschleunigung, die sie auf die Implantations-Nennergie bringt.
• In Fig. 10 ist das Prinzipschaltbild eines Filters zum Anreichern von Ionen derselben elektrischen Ladung dargestellt.
• Die Originalität dieses Systems liegt darin, daß es direkt auf das Plasma der Ionenquelle, d.h. vor der Extraktion, angewandt wird. Es hat nicht die selben Leistungen wie die zwei vorangehenden Systeme und besitzt nur eine Anreicherung von Ionen mit einem vorgegebenen Verhältnis q/M&spplus;.
• Es nutzt die Eigenschaft der Kanalisierung des Plasmas durch die Magnetfeldlinien aus den Spulen 54 aus: mit konvergierenden Kraftlinien stimmt eine Reduktion des Abschnitts des Plasmas überein. Dieses Phänomen ist allgemein durch die Begrenzung der Diffusion der Plasmaelektronen erläutert, die selbst die Ionen anziehen, um die Neutralitätsbedingung des Plasmas aufrechtzuerhalten.
• Die Erfahrung hat ergeben, daß für niedrige Magnetfeldwerte und für ein projiziertes Plasma (vom Plasmabogentyp) die Ionen mit einer kleinen äquivalenten Masse für diesen Effekt empfindlicher sind als die Ionen mit schwererer Masse.
• Das Plasma wird so auf der Achse der Spulen 54 in ein angereichertes Plasma mit schwererer Masse 55 in weiterer Entfernung von der Achse und in ein Plasma mit leichterer Masse 56 näher bei der Achse getrennt. Letzteres mit einem kleineren Querschnitt wird durch Einfangblenden 57 extrahiert und erscheint wieder aus dem Austritt dieser Blende, weil es nicht länger den Einfluß des Magnetfelds erfährt.
• Das Schaltbild nach Fig. 11 gibt ein Beispiel einer industriellen Ausrüstung einer Metallimplantationsanlage. Der Deutlichkeit des Schaltbilds halber wird eine Ausrüstung beschrieben, die mit einer einzigen Quelle zum Implantieren einer Targetplatte mit planarer Geometrie versehen ist.
• In dieser Ausrüstung unterscheiden sich folgende Teile:
• - die Implantationskammer 58, die den Aufbau eines Vakuums in der Ausrüstung ermöglicht. Für die dargestellte industrielle Ausrüstung, die einen ununterbrochenen Betrieb mit einer bedeutenden Anzahl von Bauteilen erfordert, ist sie mit zwei Verriegelungen 59, 60, die die Einführung der zu implantierenden Werkstoffe und ihres Trägers ermöglichen, und mit Hilfsmitteln (Kühlung, Bewegung, Messung des Stroms und der Temperatur) ausgerüstet. Die Targetplatte wird durch Umlauf einer nicht dargestellten Flüssigkeit auf konstanter Temperatur gehalten und mit erforderlichen Meßgeräten zum Messen der Gebrauchsparameter ausgerüstet.
• - die Ionenquelle mit positiver Ultrahochspannung, auf der Isolatoren 61 montiert sind. Diese Quelle entsprechend des Schaltbilds nach Fig. 2 enthält die verschiedenen bereits beschriebenen Elektroden: die Kathode 1 zum Emittieren des Plasmas 2 und die Anode 3, die Zündelektroden 4 und vorkommendenfalls ein Antimikroprojektionssystem (nicht dargestellt). Diese Elektroden werden mittels einer Finrichtung (nicht dargestellt) zum Umlaufen einer Flüssigkeit oder eines Wärmeleiters für die Kathode und die Anode gekühlt.
• Diese Einheit ist mit derselben Basisplatte 62 integral, auf der die Isolatoren 61 montiert sind.
• Die Ausrüstung enthält weiter:
• - das Extraktions/Fokussiergitter 11, 12, die Beschleunigungselektrode 13 und die Unterdrückungselektrode 10 mit geeigneter Form und untereinander genauer Positionierung. Eine Möglichkeit der Montage ist die Befestigung ausgehend vom selben Träger (der oberen Wand 63 der Implantationskammer) der Einheit dieser Elektroden, die auf sehr verschiedene Potentiale gebracht sind.
• - die Targetplatte 9 wird vom Targetplattenträger 64 getragen, der für die Homogenität und die Steuerung der implantierten Dosis, die Dissipation der angelegten Energie und die Montageeinfachheit der zu montierenden Bauteile einige Bedingungen erfüllen muß.
• Die Homogenitätssteuerung erfolgt durch nicht dargestellte Sonden (Faraday-Käfige), die auf verschiedene Punkte auf der Targetplatte verteilt und an einen Computer angeschlossen sind, der die Niederschlagsgeschwindigkeit und das Aussetzen der Targetplatte abhängig von der empfangenen Dosis verteilt werden.
• Die Dissipation der Energie ist in bestimmten Anwendungen der meist kritische Punkt. In der Mehrheit der Fälle erfolgt die Temperatursteuerung an Sonden als Darstellung der zu bearbeitenden Targetplatten, und diese Sonden sind mit einer Meßstation gekoppelt, wie z.B. die Dosissonden. Die Verweilzeit der Targetplatte im Strahl ist dabei abhängig von der empfangenen Dosis und von der Temperatur, wobei die Parameter die Position der Targetplatte und die Arbeitsgeschwindigkeit der Implantationsanlage umfassen. Die Dissipation der angelegten eingetragenen Energie ist von der Art der Targetplatte abhängig. Jede Targetplatte erfährt eine spezifische Behandlung, die mit den Spezifikationen des Niederschlags und seiner Qualität kompatibel ist. Die Matrix des Targetplattenträgers ist von der Verwendung abhängig und das Kühlverfähren ist davon abhängig: Kühlung durch Flüssigkeitsumlauf in direktem Kontakt mit dem Targetplattenträger, Kühlung durch Wärmeleitung, Kühlung durch Gasumlauf. Es könnten Sonden eingetaucht werden, um die Entwicklung der Temperatur an der Kühlungsseite zu verfolgen und auf diese Weise Anomalien ans Licht zu bringen.
• Der Targetplattenträger 64, der durch ein Schleusensystem in den Raum eingeführt wird, ist auf einem bewegbaren Balgensystem montiert, in dem auch die Kühlflüssigkeiten umlaufen und sich die Meßsysteme befinden (Strom und Temperatur). Die für die industriellen Ausrüstungen und die Ultravakuumlaborausrüstungen erforderlichen Einführungsschleusen bestehen aus einem Raum 59, 60, der durch ein Ventil mit großem Durchgang 65, 66 und mit einer entfernbaren Fläche 67, 68 geschlossen wird, das mit einem System zum Fortbewegen der Targetplatte ausgerüstet ist. In den industriellen Ausrüstungen werden die Schleusen schnell und einfach geschlossen und geöffnet; die Verschiebungen der entfernbaren Fläche können über Schienen erfolgen, um die Positionierung des zu implantierenden Materials zu erleichtern. Das in der Figur dargestellte System mit zwei Schleusen erlaubt die Möglichkeit der Entgasung in einer von beiden.
• Nach dem Nachladen können die zu implantierenden Werkstoffe gebacken werden, um den Hauptteil der Entgasung vor der Einführung in die Implantationskammer zu beseitigen.
• Nach dem Eingeben in die Kammer kann der Targetplattenträger 64 von festen Punkten integral mit dem Raum mittels eines exzentrischen Punkts oder direkt mittels eines flexiblen Systems 69 in der Figur in Bewegung gesetzt werden.
• Das Pumpsystem 70, 71, 72, von dem der Typ und die Art von der Verwendung abhängig sind, muß jedenfalls vom Raum isolierbar sein und möglichst keine Öldämpfe wegen der wahrscheinlichen Ableitungen der behandelten Produkte und der Probleme der Aufrechterhaltung der Spannung zwischen den verschiedenen Elektroden rückdiffundieren.
• Neben den Anwendungen der Implantation von Metallionen kann die metallurgische Implantationsanlage nach der Erfindung zum Verwirklichen von Niederschlägen vom reaktiven Typ verwendet werden. Zu diesem Zweck ist in der Anlage im Betrieb mit einer Beschleunigungsspannung gleich Null die Ionenquelle eine Plasmaquelle, die nach dem Durchqueren der Beschleunigungseinheit auf der Targetplatte niedergeschlagen wird. Das Aufrechterhalten eines Restdrucks eines vorgegebenen reaktiven Gases (O&sub2;, N&sub2; ...) ermöglicht die Erhaltung von Verbindungsschichten (Oxide, Nitride ...).
• Die Reaktivitätsgeschwindigkeit des Niederschlags ist vom Druck p, von der zeitliche Dichte des Niederschlags, vom Quellenstrom Is und von der Oberfläche des Niederschlags abhängig.
• Da die Einheit von einem Computer steuerbar ist, wird eine Verbindung erhalten, die durch die Steuerung von p oder von Is oder von Ts (Impulsbreite) bestimmt wird.
• Dieser Niederschlag kann gleichzeitig mit Ionen vom gleichen Typ oder von einem anderen Typ beschossen werden, um mit dem Träger gemischt oder dotiert zu werden.
• Im selben Anwendungstyp kann nach der Implantation auf der Oberfläche eine Schicht abgelagert werden, die das implantierte Substrat mit (oder ohne) Anfangsimplantation für eine bessere Adhäsion der Schutzschicht schützt. Es ist ersichtlich, das die Implantationsanlage als Metallisiersystem von Kathodenmaterial bei Abwesenheit einer Beschleunigungsspannung verwendbar ist.

Claims (14)

1. Anlage für Metallionenimplantation von einer Kathode (1) nach einem Target (9), mit einer evakuierten Implantationskammer, in der wenigstens eine evakuierte Bogenionenquelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle in der Reihenfolge von der Kathode (1) nach der Targetplatte (9), wenigstens die Kathode (1), Steuerelektroden (4) und eine Anode (3), eine Extraktions- und Fokussierelektrode (7) und eine Beschleunigungselektrode (8) enthält.

2. Implantationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Inneren der Implantationskammer zum Unterdrücken der Sekundärelektronen eine Unterdrückungselektrode (10) im Metallionenbündel zwischen der Beschleunigungselektrode (8) und der Targetplatte (9) enthält.

3. Implantationsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierelektrode nur eine einzige Mündung enthält.

4. Implantationsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierelektrode aus einer Mehrmündungsstruktur besteht.

5. Implantationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere parallel arbeitende Quellen enthält, die aus mehreren Kathoden (1', 1", 1'") bestehen.

6. Implantationsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (1', 1", 1'") aus verschiedenen Werkstoffen (M&sub1;, M&sub2;, M&sub3;) hergestellt sind.

7. Implantationsanlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Quellen auf einer selben Linie mit der Anode (3) und der Steuerelektrode (4) gemeinsam für die Implantation einer Targetplatte mit einer flachen Geometrie angeordnet sind.

8. Implantationsanlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Quellen auf einem oder mehreren Pegeln angeordnet sind, wobei die Kathoden (14) und die Anoden (16) einheitlich auf dem Umkreis einer geschlossenen Kurve oder eines Vielecks verteilt und nach dem Inneren oder nach der Außenseite der Kurve oder des Vielecks gerichtet sind, wobei die Aufstellung der Quellen für die Implantation der externen Fläche oder der internen Fläche einer rohrförmigen Targetplatte mit zylindrischer Form (20) oder Polygonform verschiebbar gemacht wird.

9. Implantationsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Quellen mit Hilfe eines Translationssystems (27) in einer Richtung parallel zur Achse der rohrförmigen Targetplatte verschiebbar gemacht wird.

10. Implantationsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Quellen mit Hilfe gelenkiger Hebel (28) verschiebbar gemacht wird, die mit Hilfe eines Computers gesteuert werden können.

11. Implantationsanlage nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Filtersystem versehen werden kann, die die Beseitigung von Ionen mit unerwünschter Energie möglich macht.

12. Implantationsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtersystem (54, 57) vor der Extraktionselektrode angeordnet ist und direkt auf das von der Quelle emittierte Plasma einwirkt, wobei die Eigenschaft der Kanalisierung des Plasmas durch die Kraftlinien eines Magnetfelds ausgenutzt wird.

13. Implantationsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtersystem hinter der Extraktionselektrode angeordnet ist und aus Quadripolarzellen (35, 36, 37) besteht, die bei hoher Frequenz oder durch die kreisförmigen Mehrkanäle mit Magnetabweichung (49) polarisiert sind.

14. Implantationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsspannung gleich Null ist, wobei die hohe Ionenquelle mit Vakuum als Plasmaquelle verwendet wird, die nach dem Durchsetzen der Beschleunigungseinheit auf der Targetplatte niederschlägt, wobei die Einführung eines Restdrucks eines bestimmten reaktiven Gases wie O&sub2;, N&sub2; ... in der Implantationskammer das Erzeugen von Niederschlägen vom Typ "reaktiv" (wie z.B. Oxide, Nitride ...) ermöglicht.