UMFELD DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Ionenimplantiereinheit unter
Verwendung eines linearen Hochfrequenz-Ionenbeschleunigers,
insbesondere betrifft sie eine Ionenimplantiereinheit, welche
zur Erzeugung eines energiereichen Ionenstrahls in einem
großen Strombereich einsetzbar ist.
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In der japanischen Veröffentlichung der ungeprüften
Patentanmeldung JP-A-60-121656 findet sich eine
Ionenimplantiereinheit mit einem herkömmlichen Hochfrequenz-Vierpol(RFQ)
-Ionenbeschleuniger offenbart. Diese bekannte Technologie
zeichnet sich dadurch aus, daß sich energiereiche Ionen im
Bereich einiger Hundert keV bis zu einigen MeV implantieren
lassen.
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Fig. 3 zeigt schematisch eine Anordnung für die bekannte
Technologie.
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Wie in der Zeichnung dargestellt, weist die
konventionelle Ionenimplantierheit als grundlegende Elemente eine
Ionenquelle 1 zur Erzeugung von Ionen auf, die in ein im Vakuum
zu bearbeitendes Material implantiert werden sollen,
weiterhin ein Massenspektrometer 6, welches die aus der Ionenquelle
1 stammenden Ionen zur Massenspektrometrie durchlaufen, einen
RFQ-Beschleuniger 3, mittels dem Ionen aus dem
Massenspektrometer 5 implantiert und auf Hochfrequenzspannung beschleunigt
werden, und schließlich eine Ionenimplantierkammer, in der
Ionen aus dem RFQ-Beschleuniger 3 in das zu bearbeitende
Material implantiert werden.
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Ein weiteres Beispiel aus dem Stand der Technik, in dem
eine Vierpol-Linse 2 zwischen dem Massenspektrometer 6 und
dem RFQ-Beschleuniger 3 angeordnet ist, um einen in den RFQ-
Beschleuniger 3 eingebrachten Ionenstrahl zu fokussieren, ist
beispielsweise in "Nudear Instruments and Methods in Physics
Research" B50, 1990, Seiten 478-480 beschrieben.
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Sämtliche oben erwähnten, herkömmlichen Technologien
verwenden ein fächerförmiges Massenspektrometer 6 zur Auswahl
der geeigneten Ionenart aus den verschieden Ionenarten, die
in dem der Ionenquelle 1 entnommenen Strahl enthalten sind.
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Des weiteren verwenden alle herkömmlichen Techniken, bei
denen eine Vierpol-Linse 2 zwischen dem Massenspektrometer 6
und dem RFQ-Beschleuniger 3 zur Fokussierung des in ihn
einfallenden Ionenstrahls angeordnet ist, eine elektrostatische
Vierpol-Linse (vgl. "Nudear Instruments and Methods in
Physics Research" B37/38, 1989, Seiten 94-97).
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Bei den erwähnten, herkömmlichen Techniken ermöglicht
die Verwendung eines RFQ-Beschleunigers die Implantation von
energiereichen Ionen, nutzt jedoch den der Ionenquelle 1
entnommenen Ionenstrahl nicht in vollem Umfang aus, so daß die
Stromstärke auf dem Weg des Strahles von der Ionenquelle 1
zur Ionenimplantierkammer 4 auf die Hälfte ihres Wertes oder
noch darunter abnimmt. Hohe Ströme können folglich nicht
erzielt werden. Das genannte Problem entsteht aus folgenden
Gründen. In dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel dient das
Fächermassenspektrometer 6 zur Massenspektrometrie des der
Ionenquelle 1 entnommenen Ionenstrahls. Dieses Fächermassen
spektrometer 6 weist jedoch nur eine geringe spezifische
Durchlässigkeit (Transmissivität) auf, da dort schwach
konvergierende Linsen eingesetzt werden. Befindet sich ferner
die elektrostatische Vierpol-Linse zwischen dem
Massenspektrometer 6 und dem RFQ-Beschleuniger 3, so verursacht sie
eine Auslösung von in dem Strahl enthaltenen Elektronen. Daher
ist es nicht möglich, Strahldivergenz aufgrund von Raumladung
zu vermindern, mit dem Ergebnis, daß der Ionenstrahl nicht
genügend auf die Einfallsöffnung des RFQ-Beschleunigers 3
fokussiert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines
Gerätes zur Erzeugung eines energiereichen Ionenstrahls in
einem großen Strombereich.
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Diese Aufgabe kann von einem Gerät gelöst werden, wel
ches eine Ionenquelle zur Erzeugung eines verschiedene Arten
von Ionen enthaltenden Strahls beinhaltet, eine Mehrpol-Linse
zur Massenspektrometrie eines verschiedene Arten von Ionen
enthaltenden Strahls aus einer Ionenquelle sowie zur
Fokussierung dieses Strahl, weiterhin einen
Hochfrequenzbeschleuniger zur Beschleunigung des die Mehrpol-Linse verlassenden
Ionenstrahls auf ein vorgegebenes Energieniveau mit Hilfe
eines Hochfrequenzfeldes und eine Ionenimplantierkammer, um den
Ionenstrahl aus dem Hochfrequenzbeschleuniger in das zu
bearbeitende Material einzubringen.
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Die obengenannte Aufgabe kann durch Verwendung einer
Magnetfeld-Vierpollinse zusätzlich zu den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst werden.
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Ferner wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
durch Verwendung einer Magnetfeld-Vierpollinse mit mindestens
drei Stufen zusätzlich zu den Merkmalen des Anspruchs 2
gelöst.
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Außerdem kann die Aufgabe dadurch gelöst werden, daß
zusätzlich zu den Merkmalen des Anspruchs 1 als
Hochfrequenzbeschleuniger ein Vierpol-Teilchenbeschleuniger verwendet wird,
bei dem einander zugewandte Ebenen der Vierpol-Elektroden
wellenförmig ausgebildet sind.
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Weiterhin kann die Lösung der Aufgabe dadurch erfolgen,
daß zusätzlich zu den Merkmalen des Anspruchs 1 ein
Hochfrequenz-Resonanz kreis des Hochfrequenzbeschleunigers außerhalb
der Beschleunigungsröhre angebracht ist.
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Ferner kann zusätzlich zu den Merkmalen des Anspruchs 1
zwischen dem Hochfrequenzbeschleuniger und der
Ionenimplantierkammer ein Strahlablenker angeordnet sein, um den Winkel
zu ändern, unter dem Ionen in das zu behandelnde Material im
plantiert werden.
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Schließlich kann die Aufgabe auch dadurch gelöst werden,
daß zusätzlich zu den Merkmalen des Anspruchs 6 ein
Magnetfeld-Spektrometer als Strahlablenker eingesetzt wird.
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Um die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen,
nutzt vorliegende Erfindung die Eigenschaften der
Massenspektrometrie und der Fokussierung einer Mehrpol-Linse aus.
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Unter diesen Mehrpol-Linsen wird die Vierpol-Linse zur
Fokussierung eines geladenen Teilchenstrahls mittels eines
elektrostatischen oder magnetischen Feldes genutzt, wobei die
Vierpol-Linse gleichzeitig die erforderlichen Ionen auswählt.
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Die Konvergenzeigenschaften des Strahls sind bestimmt durch
Nasse, Geschwindigkeit und der elektrischen Ladungszahl der
Partikel, wie es bei den normalen Fächermassenspektrometern
der Fall ist. Befindet sich die gewünschte Ionenart auf einer
konvergierenden Bahn, so sind die restlichen Ionen auf
vollständig verschiedenen divergierenden Bahnen verteilt. Somit
besitzt die Vierpol-Linse auch eine massenspektrometrische
Funktion, ähnlich der von Fächermassenspektrometern.
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Die Vierpol-Linse führt die Massenspektrometrie eines
Strahls in kurzer Distanz aus, indem sie den Strahl in
gerader Richtung führt, da die Vierpol-Linse eine stark
konvergierende Linse verwendet. Folglich kann der Strahl die
Vierpol-Linse mit einer Transmissivität von nahezu 100%
durchsetzen, womit mindestens die doppelte Transmissivität
herkömmlicher Fächermassenspektrometer, die schwach konvergierende
Linsen einsetzen, erzielt wird. Es kann folglich eine
einfache und kompakte Einheit zur Verfügung gestellt werden, die
sowohl die massenspektrometrische Eigenschaft als auch die
Konvergenzfunktion einer Linse aufweist, wobei die
Stromstärke des Strahles mindestens auf dem zweifachen Niveau bishen
ger Massenspektrometer gehalten wird.
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Während die Massenspektrometer vom Fächertyp kein großes
Ausstoßfeld der Ionenquelle nutzen können, da sie ein kleines
Toleranzgebiet für den Strahlendurchgang besitzen, wird es
durch den Einsatz der Vierpol-Linse möglich, ein größeres
Ausstoßgebiet der Ionenquelle zu nutzen und die Stromstärke
des in den RFQ-Beschleuniger fallenden Strahles um das etwa
5-fache bis zu einer Größenordnung von einigen 10 mA zu
erhöhen.
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Verglichen mit Vierpol-Linsen elektrostatischen Typs
verursacht die Vierpol-Linse magnetischen Typs kaum eine
Ablenkung der im Strahl eingeschlossenen Elektronen. Folglich
kann die Strahldivergenz aufgrund der Raumladung derart
begrenzt werden, daß ein Ionenstrahl hoher Stromstärke, in der
Größenordnung einiger 10 mA, in ausreichender Weise auf die
Einfallsöffnung des RFQ-Beschleunigers fokussiert werden
kann. Dies läßt sich folgendermaßen erklären. Die auf die
geladenen Teilchen in einem elektrostatischen Feld wirkende
Kraft ist durch den Term qE festgelegt, wobei E die
elektrische Feldstärke und q die elektrische Ladung des Teilchens
angibt, während die auf geladene Teilchen in einem Magnetfeld
wirkende Kraft durch den Term qvB festgelegt ist (magnetische
Flußdichte: B). Diese Kraft ist proportional zur
Geschwindigkeit v, so daß ein in dem Strahl enthaltenes Elektron
niedriger Geschwindigkeit aus diesem nicht abgelenkt wird, auch
wenn es von einem Magnetfeld beeinflußt wird.
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Eine Vierpol-Linse mit mindestens drei Stufen besitzt
einen größeren Freiheitsgrad als eine mit zwei oder weniger
Stufen und kann einen Strahl auf beliebiger Distanz in
beliebiger Vergrößerung auf ein Abbild mit gleicher Vergrößerung
in horizontaler wie in vertikaler Richtung konvergieren.
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Folglich kann, auch wenn sich die Größe der Einfallsöffnung
des RFQ geändert hat, eine optimale Einfallsbedingung für den
Strahl aufrechterhalten werden, ohne den Abstand der Linse zu
dem RFQ-Beschleuniger ändern zu müssen. Auf diese Weise wird
es möglich, einen energiereichen Ionenstrahl in einem großen
Strombereich in der Größenordnung einiger 10 mA mit
verschiedenen Ionenarten zu erzeugen.
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Unter den Hochfrequenzbeschleunigern besitzt der
RFQ-Beschleuniger den größten Wirkungsquerschnitt pro
Längeneinheit. Ein RFQ-Beschleuniger mit einem außerhalb der
Beschleunigungsröhre angebrachten Hochfrequenz-Resonanzkreis erlaubt
eine variable Einstellung der den Beschleuniger verlassenden
Strahlenergie. Folglich ermöglicht die oben beschriebene
Anordnung eine kompakte Gestaltung der gesamten Einheit und
weiterhin die Erzeugung eines energiereichen Ionenstrahls mit
jedem gewünschten Energiewert zwischen einigen 100 keV und
einigen MeV in einem großen Stromstärkebereich in der
Größenordnung
von mA bis einigen 10 mA, abhängig von den
verschiedenen Ionenarten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 stellt schematisch die Anordnung eines ersten
Ausführungsbeispiels der Erfindung dar.
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Fig. 2 stellt schematisch ein zweites
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
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Fig. 3 stellt schematisch eine Anordnung entsprechend
dem Stand der Technik dar.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird
untenstehend mit Bezug zu einer Figur erläutert.
ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm zur
Veranschaulichung eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
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Wie in der Figur gezeigt, stellt die dortige Einheit
eine Ionenimplantiereinheit dar, deren Vierpol-Linse 2 zwischen
der Ionenquelle 1 und einem RFQ-Beschleuniger 3 angeordnet
ist, um einen energiereichen Ionenstrahl in einem großen
Stromstärkebereich in der Größenordnung einiger 10 mA zu
erzeugen.
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Die Ionenquelle 1 ist eine Quelle für mehrfach geladene
Ionen des Mikrowellen-Entladungstyps mit einem
Mehrpol-Magnetfeld, das von einem am äußeren Umfang einer zylindrischen
Plasmakammer angeordneten 8-poligen Permanentmagneten erzeugt
wird, wobei außerdem durch Solenoidspulen in axialer Richtung
ein magnetisches Spiegelfeld erzeugt wird. Aufgrund von
Mikrowellenentladung in einem Magnetfeld kann von einer
Extraktionselektrode ein Ionenstrahl hoher Dichte von 30 mA/cm²
oder darüber abgenommen werden. Mittels einer Auslaßöffnung
mit einem Maximaldurchmesser von 10 mm konnte ein
Argonionenstrahl von 30 mA entnommen werden.
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Die Vierpol-Linse 2 ist eine dreistufige magnetische
Vierpol-Linse, die drei einzelne Linsen mit einer Linsenlänge
von 110 mm verwendet. Der maximale Anregungsstrom beträgt 70
A, und ein Ionenstrahl von ein- bis dreiwertigem Argon von
etwa 10 mA kann in die Einfallsöffnung des RFQ-Beschleunigers
mit einem Durchmesser von 10 mm fokussiert werden. Wenn die
ausnutzbare Fläche der Ionenquelle vergrößert wird, kann eine
Stromstärke von einigen 10 mA sichergestellt werden.
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Der RFQ-Beschleuniger 3 ist ein Beschleuniger mit
externem Resonanzkreis, der einen außerhalb der Beschleunigerröhre
angebrachten Hochfrequenz-Resonanzkreis aufweist und eine
RFQ-Elektrode mit einer Gesamtlänge von 2,3 m verwendet. Der
Resonanzkreis wird von einem Kondensator variabler Kapazität
und einer Spule variabler Induktivität gebildet. Legt man den
Resonanzkreis auf Schwingungsfreguenzen in der Gegend von 10
bis 30 MHz aus, kann ein energiereicher Strahl in der Gegend
von 0,5 bis 4 MeV gewonnen werden. Die dem RFQ-Beschleuniger
zuzuführende Hochfrequenzleistung beträgt maximal 50 kW.
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Sollen Ionen in einen Silicium-Halbleiterwafer
implantiert werden, beinhaltet die Implantierkammer zehn und mehr
Waferstücke, die auf einer rotierenden Scheibe angebracht
sind; für den Fall, daß ein einzelner Gegenstand, etwa
industrielles Material, behandelt werden soll, kann in die
Implantierkammer ein Substrathalter installiert werden, der
eine Rotation um mindestens drei Achsen erlaubt. Mit dieser
Anordnung kann eine Hochenergie-Implantation von Ionen in
Halbleiterwafer, in Industriewerkstücke, etc. bei hohem
Mengendurchsatz erzielt werden, ähnlich dem Durchsatz, der von
herkömmlichen Ionenimplantiereinheiten mit hohen Stromstärken
und mittleren Energien von 200 keV oder darunter erreicht
wird.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung als Blockdiagramm.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel stellt eine
Ionenimplantiereinheit zum Implantieren eines Ionenstrahls in ein zu
behandelndes Material dar, nachdem der Ionenstrahl eine
Ablenkung erfuhr. Diese Ionenimplantiereinheit weist eine
Vierpol-Linse 2 auf, die zwischen der Ionenquelle 1 und dem RFQ-
Beschleuniger 3 in der gleichen Weise wie im ersten
Ausführungsbeispiel angeordnet ist, um einen energiereichen
Ionenstrahl in einem weiten Stromstärkebereich der Größenordnung
einiger 10 mA zu erzeugen und anschließend den beschleunigten
Strahl mittels eines Strahlablenkers 5 abzulenken, woraufhin
dieser in das zu behandelnde Material implantiert wird. Mit
dieser Anordnung kann der Implantationswinkel des
Ionenstrahls in das zu behandelnde Material kontrolliert werden;
außerdem kann ein Werkstück großer Ausdehnung durch Abtasten
mit dem Ionenstrahl behandelt werden. Der Strahlablenker 5
kann auch als Geschwindigkeitsfilter zur Entfernung eines
kleinen energiearmen Strahlenanteils aus dem beschleunigten
Strahl dienen, um somit die Reinheit des in das zu
behandelnde Material implantierten Strahls zu erhöhen.
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Zu den Materialien, die bei dem ersten und dem zweiten
Ausführungsbeispiel behandelt und in der
Ionenimplantierkammer 4 angeordnet werden können, gehören
Halbleitermaterialien, wie Silicium, Galliumarsenid und Indiumphosphid,
verschiedene metallische Materialien wie Stahl und rostfreier
Stahl, keramische Materialien, wie Aluminium- und Bornitrid,
sowie weitere Glas- oder organische Materialien. Weiterhin
können die zu behandelnden Materialien von unterschiedlicher
äußerer Form sein, von ebener Beschaffenheit, etwa
Halbleiterwafer, oder mit komplexer Form, wie Getriebe und
Maschinenteile, etc., so daß diese Ausführungsbeispiele in einem
weiten Bereich der Oberflächenbehandlung zum Einsatz kommen
können.
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Wie oben beschrieben, kann gemäß den vorliegenden
Ausführungsbeispielen ein von einer Ionenquelle stammender
Ionenstrahl in vollem Umfang ausgenutzt und die Abnahme der
Stromstärke auf dem Weg des Strahls auf ein Minimum begrenzt
werden. Folglich ist es möglich, einen energiereichen
Ionenstrahl mit beliebigem Energieniveau in der Gegend von einigen
Hundert keV bis einigen MeV in einem weiten
Stromstärkebereich in der Größenordnung von einigen 10 mA zu erzeugen, was
dem 5-fachen bisheriger Energieniveaus entspricht.
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Da außerdem Massenspektrometrie und Strahlkonvergenz zur
gleichen Zeit bei einem linearen Strahl vorgenommen werden,
ist es möglich, die Einheit in einfacher linearer Struktur
und mit einer kompakteren Größe auszuführen als dies bei
herkömmlichen Einheiten möglich war.
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Weiterhin wird es möglich, eine Ionenbehandlungseinheit
zur Verfügung zu stellen, die nicht nur Ionenstrahlen in der
Größenordnung von MeV im Herstellungsprozeß einer
Halbleitereinheit verwendet, sondern auch die zur Verbesserung der
Oberflächenqualität von Materialien wie Metallen und
Keramiken notwendige Zeit verkürzt, so daß die
Ionenstrahlbehandlungseinheit für die Massenproduktion solcher Materialien
einsatzfähig ist.
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Erfindungsgemäß ist eine Mehrpol-Linse zwischen einer
Ionenquelle und einem Hochfrequenzbeschleuniger angeordnet,
so daß die Mehrpol-Linse den Ionenstrahl aus der Ionenquelle
fokussieren und außerdem einer Massenspektrometrie
unterziehen kann und dann die Stromstärke des auf den
RFQ-Beschleuniger fallenden Strahls erhöht, wobei letzterer den Ionenstrahl
beschleunigt und einen energiereichen Ionenstrahl in einem
weiten Stromstärkebereich erzeugt.