EP0377445B1

EP0377445B1 - Method and device for generating ion beams with a large beam cross-section

Info

Publication number: EP0377445B1
Application number: EP90100045A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dr. Janes
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1989-01-05
Filing date: 1990-01-02
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2010-01-02
Also published as: DE59005653D1; EP0377445A3; EP0377445A2; DE3900252C1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ionenstrahlen mit großflächigem Strahlquerschnitt.The invention relates to a method and a device for generating ion beams with a large beam cross section.

Der erzeugte Ionenstrahl dient zur Trockenätzung von Halbleiteroberflächen. Mit zunehmender Verkleinerung der Strukturen auf Halbleiterchips gewinnen hochauflösende Trockenätzverfahren mit einem hohen Grad an Anisotropie und Maßhaltigkeit an Bedeutung. Das Verhältnis von vertikaler zu lateraler Ätzrate muß so groß sein, daß die Unterätzungen der Strukturen kleiner als die durch Lithographieprozesse bedingten Linienbreitenfehler sind. Beim RIE-Verfahren (Reactive Ion Etching) werden zur Trockenätzung reaktive Ionen herangezogen, die zu chemischen Reaktionen auf der Oberfläche führen. Die Ionen werden durch ein Ätzplasma zur Verfügung gestellt, das über der Halbleiteroberfläche brennt.The ion beam generated is used for dry etching of semiconductor surfaces. As the structures on semiconductor chips become smaller, high-resolution dry etching processes with a high degree of anisotropy and dimensional accuracy are becoming increasingly important. The ratio of the vertical to the lateral etching rate must be so large that the underetching of the structures is smaller than the line width errors caused by lithography processes. In the RIE (Reactive Ion Etching) process, reactive ions are used for dry etching, which lead to chemical reactions on the surface. The ions are provided by an etching plasma that burns over the semiconductor surface.

Eine Weiterentwicklung des RIE-Verfahrens ist der RIBE-Prozeß (Reactive Ion Beam Etching), bei welchem die Halbleiteroberfläche mit einem Strahl reaktiver Ionen beschossen wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß der störende Einfluß der Ionenerzeugung auf die Ätzreaktionen auf der Halbleiteroberfläche weitgehend ausgeschaltet wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Erzeugung der Ionen und das Ätzen örtlich voneinander getrennt ablaufen, indem die Ionen aus der Quelle heraus auf die zu ätzende Oberfläche hin beschleunigt werden.A further development of the RIE process is the RIBE process (Reactive Ion Beam Etching), in which the semiconductor surface is bombarded with a beam of reactive ions. The advantage of this procedure is that that the disruptive influence of ion generation on the etching reactions on the semiconductor surface is largely eliminated. This is achieved in that the generation of the ions and the etching take place separately from one another by accelerating the ions out of the source onto the surface to be etched.

Voraussetzung für die Durchsetzungsfähigkeit dieses Verfahrens ist die Verfügbarkeit einer geeigneten Ionenquelle.A prerequisite for the assertiveness of this method is the availability of a suitable ion source.

Ionenquellen für unterschiedliche Anwendungsbereiche sind in der Literatur zahlreich beschrieben. Die grundlegenden physikalischen Prinzipien werden in der Schrift: "Ionenquellen" (Kerntechnik, 4, 1962, S. 1-7) erläutert.Ion sources for different areas of application have been described in numerous numbers in the literature. The basic physical principles are explained in the publication: "Ion sources" (Kerntechnik, 4, 1962, pp. 1-7).

In der Patentschrift US-A-30 05 931 ist eine Ionenquelle beispielsweise für die Anwendung in einer Kernfusions-Apparatur mit magnetischen Spiegeln offenbart. Diese Ionenquelle ist insbesondere für die Erzeugung neutraler Plasmen ausgebildet und wegen des zu geringen Strahlenquerschnittes des Ionenstromes und der aufwendigen Konstruktion für den RIBE-Prozeß ungeeignet.US-A-30 05 931 discloses an ion source, for example for use in a nuclear fusion apparatus with magnetic mirrors. This ion source is designed in particular for the generation of neutral plasmas and is unsuitable for the RIBE process because of the radiation cross section of the ion current and the complex construction.

Eine Ionenquelle zur Ionenimplantation von Metallionen wurde mit der Schrift "Vakuum arc arrays for intense metal ion beam injectors" (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B10, 1985, S. 792-795) veröffentlicht. Diese Ionenquelle erfüllt die Aufgabe, einen Ionenstrom zu liefern, der möglichst nur aus einer Ionensorte, nämlich der zu implantierenden Metallionen besteht und eine hohe Ionenenergie aufweist. Da beim RIBE-Prozeß eine Oberflächenschädigung vermieden werden muß, erweist sich diese Quelle ebenfalls als ungeeignet.An ion source for ion implantation of metal ions has been published with the document "Vacuum arc arrays for intense metal ion beam injectors" (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B10, 1985, pp. 792-795). This ion source fulfills the task of delivering an ion current which if possible consists of only one type of ion, namely the metal ions to be implanted, and which has a high ion energy. Since surface damage must be avoided in the RIBE process, this source is also unsuitable.

Um eine hohe Anisotropie des Ätzprozesses zu erreichen, darf der Ionenstrahl nur eine geringe Strahldivergenz besitzen. Er muß eine hohe Ionenstromdichte aufweisen, um hohe Ätzraten sicherzustellen. Die Ionenenergie muß niedrig sein, um die Oberflächenschädigung und die Oberflächentemperatur gering zu halten. Um die gesamte Oberfläche eines Wafers strukturieren zu können, muß der Ionenstrahl einen möglichst großflächigen Strahlquerschnitt besitzen.In order to achieve a high anisotropy in the etching process, the ion beam must have only a small beam divergence. It must have a high ion current density to ensure high etch rates. The ion energy must be low in order to keep the surface damage and the surface temperature low. In order to be able to structure the entire surface of a wafer, the ion beam must have the largest possible beam cross section.

Die bisher existierenden Quellen für großflächige Ionenstrahlen arbeiten nach dem Kaufman-Prinzip, das beispielsweise in dem Artikel "Broad-beam ion sources. Present status and future directions" (Journal of Vacuum Science Technology, A 4, 1986, S. 764 - 771) beschrieben ist. Bei dieser Quelle emittiert ein geheiztes Filament Elektronen, die eine Gleichstromentladung zwischen dem als Kathode geschalteten Filament und einer großflächigen Anode unterhalten. Die Extraktion der Ionen aus dem Plasma erfolgt über ein oder mehrere Gitter, an welchen ein entsprechendes Potential anliegt.The existing sources for large-area ion beams work according to the Kaufman principle, which is described, for example, in the article "Broad-beam ion sources. Present status and future directions" (Journal of Vacuum Science Technology, A 4, 1986, pp. 764 - 771) is described. In this source, a heated filament emits electrons that maintain a direct current discharge between the filament connected as a cathode and a large-area anode. The ions are extracted from the plasma via one or more grids, to which a corresponding potential is present.

Die Verwendung eines heißen Filaments ist jedoch für den Einsatz reaktiver Gase ungeeignet, da das heiße Filament im Laufe der Zeit weggeätzt wird, wodurch die Betriebsdauer der Quelle stark eingeschränkt ist. Einige Ionenquellen vermeiden das heiße Filament zur Erzeugung des Plasmas. Dort werden beispielsweise Hochfrequenzentladungen oder Mikrowellenentladungen zur Ionisation eingesetzt.However, the use of a hot filament is unsuitable for the use of reactive gases because the hot filament is etched away over time, which severely limits the operating life of the source. Some ion sources avoid the hot filament used to create the plasma. There, for example, high-frequency discharges or microwave discharges are used for ionization.

Die Extraktion der Ionen aus dem Plasma mit Hilfe von Extraktionsgittern, die auch in der Veröffentlichung "Grid-controlled extraction of pulsed ion beams" (Journal of Applied Physics, 59 (6), 1986, S. 1790-1798) beschrieben ist, wirkt sich störend auf die Qualität des Ionenstrahles aus. Die komplizierten Potentiale im Nahbereich der Gitteröffnungen führen zu unterschiedlichen Flugrichtungen der Ionen nach dem Durchtritt durch die Gitteröffnungen. Der Ionenstrahl erhält dadurch eine "innere Divergenz", die zwar durch hintereinander geschaltete Extraktionsgitter verringert, jedoch nicht beseitigt werden kann. Die innere Divergenz des Ionenstrahles führt beim Ätzprozeß zu schrägen Flanken der geätzten Strukturen und damit zu einer Herabsetzung der Anisotropie.The extraction of the ions from the plasma with the aid of extraction grids, which is also described in the publication "Grid-controlled extraction of pulsed ion beams" (Journal of Applied Physics, 59 (6), 1986, pp. 1790-1798), has an effect interfere with the quality of the ion beam out. The complicated potentials in the vicinity of the lattice openings lead to different directions of flight of the ions after they have passed through the lattice openings. This gives the ion beam an "inner divergence" which, although it can be reduced by extraction grids connected in series, cannot be eliminated. The internal divergence of the ion beam leads to oblique flanks of the etched structures during the etching process and thus to a reduction in the anisotropy.

Ein weiterer Nachteil der Ionenextraktion mit Hilfe eines Gitters sind Sputterprozesse der Ionen, die auf die Gitteroberfläche treffen. Durch solche Prozesse wird der Ionenstrahl mit Verunreinigungen angereichert.Another disadvantage of ion extraction using a grid is the sputtering process of the ions that hit the surface of the grid. Such processes enrich the ion beam with impurities.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ionenstrahlen mit großflächigem Strahlquerschnitt bereitzustellen, die Ionenstrahlen hoher Stromdichte, niedriger Ionenenergie und niedriger Strahldivergenz für die Erzeugung kleinster Strukturen auf Halbleiteroberflächen liefern und die auf heizbare Filamente zur Ionenerzeugung und auf Gitterelektroden zur Extraktion der Ionen verzichten.The object of the invention is to provide a method and a device for generating ion beams with a large beam cross section, which deliver ion beams of high current density, low ion energy and low beam divergence for the production of the smallest structures on semiconductor surfaces and on heatable filaments for ion generation and on grid electrodes for extraction of the ions.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zu ionisierende Gas mit Hilfe eines gepulst betriebenen Molekularstrahl-Düsensystems zugeführt und in einer gepulsten Hochspannungs-Gasentladung ionisiert wird, daß die Ionen senkrecht zur Richtung des Molekularstrahles und senkrecht zur Richtung der Hochspannungsentladung mit synchron gepulsten elektrischen oder magnetischen Feldern beschleunigt werden und daß das nicht ionisierte Prozeßgas mit einer Pumpe aus dem Reaktionsraum entfernt wird.This object is achieved in that the gas to be ionized is supplied with the aid of a pulsed molecular jet nozzle system and is ionized in a pulsed high-voltage gas discharge that the ions perpendicular to the direction of the molecular beam and perpendicular to the direction of the high-voltage discharge with synchronously pulsed electrical or magnetic fields are accelerated and that the non-ionized process gas is removed from the reaction chamber with a pump.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Nebenanspruch 6 gekennzeichnet. Da die Wahrscheinlichkeit, daß ein Gasmolekül ionisiert wird, mit der Verweildauer zwischen den Hochspannungselektroden steigt, erfolgt die Zuführung des Gases parallel zu den Hochspannungselektroden, um die Ionisation des Gasstromes möglichst effektiv zu gestalten.Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims, a device for carrying out the method in the independent claim 6. Since the probability that a gas molecule is ionized increases with the length of time between the high-voltage electrodes, the gas is fed in parallel to the high-voltage electrodes in order to make the ionization of the gas stream as effective as possible.

Die Beschleunigung der Ionen muß so erfolgen, daß der Strahl eine möglichst geringe Divergenz aufweist. Ideal ist eine Beschleunigung entlang paralleler elektrischer Feldlinien, wie sie in einem Plattenkondensator verwirklicht sind. Bekannte Verfahren zur Erzeugung von Ionenstrahlen versuchen diesem Ideal durch Verwendung eines Extraktionsgitters nahezukommen, wodurch die oben beschriebenen Nachteile entstehen.The ions must be accelerated so that the beam has as little divergence as possible. It is ideal to accelerate along parallel electric field lines, such as are realized in a plate capacitor. Known methods for generating ion beams try to come close to this ideal by using an extraction grid, which results in the disadvantages described above.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Homogenität des Beschleunigungs-Feldes durch zeitliche Abstimmung der im Pulsbetrieb durchgeführten Verfahrensschritte 1a bis 1c erreicht. Das Beschleunigungsfeld wird erst eingeschaltet, wenn sich die zu beschleunigenden Ionen nicht mehr in Bereichen befinden, in welchen das Feld inhomogen ist, sondern Bereiche durchfliegen, deren Feldlinien parallel zur Flugrichtung weisen.In the method according to the invention, the homogeneity of the acceleration field is achieved by timing the method steps 1a to 1c carried out in pulsed operation. The acceleration field is only switched on when the ions to be accelerated are no longer in areas in which the field is inhomogeneous, but fly through areas whose field lines point parallel to the direction of flight.

Die gepulste Beschleunigung der Ionen in den hintereinander angeordneten Beschleunigungsfeldern bewirkt, daß Ionen gleicher Masse aber mit unterschiedlichem Ladungszustand beim Auftreffen auf die zu ätzende Oberfläche dieselbe Energie besitzen und demnach die gleichen energieabhängigen Prozesse induzieren.The pulsed acceleration of the ions in the acceleration fields arranged one behind the other has the effect that ions of the same mass but with different charge states have the same energy when they strike the surface to be etched and accordingly induce the same energy-dependent processes.

Durch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Ansprüchen 2 und 3 werden Ladungsträger, die entweder nicht an einer Reaktion mit der Oberfläche teilgenommen haben, oder geladene Reaktionsprodukte mit Hilfe eines Spannungspulses aus dem Bereich der Oberfläche entfernt. Diese geladenen Teilchen können sich dann nicht mehr negativ auf die Qualität des Ionenstrahles und auf die Reaktionsprozesse auswirken.Further developments of the method according to the invention according to claims 2 and 3 remove charge carriers which have either not participated in a reaction with the surface or charged reaction products with the aid of a voltage pulse from the region of the surface. These charged particles can then no longer have a negative effect on the quality of the ion beam and on the reaction processes.

Um auch den negativen Einfluß von Neutralteilchen auf die Strahlqualität auszuschalten, werden nach Anspruch 4 die neutralen Reaktionsprodukte mit Hilfe von Vakuumpumpen aus dem Reaktionsraum entfernt. Eine Weiterbildung nach Anspruch 5 zeichnet sich dadurch aus, daß die Entladung des Hochspannugspulses zur Plasmaerzeugung effektiv und gleichmäßig erfolgt. Das Entladungsgas wird mit Hilfe einer Spitzenentladung oder mit Hilfe von UV-Licht vorionisiert.In order to eliminate the negative influence of neutral particles on the beam quality, the neutral reaction products are removed from the reaction chamber with the aid of vacuum pumps. A development according to claim 5 is characterized in that the discharge of the high-voltage pulse for plasma generation takes place effectively and uniformly. The discharge gas is pre-ionized with the aid of a peak discharge or with the aid of UV light.

Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Nebenanspruch 6 gekennzeichnet. Die Ionen werden in einem gepulsten elektrischen Feld beschleunigt, das zwischen einer Potentialscheibe und einer Folge von Metallzylindern aufgebaut wird. Bei einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 7 erfolgt die Beschleunigung der Ionen mit Hilfe von Magnetfeldern, die durch ein Spulensystem erzeugt werden.A particularly advantageous device for performing the method is characterized in the independent claim 6. The ions are accelerated in a pulsed electrical field, which is built up between a potential disk and a series of metal cylinders. In a further embodiment according to claim 7, the ions are accelerated with the aid of magnetic fields which are generated by a coil system.

Prinzipiell kann zur Beschleunigung der Ionen jedes Feld eingesetzt werden, das auf die Ionen einen Impuls auszuüben vermag.In principle, any field can be used to accelerate the ions that can exert a pulse on the ions.

Nach Anspruch 8 wird das Blendenfeld, das eine Selektion der Moleküle nach ihrer Flugrichtung durchführt, durch eine Schlitzblende ersetzt. Dadurch wird die Strahldivergenz für bestimmte Anwendungen nur in einer Richtung eingeengt. Diese Variante zeichnet sich darüber hinaus durch einfachere Justierbarkeit und billigere Herstellung aus. Die gepulste Gaszuführung erlaubt es, den störenden Untergrundgasdruck in der Reaktionskammer zu reduzieren. Eine Hochvakuumpumpe hält nach Anspruch 9 zwischen dem Gaszuführungsraum und dem Reaktionsraum eine Druckdifferenz aufrecht, die am Ende der Flugstrecke des molekularen Düsenstrahles die Teilchen fast vollständig aus dem Reaktionsraum entfernt.According to claim 8, the aperture field, which carries out a selection of the molecules according to their direction of flight, is replaced by a slit aperture. This will make the beam divergence for certain applications only narrowed in one direction. This variant is also characterized by easier adjustability and cheaper production. The pulsed gas supply allows the disturbing background gas pressure in the reaction chamber to be reduced. According to claim 9, a high vacuum pump maintains a pressure difference between the gas supply space and the reaction space which almost completely removes the particles from the reaction space at the end of the flight path of the molecular jet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Entstehungsort der Ionen und das Beschleunigungsgebiet räumlich voneinander getrennt sind. Dadurch wird vermieden, daß reaktive Radikale, die bei der Gasentladung durch Fragmentation der Muttermoleküle gebildet werden und sich störend auf den Ätzprozeß auswirken, auf die zu ätzende Oberfläche gelangen.The advantages achieved by the invention consist in particular in that the origin of the ions and the acceleration region are spatially separated from one another. This prevents reactive radicals, which are formed in the gas discharge by fragmentation of the mother molecules and have a disruptive effect on the etching process, from reaching the surface to be etched.

Die Oberflächenreaktionen, mit deren Hilfe Strukturen auf Halbleiteroberflächen erzeugt werden, sind nicht nur räumlich sondern auch zeitlich von der Erzeugung der Ionen getrennt. Wenn die Ionen nach Durchlaufen der Beschleunigungsstrecke auf der Halbleiteroberfläche auftreffen, ist die Hochspannungsentladung bereits beendet. Ein Einfluß der Hochspannungsentladung ist damit ausgeschlossen. Da die kinetische Energie der Ionen ausschließlich durch den Beschleunigungsvorgang bestimmt ist, kann diese Energie unabhängig vom Bildungsprozeß der Ionen für die jeweiligen Anwendungszwecke eingestellt werden.The surface reactions that are used to create structures on semiconductor surfaces are not only spatially but also temporally separated from the generation of the ions. If the ions hit the semiconductor surface after passing through the acceleration path, the high-voltage discharge has already ended. An influence of the high voltage discharge is excluded. Since the kinetic energy of the ions is determined exclusively by the acceleration process, this energy can be set for the respective application regardless of the ion formation process.

Der Einsatz von Metallzylindern bei der Beschleunigung der Ionen schließt Oberflächenreaktionen wie Sputterprozesse innerhalb des Strahlquerschnittes aus. Damit wird ein Störfaktor ausgeschaltet, der bei Verwendung von Extraktionsgittern die Qualität des Ionenstrahles wesentlich vermindert. Die bei Extraktionsgittern notwendig auftretende Strahldivergenz wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch geeignete Wahl der Abstände und Durchmesser der Metallzylinder und der Höhe und Dauer der Potentialpulse, die an die Zylinder und die Potentialplatte angelegt werden, kontrolliert.The use of metal cylinders to accelerate the ions excludes surface reactions such as sputtering processes within the beam cross section. So that becomes a Interference factor switched off, which significantly reduces the quality of the ion beam when using extraction grids. The beam divergence which occurs in the case of extraction gratings is controlled in the device according to the invention by a suitable choice of the distances and diameters of the metal cylinders and the height and duration of the potential pulses which are applied to the cylinders and the potential plate.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß eine Wechselwirkung von störenden Neutralteilchen und Reaktionsprodukten mit den Ionen und den Oberflächenreaktionen vernachlässigbar ist, da diese Teilchen durch einen Spannungspuls beziehungsweise durch Abpumpen aus dem Bereich der Halbleiteroberfläche entfernt werden.Another advantage of the invention is that an interaction of interfering neutral particles and reaction products with the ions and the surface reactions is negligible, since these particles are removed from the region of the semiconductor surface by a voltage pulse or by pumping.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren steht eine großflächige Ionenquelle zur Verfügung die einen Ionenstrom mit niedriger Divergenz liefert, dessen Parameter wie Ionenenergie und Ionenstromdichte unabhängig voneinander eingestellt werden können. Er eignet sich für RIBE-Prozesse zur Herstellung extrem kleiner Strukturen im Sub-µ-Bereich auf Halbleiteroberflächen, wie sie beispielsweise für einen zukünftigen 64 MBit Speicher erforderlich sein werden.With the method according to the invention, a large-area ion source is available which supplies an ion current with low divergence, the parameters of which, such as ion energy and ion current density, can be set independently of one another. It is suitable for RIBE processes for the production of extremely small structures in the sub-µ range on semiconductor surfaces, such as will be required for a future 64 MBit memory.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawings and will be described in more detail below.

Es zeigen:

Fig. 1: Horizontalschnitt der RIBE-Apparatur,
Fig. 2: Längsschnitt durch die RIBE-Apparatur (Schnitt AB in Fig.1),
Fig. 3: Schnitt durch die RIBE-Apparatur (Schnitt CD in Fig. 1),
Fig. 4a: Feldlinienverlauf zwischen der Potentialplatte und dem ersten Metallzylinder,
Fig. 4b: Feldlinienverlauf zwischen zwei Metallzylindern der Beschleunigungseinrichtung,
Fig. 5: Düsenfeld und Gasentladungselektroden in räumlicher Darstellung,
Fig. 6: Querschnitt durch Düsen- und Blendenfeld,
Fig. 7: Querschnitt durch Düsen- und Blendenfeld, Detail,
Fig. 8: Einrichtung zur Hochspannungsentladung,
Fig. 9: räumliche Darstellung der Beschleunigungseinrichtung.

Show it:

Fig. 1: Horizontal section of the RIBE apparatus,
Fig. 2: Longitudinal section through the RIBE apparatus (section AB in Fig. 1),
Fig. 3: Section through the RIBE apparatus (section CD in Fig. 1),
Fig. 4a: Field line course between the potential plate and the first metal cylinder,
Fig. 4b: Field line course between two metal cylinders of the acceleration device,
Fig. 5: Nozzle field and gas discharge electrodes in spatial representation,
Fig. 6: Cross section through nozzle and orifice field,
Fig. 7: Cross section through nozzle and orifice field, detail,
Fig. 8: Device for high voltage discharge,
Fig. 9: spatial representation of the acceleration device.

In den Fig. 1, 2 und 3 sind die wesentlichen Komponenten einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei Fig. 2 den in Fig. 1 mit AB bezeichneten Schnitt und Fig. 3 den mit CD bezeichneten Schnitt zeigen. Alle Komponenten sind in einer Vakuumkammer 10 untergebracht.1, 2 and 3 show the essential components of a device for carrying out the method according to the invention, FIG. 2 showing the section labeled AB in FIG. 1 and FIG. 3 the section labeled CD. All components are housed in a vacuum chamber 10.

Eine Gasleitung 15 ist mit einem Reservoir des Prozeßgases verbunden. Eine handelsübliche Einspritzdüse 14, wie sie beispielsweise für Motoren eingesetzt wird, erlaubt eine gepulste Gaszufuhr bei einem Gasdruck von einigen bar. Mit Hilfe eines Düsen- 13 und eines Blendenfeldes 12 wird der Gasstrom zwischen die Elektroden 1 der Hochspannungs-Entladungsvorrichtung geleitet. Mit einem kurzen Hochspannungspuls (ca. 10 nsec) wird durch Gasentladung ein Plasma erzeugt. Damit die Entladung des Hochspannungspulses zu einer gleichmäßigen und effektiven Plasmaerzeugung führt, wird das Gas vorionisiert, beispielsweise durch Einkopplung einer HF-Strahlung über HF-Elektroden 3.A gas line 15 is connected to a reservoir of the process gas. A commercially available injection nozzle 14, such as is used for example for engines, allows a pulsed gas supply at a gas pressure of a few bar. With the aid of a nozzle field 13 and an aperture field 12, the gas flow is between the electrodes 1 of the high-voltage discharge device headed. With a short high voltage pulse (approx. 10 nsec) a plasma is generated by gas discharge. So that the discharge of the high-voltage pulse leads to a uniform and effective plasma generation, the gas is pre-ionized, for example by coupling in an HF radiation via HF electrodes 3.

Um die Ionen aus dem Bereich ihrer Entstehung abzuziehen, wird etwa 50 nsec später für eine Zeitdauer von einer µsec eine Extraktionsspannung von beispielsweise -100 V zwischen der Potentialscheibe 4 und dem ersten Metallzylinder angelegt (negative Spannung am Metallzylinder). Wenn die Ionen den ersten Zylinder erreicht haben, wird an den zweiten Zylinder für ca. 20 nsec eine Spannung von -150 V angelegt. In dieser Zeit durchfliegen die Ionen die Zone homogener Feldverteilung zwischen den Metallzylindern. Die anderen Potentiale betragen 0 V. Weitere 50 nsec später wird für 50 nsec an den zweiten Metallzylinder eine Spannung von -150 V und an den dritten eine Spannung von -200 V angelegt, um die Ionen in Richtung der Probe 7 weiter zu beschleunigen. Die genannten Zahlenwerte dienen nur als Beispiele und stellen keine Einschränkung dar. Die tatsächlich zu wählenden Werte hängen von der zu beschleunigenden Ionensorte und der Ausführung der Beschleunigungseinrichtung ab.In order to withdraw the ions from the area in which they are formed, an extraction voltage of, for example, -100 V is applied between the potential disk 4 and the first metal cylinder about 50 nsec later for a period of one microsecond (negative voltage on the metal cylinder). When the ions have reached the first cylinder, a voltage of -150 V is applied to the second cylinder for approximately 20 nsec. During this time, the ions fly through the zone of homogeneous field distribution between the metal cylinders. The other potentials are 0 V. A further 50 nsec later, a voltage of -150 V is applied to the second metal cylinder for 50 nsec and a voltage of -200 V to the third, in order to further accelerate the ions in the direction of sample 7. The numerical values mentioned serve only as examples and do not constitute any restriction. The actual values to be selected depend on the type of ion to be accelerated and the design of the acceleration device.

Die Schaltzeiten und Pulslängen müssen so gewählt werden, daß die elektrischen Felder nur dann eingeschaltet sind, wenn sich die Ionen in Bereichen bewegen, in denen die Feldverteilung annähernd homogen ist. Die Feldverteilung zwischen der Potentialplatte 4 und dem ersten Metallzylinder ist in Fig. 4a, die zwischen zwei Metallzylindern in Fig. 4b dargestellt. Nur in den Bereichen 24 unmittelbar an der Potentialplatte und den Bereichen 25 zwischen den Zylindern, ist die Feldverteilung annähernd homogen. Der Beschleunigungsvorgang muß demnach auf diese Bereiche beschränkt werden. Die beschleunigten Ionen treffen anschließend auf die Oberfläche der Probe 7 und stehen dort für Ätzprozesse zur Verfügung.The switching times and pulse lengths must be selected so that the electric fields are only switched on when the ions move in areas in which the field distribution is approximately homogeneous. The field distribution between the potential plate 4 and the first metal cylinder is shown in Fig. 4a, that between two metal cylinders in Fig. 4b. Only in the areas 24 directly on the potential plate and the areas 25 between the Cylinders, the field distribution is almost homogeneous. The acceleration process must therefore be limited to these areas. The accelerated ions then hit the surface of the sample 7 and are available there for etching processes.

Geladene Reaktionsprodukte, die zur Verunreinigung des Ionenstrahles führen, werden durch ein elektrisches Feld, das zwischen den halbkreisförmigen Elektroden 6 erzeugt wird, aus dem Bereich der Oberfläche entfernt.Charged reaction products, which lead to contamination of the ion beam, are removed from the region of the surface by an electric field which is generated between the semicircular electrodes 6.

Fig. 5 zeigt die Hochspannungs-Entladungseinrichtung und das Düsenfeld 13 in räumlicher Darstellung, Fig. 6 das Düsenfeld und das Blendenfeld 12 im Detail, Fig. 7a eine Düse und Fig. 7b eine Blende (Abschäler). Das Düsenfeld 13 weist viele Düsenöffnungen 16 mit einem Querschnitt von etwa 50 µm bis 100 µm auf, die in einer Reihe angeordnet sind. Den Düsenöffnungen gegenüber liegen die Öffnungen 18 des Blendenfeldes. Aus den kleinen Düsenöffnungen expandiert das Gas in den evakuierten Raum, wobei ein stark gerichteter Strahl entsteht. Die im Abstand von einigen mm hinter den Düsenöffnungen angeordneten Blenden 12 blenden Moleküle aus dem Strahl, deren Flugrichtung einen zu großen Winkel zur Strahlachse einnehmen. Dies führt zu einer Einengung der Molekularstrahldivergenz. Wenn für bestimmte Anwendungen die Molekularstrahldivergenz in Richtung der Hochspannungsentladung nicht eingeengt werden soll, wird das Blendenfeld durch eine schmale Schlitzblende ersetzt.5 shows the high-voltage discharge device and the nozzle field 13 in a spatial representation, FIG. 6 shows the nozzle field and the aperture field 12 in detail, FIG. 7a shows a nozzle and FIG. 7b shows an aperture (peeler). The nozzle array 13 has many nozzle openings 16 with a cross section of approximately 50 μm to 100 μm, which are arranged in a row. The openings 18 of the aperture field lie opposite the nozzle openings. The gas expands from the small nozzle openings into the evacuated room, creating a highly directed jet. The diaphragms 12, which are arranged at a distance of a few mm behind the nozzle openings, blind molecules from the jet, the flight direction of which take up too great an angle to the jet axis. This leads to a narrowing of the molecular beam divergence. If the molecular beam divergence in the direction of the high-voltage discharge is not to be restricted for certain applications, the diaphragm field is replaced by a narrow slit diaphragm.

Die gepulste Gaszufuhr ist mit der gepulsten Hochspannungsentladung so synchronisiert, daß nur dann ein gerichteter Teilchenstrahl erzeugt wird, wenn auch die Hochspannungsentladung gezündet wird. Die Einrichtung zur Hochspannungsentladung ist in Fig. 8 abgebildet. Die gegenüberliegend angeordneten Elektroden 1 (z. B. aus Edelstahl), die an einer Teflonhalterung 2 befestigt sind, sind mit einem Lade- bzw. einem Entladekreis verbunden. Im Entladekreis wird ein Kondensator C1 über eine Hochspannungsversorgung HV aufgeladen. Durch Schließen des Schalters S wird die gespeicherte Energie auf einen Ladekondensator C2 übertragen. Als Schalter dient ein Thyratron, das auf Durchlaß schaltet, wenn ein Triggerpuls, der mit der gepulsten Molekularstrahldüse 14 synchronisiert ist, auf das Gitter des Tyratrons S gelegt wird. Die Ladung des Kondensators C2 fließt anschließend auf die Elektroden 1 und die Hochspannungsentladung zündet. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das einströmende Gas mit Hilfe einer Metallspitze 23 durch Spitzenionisation vorionisiert, um eine effektive und gleichmäßige Entladung zwischen den Elektroden 1 zu gewährleisten.The pulsed gas supply is synchronized with the pulsed high-voltage discharge in such a way that a directed particle beam is only generated when the high-voltage discharge is also ignited. The device for high voltage discharge is shown in Fig. 8. The opposite arranged electrodes 1 (z. B. made of stainless steel), which are attached to a Teflon holder 2, are connected to a charging or discharging circuit. A capacitor C1 is charged in the discharge circuit via a high voltage supply HV. By closing the switch S, the stored energy is transferred to a charging capacitor C2. A thyratron serves as a switch, which switches to transmission when a trigger pulse, which is synchronized with the pulsed molecular jet nozzle 14, is placed on the grating of the tyratron S. The charge of the capacitor C2 then flows onto the electrodes 1 and the high-voltage discharge ignites. In the exemplary embodiment described here, the inflowing gas is pre-ionized with the aid of a metal tip 23 by tip ionization, in order to ensure an effective and uniform discharge between the electrodes 1.

Bei einer nicht näher ausgeführten Weiterbildung der Erfindung wird das Gas durch Photoionisation, z.B. mit einem Excimerlaser oder mit einer UV-Lampe, oder durch eine Hochfrequenzentladung vorionisiert. Dadurch wird verhindert, daß die an der Metallspitze auftretenden Sputterprozesse zu einer Verunreinigung des Ionenstrahls führen. In Fig. 9 sind die Entladungseinrichtung mit den Elektroden 1 und der Teflonhalterung 2, die Beschleunigungseinrichtung mit der Potentialplatte 4, den Metallzylindern 5, die Probe 7 und die Absaugelektroden 6 für geladene Teilchen räumlich dargestellt.In a further development of the invention which is not described in detail, the gas is removed by photoionization, e.g. pre-ionized with an excimer laser or with a UV lamp, or by a high-frequency discharge. This prevents the sputtering processes occurring at the metal tip from leading to contamination of the ion beam. 9 shows the discharge device with the electrodes 1 and the Teflon holder 2, the acceleration device with the potential plate 4, the metal cylinders 5, the sample 7 and the suction electrodes 6 for charged particles.

Claims

Method of generating ion beams with a large beam cross-section, characterised by the combination of the following features:
a) a gas to be ionised is introduced with the aid of a molecular jet system (14) operated in a pulsed manner as a gas beam between two longitudinally-extended high-voltage electrodes (1)into a reaction chamber;

b) the gas is ionised in a pulsed high-voltage gas discharge between the high-voltage electrodes (1);

c) the ions are accelerated perpendicularly to the direction of the gas beam and perpendicularly to the direction of the field lines of the high-voltage discharge with synchronously-pulsed electrical or magnetic fields;

d) the non-ionised process gas is removed from the reaction chamber by a pump.
Method of generating ion beams according to claim 1, characterised in that charge carriers which have not participated in a reaction with a surface to be structured, are removed by a voltage pulse from the vicinity of the surface.
Method of generating ion beams according to claim 1 or 2, characterised in that charge carriers which occur as a reaction product on a surface to be structured, are removed by a voltage pulse from the vicinity of the surface.
Method of generating ion beams according to one of claims 1 to 3, characterised in that, during the period of time between two successive ion beam pulses, neutral reaction products are pumped out of the reaction chamber with pumps.
Method of generating ion beams according to one of claims 1 to 4, characterised in that the discharge gas is pre-ionised.
Device for carrying out the method according to claim 1, with a gas supply chamber with a gas supply means, a reaction chamber with an ionising device, an accelerator device and a sample holder, characterised in that the gas supply means comprises a gas pipe (15), an injector (14), a jet field (13) and a diaphragm field (12), in that the ionising device comprises two longitudinally-extended high-voltage electrodes (1) and a high-voltage circuit (Fig. 8), the electrodes being attached in parallel at a specific distance apart on a holder (2) made of insulating material, in that the gas supply means (15) and the ionising device are disposed perpendicularly to one another, so that the gas beam supplied runs parallel between the longitudinally-extended high-voltage electrodes, and in that the accelerator device is made up of a potential disc (4) and at least two metal cylinders (5) disposed one behind the other.
Device according to Claim 6, characterised in that the accelerator device comprises a coil system.
Device according to claim 6 or 7, characterised in that the diaphragm field is replaced by a slot diaphragm.
Device according to one of claims 6 to 8, characterised in that a pressure differential is maintained between the gas supply chamber and the reaction chamber.