NL8003233A

NL8003233A - Ionenbron voor microgolfplasma.

Info

Publication number: NL8003233A
Application number: NL8003233A
Authority: NL
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-06-04
Filing date: 1980-06-03
Publication date: 1980-12-08
Also published as: JPS5852297B2; DE3021221C2; US4316090A; DE3021221A1; FR2461351A1; FR2461351B1; JPS55161341A; GB2053559A; GB2053559B

Description

η .

80.3215/Ti/M/vL

Korte aanduiding: Ionenbron voor microgolfplasma

De uitvinding heeft betrekking op een ionenbron en in het bijzonder op een ionenbron voor een microgolfplasma die geschikt is voor im-planteerinrichtingen werkend met hoge stromen.

Implanteerinrichtingen kunnen ruwweg onderverdeeld worden in die 5 van de lage-stroomsoort (10 ^uA tot 1 mA) en die van de hoge-stroomsoort (1 mA of hoger). Dit omdat de vereiste, onzuiverheidsdosissen afhankelijk van de te fabriceren halfgeleidereenheden verschillen en het bereik loopt 12 16 2 van 10 - 10 ionen/cm . Omdat implanteerinrichtingen van de lage- stroomsoort gemakkelijker te vervaardigen zijn, is deze soort de meest 10 toegepaste. Dientengevolge is het toepassingsgebied van de implanteerinrichtingen beperkt tot die waarbij de doassen relatief klein zijn (bij voorbeeld de kanalen van MOS-transistors en de basissen van bipolaire transistors). Recent is echter de vraag ontstaan naar de vorming van emitters van bipolaire transistors en bron- en afvoergebieden van M0S-15 transistors door ionenimplantatie met grote dosis. Implantatie-inrichtin-gen van de hoge-stroomsoort zijn vereist om hieraan te kunnen voldoen.

In het algemeen bestaat een implanteerinrichting uit een ionenbron, een massascheider en een doelkamer. Of de implantatie-inrichting van de hoge-of de lagè-stroomsoort is hangt af van de eigenschappen van de gebruikte 20 ionenbron. Er zijn twee soorten inrichtingen voor de implantatie in de orde van 1 mA bekend. Eén ervan is uitgevoerd met een ionenbron met een thermionische gloeidraad, waarbij een boogontlading met lage spanning wordt verkregen door thermions vanaf een parallel aan een ionenonttrek-kingssleuf aangebrachte gloeidraad en worden ionen in de vorm van een 25 sleufvormige bundel uit het door de ontlading opgewekte plasma onttrokken; de ander is een inrichting uitgevoerd met een ionenbron. met microgolfplasma die hierna in detail beschreven zal worden. De eerstgenoemde is bij voorbeeld bekend uit "The PR-30 Ion Implantation System" op het iHh Symposium on Electron, Ion and Photo Beam Technology, May 1977, terwijl 30 de ander beschreven is in het Amerikaanse octrooischrift ^.058.7½ van 15 november 1977. De levensduur van de eerste wordt bepaald door de levensduur van de gebruikte gloeidraad en bedraagt doorgaans van enkele uren tot 10 of 15 uren. In tegenstelling hiermee heeft de laatste een zeer lange levensduur omdat er geen energie-opnemende delen zijn zoals een kathode.

35 Indien echter voor het te ioniseren gas (voor P+ ionen), AsH^ gas (voor 800 32 33 -2-

As+ ionen) of dergelijke gebruikt wordt slaat het gedissocieerde P of As geleidelijk neer op de oppervlakken van de elektrode omdat de elektroden in verbinding met de ontladingskamer staan. De neerslag sluit de uitgang voor de ionenbundel, hetgeen abnormale ontlading binnen de ontladings-5 kamer veroorzaakt. De ionenbundel wordt hierdoor na ongeveer 10-20 uur in bedrijf geweest te zijn onstabiel, hetgeen een groot bezwaar is.

De uitvinding beoogt de bezwaren op te heffen en verschaft een ionenbron voor een microgolfplasma, die geschikt is voor implantatie-inrich-tingen waarvanuit gedurende een lange tijd een stabiele ionenbundel met 10 hoge stroom verkregen kan worden en is daartoe, zodanig uitgevoerd, dat de in verbinding met de ontladingskamer staande elektrode in twee delen verdeeld is, waarvan êên oppervlaktedeel hoofdzakelijk.aan het plasma wordt blootgesteld en het resterende deel in hoofdzaak niet aan het plasma wordt blootgesteld en waarbij de twee delen elektrisch met elkaar verbon-15 den zijn. Hierdoor kan de temperatuur van het aan de ontladingskamer blootgestelde oppervlaktedeel hoog gehouden worden, zodat het dissociatie-produkt van het ontladingsgas er niet op neer slaat.

De uitvinding is gebaseerd op het volgende principe:

Beschouwd wordt een in twee delen A en B verdeeld voorwerp, die 20 in hun oorspronkelijke relatieve positie met elkaar in contact zijn.

Macroscopisch lijken de twee delen A en B het oorspronkelijke enkele voorwerp te vormen. Microscopisch echter raken de twee delen A en B elkaar eerder in een groot aantal punten. Indien daarom bij voorbeeld alleen deel A verhit wordt, is de hoeveelheid getransporteerde warmte vanaf het 25 deel A naar het deel B door warmtegeleiding zeer klein. Dit wordt veroorzaakt doordat de delen A en B elkaar in een groot aantal punten raken, zodat de onderlinge warmteweerstand veel groter is dan die binnen het oorspronkelijke enkele voorwerp. Het warmtetransport van het deel A naar het deel B wordt daardoor zeer beperkt en de temperatuur van het deel A 30 kan hoog gehouden worden.

Volgens de uitvinding is het met de ontladingskamer in verbinding staande oppervlakgedeelte van de elektrode door opdeling van de elektrode thermisch van het andere gedeelte geïsoleerd, terwijl het de functie als elektrode behoudt omdat het elektrisch met het andere deel verbonden is.

35 In deze uitvoering volgens de uitvinding kan het met de ontladingskamer in verbinding staande oppervlaktedeel van de elektrode tijdens bedrijf op een hoge temperatuur gehouden worden, zodat zelfs indien PH^ gas of 800 32 33 '♦X· - \ -3-

AsH^ gebruikt wordt voor het te ioniseren gas slechts verwaarloosbare hoeveelheden P of As op het oppervlaktedeel. van. de elektrode neerslaan. Hierdoor is het mogelijk gedurende lange tijd een stabiele ionenbundel met hoge stroom te verkrijgen. Een implanteerinrichting voorzien van een 5 ionenbron voor een microgolf plasma van deze soort blijkt zelfs nu na meer dan 200 bedrijf sur en een stabiele ionenbundel met hoge stroom te leveren.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening:

Fig. 1 toont schematisch een implantatie-inriehting voorzien van 10 een ionenbron met microgolfplasma; fig. 2 is een doorsnede van de ionenbron van fig. 1 langs de lijn X-X' in fig. 1; fig. 3 is een dwarsdoorsnede van belangrijke delen, van"de bekende ionenbron; 15 fig. b is een doorsnede van belangrijke delen van een ionenbron volgens de uitvinding; fig. 5 is een vooraanzicht van een deel 19B in fig.

Fig. 1 toont schematisch een implantatie-inrichting werkend met een hoge stroom en voorzien van een ionenbron voor een microgolfplasma.

20 De door de microgolfgenerator (magnetron werkend met 2.k5 GHz en 600 W gegenereerde microgolven worden via een rechthoekige golfgeleider 2 naar een rugvormige golfgeleider U gevoerd en vandaar naar de ontladingskamer 6 via een vaeuimafdichtend diëlectricum (aluminiumhoudend porselein) 5.

Tussen de, de ontladingskamer 6 vormende, rugelektroden 7 heerst een mi-25 crogolfelektrisch veld. De naar de ontladingskamer 6 gekeerde oppervlakken van de rugelektroden 7 verlopen in hoofdzaak parallel. Blijkens de vergrote doorsnede volgens de lijn X-X' in fig. 1 en getoond in fig. 2 worden de gedeelten anders dan de ruimte die gevormd wordt door de naar elkaar gekeerde rugelektroden 7 in 8 gevuld met diëlektrisch materiaal 30 (borium nitride) ter begrenzing van een gebied voor het opgewekte plasma.

D.w.z., dat van de twee paren wanden van de ontladingskamer 6 parallel aan de richting van de ionenonttrekking een paar wanden gevormd wordt door de rugelektroden 7 en het andere paar wanden gevormd wordt door de diëlek-tricums 8. Verder wordt de ontladingskamer 6 omgeven door een diëlektri-35 sche doos 9 (bestaande uit borium nitride) ter voorkoming dat het de rugelektroden 7 vormende materiaal in de kamer vermengd wordt en voor het thermisch isoleren van de kamer van haar omgeving. Zoals blijkt uit fig.2 800 3 2 33 * -U- is de ontladingskamer 6 zodanig gevormd, dat de omtrek van de doorsnede loodrecht op de richting van de onttrekking van de ionenbundel een lange reehthoeksvorm heeft en dat de afmetingen. (5 m ς ^ mm) van de rechthoek enigszins groter zijn dan de afmetingen (2 mm x mm) van het de 5 ionen onttrekkende elektrodestelsel 10.

Via een, niet getoonde, gasinlaatsluis wordt PH^ gas binnen de ontladingskamer 6 gevoerd (de druk binnen de ontladingskamer 6 bedraagt na de invoer ongeveer 8 x 10~^ Torr), en er wordt een magnetisch veld . van ongeveer 1.000 Gauss werkend op het microgolf elektrische veld door 10 generatorspoel 11 voor een magnetisch.veld opgewekt. Binnen.de ontladingskamer 6 wordt dan het plasma opgewekt. Door het ionen onttrekkende elektrodest elsel 10 worden ionen uit het in de ontladingskamer 6 opgewekte plasma onttrokken. De ontladingskamer 6 wordt door een vacuöminrichiing 12 op een voorafbepaalde druk (1 x 10~^ Torr) gehouden. Bovendien wordt een 15 smoorkraag 3 gebruikt ter verkrijging van gelijkstroomisolatie tussen de mierogolfgenerator 1 en.de ionenbron.

De door het ionen onttrekkend elektrodestelsel 10 onttrokken ionen-bundel met P , Pg , P , PH , etc. wordt onderworpen aan massascheiding met behulp van een massascheider 13 (afbuigingshoek 6o°, straal bo cm en 20 magnetisch veld 9*500 Gauss) en alleen de P+ ionen worden binnen de ionendoelkamer 1h gebracht. De binnen de doelkamer 1U gevoerde P+ ionenbundel (met een implantatiestroom van 3 mA.) bestraalt via de sleuveninrichting 15 halfgeleiderschijven 1β. (elk met een diameter van 3 inches). Op,het buitenoppervlak van de trommel 17 (straal i+0 cm) zijn 2b schijven 25 16 aangebracht. De trommel 17 wordt met.een vaste snelheid (15 omwente lingen per minuut) in een richting loodrecht op de bestralingsrichting van de ionenbundel geroteerd en.wordt eveneens voor- en achterwaarts volgens de as van de trommel 17 bewogen. Dit wordt gedaan om oververhitting van de schijven door de ionenbundel met hoge stroom te vermijden.

30 Fig. 4 toont een vergrote doorsnede van een deel van de ontladings kamer 6 en het onttrekkende elektrodestelsel 10 in fig. 1 van een uitvoering volgens de uitvinding. Zoals reeds aan de hand van fig. 1 is uiteengezet, is de ontladingskamer door de diëlektrische doos 9 (bestaande uit borium nitride) van de rugelektroden 7 en andere delen in de nabijheid 35 daarvan geïsoleerd. Het ionen onttrekkende elektrodestelsel 10 in fig. 1 heeft een positieve elektrode 19 (+ 50 kV), een negatieve elektrode 20 (- 2 kV) en een aardelektrode 21 (0 V). De rugelektroden 7 en de positieve 800 3 2 33 -5- elektrode 19 zijn door het diëlektricum 18 (van horitua nitride) geïsoleerd. In het ionen onttrekkend elektrodestelsel 10 bestaat de positieve elektrode 19, die de ontladingskamer 6 raakt, uit een deel 19A en een deel 19B ("waarvan het vooraanzicht in fig. 5 is getoond). De reden hier-6 voor is de volgende: er bestaat ionenomhulling tussen het in de ontladingskamer 6 gegenereerde plasma en het oppervlak van de binnenwand van de ontladingsdoos 9, die de ontladingskamer 6 bepaalt, en tussen het plasma en het binnenwandoppervlak van het deel 19B van de elektrode 19» die aan de zijde van de ontladingskamer 6 ligt, zodat.het plasma ten 10 opzichte van die oppervlakken een glijdende potentiaal (doorgaans enkele volts tot enkele tientallen volts) heeft. Dientengevolge zullen ionen met een energie gelijk aan de glijdende potentiaal altijd tegen die oppervlakken botsen en hen met de thermische energie van de ionen verhitten. Omdat de positieve elektrode 19 echter in twee delen 19A.en 19B is verdeeld, 15 zal, zoals eerder uiteengezet, alleen de temperatuur van het deel 19B stijgen en zal de temperatuursverhoging van het deel 19A zeer gering zijn. Hetzelfde geldt tussen de diëlektrische doos 9 en de rugelektro-den 7 en de andere omgevende delen. D.w.z. alle wandoppervlakken die het plasma omgeven worgden thermisch van de omgevende delen geïsoleerd. De 20 wandoppervlakken rondom het plasma blijven daarom zeer heet, zodat zelfs wanneer PH^ gas of AsH^ voor het te ioniseren gas wordt gebruikt geen P of As op het wandoppervlak van het deel 19B kan neerslaan. Een met roestvrij staal als het elektrodemateriaal voor de beide delen 19A en 19B uitgevoerd experiment bleek zeer weinig neerslag en weinig verstoring, 25 aangenomen als thermische verstoring, te geven.

Vervolgens werd koolstof gebruikt als materiaal voor het deel 19B.

Dit leidde tot vrijwel geen verstoring; er werden goede resultaten verkregen.

Het deel 19B in deze uitvoering had een oppervlak van 50 mm x 10 mm 30 en was 2 mm dik. In de, in fig. 3 getoonde, bekende uitvoering had de elektrode 19' (bestaande uit roestvrij staal) een eenheidsstructuur.

Zoals gezegd resulteert een eenheidsstructuur in een zeer sterke warmte-geleiding. Dientengevolge steeg de temperatuur van de naai· het plasma gekeerde wandoppervlakken niet en resulteerde een neerslag van P of As.

35 Dientengevolge werd de levensduur van de ionenbrorfbelangrijk bekort.

Volgens fig. ^ raken de positieve elektrode 19 vormende delen 19A en 19B elkaar, hetgeen resulteert in een elektrische verbinding. De meest 800 3 2 33 *r -6- gewenste uitvoering is daarom, die, waarbij bet deel 19B wordt vastge-bouden tussen bet diëlektricum '18, de dielektrische doos 9 en bet deel 19A.

In de voornoemde uitvoeringsvorm wordt de elektrische verbinding 5 tussen de delen 19A, 19B verkregen door wederzijds contact. Er kunnen echter ook andere elektrische verbindingsmiddelen.gebruikt worden.

Globaal verschaft de uitvinding thermische isolatie door opdeling van de elektrode en het in contact met elkaar brengen van.de twee stukken.

Verder behoeft de wijze. van verdeling niet beperkt te worgden tot 10 die van de voornoemde uitvoering maar kan ook een andere verdelingswijze gebruikt worden.

De uitvinding is voorts.niet beperkt tot ionenbronnen voor een microgolfplasma, maar is toepasbaar voor alle andere ionenbronnen waarbij een elektrode voor het onttrekken van ionen uit het plasma naar het plas-15 ma gekeerd is.

Zoals uiteengezet kunnen ionenbronnen volgens de uitvinding gedurende een lange tijcPstabiele ionenbundel met hoge stroom leveren.

800 3 2 33

Claims

1. Ionenbron voor microgolf plasma met een ontladingskamer, middelen ter opwekking van een. microgolfontladingsplasma binnen de ontladings-kamer en een ionen onttrekkend elektrodestelsel voor het onttrekken van ionen uit het microgolfontladingsplasma, met het kenmerk, dat het ionen 5 onttrekkende elektrodestelsel een elektrode omvat, dat in verbinding staat met de ontladingskamer en verdeeld is in een deel dat in hoofdzaak blootgesteld is aan het plasma en in een resterend deel dat in hoofdzaak niet aan het plasma wordt blootgesteld, waarbij beide delen in elektrisch contact met elkaar staan.

2. Ionenbron voor microgolfplasma volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de beide, de elektrode vormende delen uit onderling identiek elektro-demateriaal bestaan.

3. Ionenbron voor microgolfplasma volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het elektrodemateriaal, dat beide delen vormt, roestvrij staal 15 is.

4. Ionenbron voor microgolfplasma volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de beide, de elektrode vormende, delen uit verschillend elektrodemateriaal bestaan.

5· Ionenbron voor microgolfplasma volgens conclusie if, met het ken-20 merk, dat het materiaal van het aan het plasma blootgestelde deel koolstof is, terwijl het materiaal van het niet aan het plasma blootgestelde deel roestvrij staal is. 800 32 33