DE3616569A1

DE3616569A1 - Beschleunigungsvorrichtung fuer die ionenimplantation

Info

Publication number: DE3616569A1
Application number: DE19863616569
Authority: DE
Inventors: A. Stuart Prides Crossing Mass. Denholm; Hilton F. Redwood City Calif. Glavish; Gordon Kenneth Lexington Mass. Simcox
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Axcelis Technologies Inc
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1986-05-16
Publication date: 1986-11-20
Anticipated expiration: 2006-05-17
Also published as: GB2175741A; GB8609395D0; JPS61264650A; GB2175741B; US4667111C1; US4667111A; JPH0628146B2; DE3616569C2

Description

Beschleunigungsvorrichtung für die Ionenimplantation

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Ionenimplantation und speziell auf einen HF-Ionenbeschleuniger.

ψ Die Verwendung von Ionenstrahlen für die Behandlung von Werkstücken ist bereits bekannt. Geladene Ionen werden auf eine Geschwindigkeit beschleunigt und zum Auftreffen auf ein Werkstück fokussiert. Dieses Verfahren kann zur Härtung von Materialien verwendet werden und wurde bereits zur Dotierung von Halbleitersubstraten benutzt.

Bei einer HaIbleiteranWendung wird ein fokussierter Ionenstrahl längs eines gesteuerten Pfades geleitet, um auf Halbleiterwafer aufzutreffen. Die Wafer sind auf einem Träger angeordnet, der einer Rotations- oder einer Translationsbewegung unterworfen werden kann. Gesteuerte Kombinationen dieser Bewegungen bewirken eine spezielle Konzentration der Ionendotierung der Halbleiterwafers.

Zwei Patente der Anmelderin beziehen sich auf die Verwendung der Ionenimplantation bei Halbleitermaterialien.

US-PS 4 234 797 beschreibt einen Steuermechanismus zur Erreichung einer gleichförmigen Ionendotierung von Halbleitersubstraten. Diese Vorrichtung umfaßt einen Strahlneutralisierer, um den Ladungsaufbau auf den Halbleiterwaf ers zu steuern. Das zweite Patent, nämlich US-PS 4 419 584 beschreibt eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur des Werkstückbehandlungssystems, speziell verwendet für die Halbleiterdotierung. Der Gegenstand dieser beiden Patente sei mit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Die in diesen Behandlungssystemen verwendeten Ionenstrahlen werden mit einem statischen elektrischen Feld beschleunigt, welches durch ein Gleichstrompotential erzeugt wird, das an einer Beschleunigungselektrode anliegt. Bekanntlich wird ein geladenes Teilchen (Ion), welches einem gleicheförmigen elektrischen Feld ausgesetzt ist, durch eine Kraft beschleunigt, die proportional der Ladung des Teilchens ist, und zwar multipliziert mit der Feldstärke, dem dieses Teilchen ausgesetzt ist. Die schließlich durch ein Teilchen erreichte Geschwindigkeit infolge der statischen Feldbeschleunigung kann entweder durch Vergrößerung der Bahn, über die hinweg das Teilchen beschleunigt wird, erhöht werden, oder aber durch Erhöhung der Feldstärke, der das Teilchen ausgesetzt ist.

Um die für die Strahlimplantation erforderlichen Ionenenergien zu erreichen, muß das Beschleunigungspotential mehrere tausend Volt betragen. Energien bis zu 2 Millionen Elektronvolt sind für eine tiefe Ionenimplantation von Halbleitermaterial erwünscht. Bei diesen extrem hohen Spannungen wird die Verwendung eines Gleichstrombeschleunigungspotentials schwierig und kompliziert. Bei jeder Spannung oberhalb 100 Kilovolt müssen hohen Gleichspannungen elektrisch gegenüber anderen Komponenten des Strahlbehandlungssystems isoliert werden, wie beispielsweise gegenüber der Ionenquelle, den Gasverarbeitungs- und Vakuumsystemen, der Steuerelektronik und dem Strahlanalysiermagneten .

Diese bekannten Vorrichtungen sind auch beschränkt, da der beschleunigte Strahl sich auf einer unterschiedlichen Gleichspannung gegenüber dem injizierten Strahl befindet, wobei die Differenz die Beschleunigungsspannung ist. Alternativ befindet sich der beschleunigte Strahl auf der gleichen Gleichspannung wie der injizierte Strahl, wobei aber der Ladungszustand hinsichtlich seines Vorzeichens

(und möglicherweise hinsichtlich seiner Größe) während der Beschleunigung geändert wird, was den Strahlstrom stark beschränkt.

ρ 5 Eine Strahlbehandlungsvorrichtung muß flexibel sein, wenn sie zur Beschleunigung von Ionen mit unterschiedlicher Atomzahl verwendet werden soll. Beispielsweise ist es erwünscht, daß die gleiche Beschleunigungs-, Fokussierund Analysier-Ausrüstung für unterschiedliche Ionen geeignet ist. Die Ausrüstung sollte von praktikabler Einfachheit und kleinen Abmessungen sein und sie sollte ferner mit niedrigen Kosten herstellbar sein, damit das Ionenimplantationssystem kommerziell erfolgreich ist.

Zusammenfassung der Erfindung. Der erfindungsgemäße Teilchenbeschleuniger erzeugt elektrische Felder zur Teilchenbeschleunigung, die sich periodisch mit der Zeit verändern. Die Phase dieser Felder ist einstellbar, um Teilchen mit unterschiedlichen Atomzahlen und auch Teilchen mit unterschiedlichen Anfangszuständen, d. h. Geschwindigkeiten, mit denen die Teilchen in den Teilchenbeschleuniger eintreten, zu verarbeiten. Dies wird, verglichen mit den technischen Schwierigkeiten bei der Verwendung von statischen Gleichspannungsfeldern zur Beschleunigung der Teilchen in unmittelbarer Weise erreicht, und zwar werden hohe, für eine tiefe Ionenimplantation geeignete Energien erzeugt.

Die erfindungsgemäße Ionenimplatationsvorrichtung weist eine Quelle auf, um einen Strahl aus geladenen Ionen zu erzeugen, die "sich mit einer Anfangsgeschwindigkeit bewegen. Ein HF-Beschleuniger weist eine Reihe von Elektroden auf, die ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, um die Ionen weiter zu beschleunigen. Jede Elektrode ist elektrisch mit einer Erregungsschaltung gekoppelt, die ein Wechselstrompotential mit einer bestimmten Frequenzampli-

tude und Phase anlegt, um die in den Beschleuniger eintretenden Ionen zu beschleunigen. Nachdem die Ionen beschleunigt sind, kann ein gepulster Strahl dieser Ionen auf das Werkstück gerichtet werden. 5

Diese Erfindung ist von größter Wichtigkeit bei der Ionenimplantation von Halbleitern und anderen Materialien. Der HF-Beschleuniger kann die schweren Atomteilchen beschleunigen, die ein niedriges Ladungs- zu Masseverhältnis haben, und zwar ausgehend von einer Energie von nur 80 keV pro elektronischen Ladungszustand bis zu Energien von bis zu und mehr als 1 meV pro elektronischen Ladungszustand. Eine einzige Konfiguration der Erfindung ist in der Lage, eine verschiedene Energiebeschleunigung für einen breiten Bereich von unterschiedlichen Teilchenarten zu erreichen, und zwar mit einem Ladungs- zu Masseverhältnis (q/A), das über mehr als einen Zehnerbereich (10 : 1) ausgebreitet ist. Beispielsweise kann eine einzige Konfiguration die folgenden typischen in der Halbleiterimplantation verwendeten Ionen beschleunigen:

Bor B²⁺ (q/A = 1/5), B⁺

Phosphor ρ ,ρ

Arsen As , As

Antimon Sb²⁺ (q/A = 1/60)

Anders als die Beschleuniger des Standes der Technik bietet die Erfindung gleichzeitig alle vier folgenden Merkmale:

a) Eine niedrige Injektionsenergie, verglichen mit der Endenergie nach Beschleunigung,

b) niedrige Ladungs- zu Massenverhältnisse, die beispielsweise bis hinab zu q/A = 1/130 betragen,

c) ein breiter Bereich von Ladungs- zu Massenverhältnissen, beispielsweise q/A = 1/10 zu 1/130 oder q/A - 1/5 bis 1/60, und

d) eine kontinuierlich variable Energie von Null bis zu

einem spezifizierten Maximum.

Ein bevorzugter Beschleuniger definiert eine Zweispaltstruktur, wo eine ringförmige oder kreisringförmige erregte Elektrode durch geerdete Elektroden auf der einen Seite begrenzt ist. Die Zeitsteuerung des oscizillierenden elektrischen Feldes ist derart gewählt, daß dann, wenn sich ein Teilchen durch einen ersten Spalt zwischen einer ersten geerdeten Elektrode und der Beschleunigungselektrode bewegt, ein erstes Beschleunigungsfeld angetroffen wird. Wenn das Teilchen durch die Beschleunigungselektrode läuft und in einen zweiten Spalt zwischen dieser Elektrode und der zweiten geerdeten Elektrode gelangt, so ändert das elektrische Feld seine Polarität, so daß das Ion wiederum beschleunigt wird.

Eine radiale Fokussierung wird an die Ionen angelegt, wenn sie beschleunigt werden, um so zu verhindern, daß sie kontinuierlich nach außen gegenüber der Mittelachsenlaufbahn divergieren. Diese radiale Fokussierung verhindert, daß die Ionen schließlich auf die Innenoberflächen der Elektroden auftreffen und für immer dem Hauptstrahl verloren gehen.

Eine bevorzugte Konstruktion beschleunigt die Ionen in Stufen. Mehrfach beschleunigende Elektroden sind abgestuft oder versetzt mit geerdeten Elektroden in evakuierten Beschleunigungskammern ausgestattet. Die Phase des an jeder Elektrode erzeugten elektrischen Feldes wird ver-

3Q ändert, um Ionen mit verschiedenen Ladungs- zu Masseverhältnissen (g/A) zu verarbeiten. Zudem kann sowohl die Phase wie auch die Amplitude jeder Elektrode verändert werden, um einen kontinuierlichen Bereich von Endenergien vorzusehen.

Eine Elektrodenerregungsschaltung weist eine Oszillatorschaltung auf, und zwar mit einer Induktivität und einer Kapazität (Induktor und Kondensator), wobei deren Werte die Oszillations- oder Schwingungsfrequenz bestimmen. Ein HF-Generator ist mit dem Oszillatorkreis gekoppelt und erregt den Oszillatorkreis mit einer gesteuerten Frequenz, die an die Resonanzfrequenz des Oszillatorkreises angepaßt ist. Die Streukapazität gegenüber Erde der Induktivität erhöht die Kapazität der Oszillatorschaltung. Diese Kapazität wird dadurch geändert, daß man den Abstand zwischen Induktivität ixid einer Erdplatte in enger Nachbarschaft zur Induktivität ändert. Die Oszillatorspule ist in einem gesonderten Hohlraum gegenüber der evakuierten Beschleunigungskammer angeordnet.

Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Spannung der Beschleunigungselektrode zwischen O und 150 Kilovolt verändert werden, und die Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung kann im Bereich von 3 bis 30 Megahertz gewählt werden. Durch die Versetzung der Beschleunigungs- und geerdeten Elektroden längs einer mehrstufigen Beschleunigungsbahn können die Ionen auf Energien von über einer Million Elektronenvolt pro Ladungszustand beschleunigt werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird daher ein sicherer und baulich einfacher Teilchenbeschleuniger vorgesehen, der für die Verwendung zur Ionenstrahlbehandlung eines Werkstücks geeignet ist, und zwar speziell geeignet für die tiefe Ionenimplantation von Halbleitermaterialien. Diese sowie weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung eines beovzrugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ionenimplanta-

tionssystems mit einem Hochfrequenzionenbeschleuniger;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Beschleunigungselektrode eines Ionenbeschleunigers; Fig. 3 und 4 graphische Darstellungen, welche die elektrische Feldverteilung und die Teilchenflugzeit für zwei Beschleunigungsspalte in der Nähe der Beschleunigungselektrode der Fig. 2 darstellen;

Fig. 5 schematisch eine Oszillatorschaltung, gekoppelt mit einer Beschleunigungselektrode für die Erregung dieser Elektrode;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Moduls mit zwei Beschleunigungselektroden mit gesonderten Oszillatorschaltungen und Hochfrequenzgeneratoren; Fig. 7 eine schematische Darstellung von fünf aufeinanderfolgenden Modulen zur Beschleunigung von Ionen auf Energien für die tiefe Ionenimplantation;

Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht der Zelle der Fig. 2, wobei eine elektrische Feldverteilung in einem Beschleunigungsspalt dargestellt ist; und Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Elektrodenkonfiguration, verwendet für die Radialfokussierung der Ionen.

Im folgenden sei die bislang beste Art zur Durchführung der Erfindung beschrieben.

In der Fig. 1 ist ein Ionenimplantationssystem 10 dargestellt, welches dazu dient, Hochenergieionen auf ein Target (Ziel) zu leiten. Das System weist eine Ionenquelle 12, einen Analysiermagnet 14, einen Hochenergiestrahlbeschleuniger 16 und eine Implantationsstation 18 auf.

Von der Quelle kommende Ionen werden auf eine Energie zwischen 20 keV und 80 keV durch ein von einer Elektrode erzeugtes statisches Feld beschleunigt, worauf dann die

Auflösung durch den Magneten 14 in einen gleichförmigen Ionenstrahl 24 erfolgt. Eine Bünde!vorrichtung 90 sieht für den Strahl vor der Injektion eine Vorbündelung vor.

Der Beschleuniger 16 empfängt den Strahl und beschleunigt die Ionen auf wesentlich höhere Energien im Bereich von 200 keV bis 2 MeV. Hochenergieionen verlassen den Beschleuniger 16 in fokussierten Paketen oder Bündeln 24a (Fig. 7). Dieser axiale Fokussiereffekt wird durch die elektrischen HF-Felder hervorgerufen, die zur Beschleunigung der Ionen verwandt werden.

Die Implantierstation 18 in Fig. 1 ist speziell angeordnet für die Ionenimplantation von Halbleiterwafers 26.

An einer Lade/Entladestation 28 positioniert ein Techniker oder eine automatische Vorrichtung die Wafers 26 um den Umfang einer Anordnungsscheibe 30 herum. Die Scheibe 30 wird sodann über Scheibenaustauscharme 32 in eine Vakuumprozeßkammer 34 bewegt. Die Scheibe und die Wafers werden nach oben in eine Orientierung gekippt , um zu bewirken, daß hochbeschleunigte Ionen auf die Wafer 26 auftreffen. Ein Motor 36 dreht die Scheibe 30 und ein gesonderter (nicht gezeigter) Antrieb erteilt sowohl dem Motor 36 wie auch der Scheibe 30 eine Translationsbewegung, so daß die Ionen über die sich drehende Scheibe streichen. Die Steuerung der Motordrehung und der Translationsbewegung der Scheibe 30 bezüglich des gebündelten Ionenstrahls 24a gestatten die Steuerung der Dotierungskonzentration und erlauben insbesondere das Erreichen einer gleichförmigen Implantationskonzentration.

Die Fig. 2 bis 9 beziehen sich auf Einzelheiten des Ionenbeschleunigers 16. Der Beschleuniger 16 weist eine Folge von fünf Modulen 50a-e auf, die ihrerseits auf in den Beschleuniger 16 eintretende Ionen einwirken. Die Module sind mit Resonanzschaltungen 52 gekoppelt, die durch HF-

Leistungsschaltungen 54 betrieben werden, welche die Resonanzschaltungen 52 mit Energie versorgen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist jedes der fünf Module 50a-e zwei Beschleunigungselektroden 60 auf.

Eine schematische Darstellung einer Elektrode 60 des einen Moduls 50a ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Elektrode definiert eine Mittellaufbahn 58,längs der sich die Ionen bewegen. Auf jeder Seite der Beschleunigungselektrode 60 sind zwei geerdete Potentialelektroden 63a, 63b angeordnet. Eine Zone zwischen der Beschleunigungselektrode 60 und einer ersten geerdeten Elektrode 63a wird als "Spalt 1" und eine Zone zwischen der Beschleunigungselektrode 60 und einer zweiten geerdeten Elektrode 63b wird als "Spalt 2" bezeichnet. Durch eine geeignete Hochireguenzerregung der Beschleunigungselektrode 60 werden elektrische Felder innerhalb des Spalts 1 und des Spalts 2 erzeugt, die die Ionen beim Durchtritt durch die beiden Spalte beschleunigen.

Ein breiter Bereich an Ladungs- zu Masseverhältnissen (g/A) kann beschleunigt werden, und zwar durch die unabhängige Einstellung der HF-Feldphase von aufeinanderfolgenden Beschleunigungselektroden in den Modulen 50a-50c.

Diese Steuerung stellt sicher, daß ein Teilchenbündel an jedem Spalt zu einer Zeit im HF-Zyklus derart ankommt, daß das elektrische Feld das Ion beschleunigt.

Eine typische axiale elektrische Feldverteilung in der Nähe der Elektrode 60 der Fig. 2 ist in Fig. 3 gezeigt. Fig. 4 zeigt die sich mit der Zeit verändernde Spannung an der Elektrode 60 und somit auch die zeitliche Veränderung des Beschleunigungsfeldes. Positive Ionen werden über den "Spalt 1" hinweg beschleunigt, wenn die Spannung negativ ist. Wenn das Teilchen durch die Elektrode 60 läuft, kehrt sich die Spannung um und eine weitere Be-

- 15 schleunigung erfolgt im "Spalt 2".

Die Flugzeit durch die Elektrode 60, bestimmt durch Teilchengeschwindigkeit und Elektrodenlänge, steht somit mit der Frequenz des HF-Feldes in Beziehung. Durch geeignete Auswahl der Moduldimension und der Frequenz der Elektrodenerregung können sowohl leichte wie auch schwere Teilchen in erfolgreicher Weise beschleunigt werden, wie dies für die Fälle von Bor und Antimon in Fig. 4 dargestellt ist. Das leichte Borion bewegt sich schneller und verbringt weniger Zeit in der Zone der Elektrode 60. Das Borion befindet sich im Spalt 1 am Punkt A und im Spalt 2 am Punkt B. Die Spannung an der Elektrode 60 nimmt an beiden Punkten A und B ab und das Borion erfährt eine Nettobeschleunigung. Das schwere, langsamere Antimonion befindet sich im Spalt 1 bei C und im Spalt 2 bei D. Die Spannung an den Punkten C und D steigt an, aber das elektrische Feld erzeugt wiederum eine Nettobeschleunigung. In der Tat erfahren die Bor- und Antimonionen annähernd die gleiche Beschleunigung, annähernd 50 % der Energie der Spitzenbeschleunigungsspannung an der Elektrode 60.

Um eine Hochenergiebeschleunigung in praktischen Dimensionen zu erhalten, ist eine hohe HF-Spannung erforderlich. Das einfachste Verfahren zum Erhalt dieser hohen Spannung besteht darin, einen Hochfrequenzresonanzkreis 52 (Fig. 5) anzuregen, der auf die gewünschte Frequenz abgestimmt ist, und zwar erfolgt die Anregung mit einem HF-Generator 53. In dieser Schaltung ist eine Kapazität (C) im wesentlichen die Streukapazität der Hochspannungsbeschleunigungselektrode gegenüber Erde und die Induktivität (L) wird aus einer großen, eine einzige Schicht aufweisenden Spule 62 von geeigneten Abmessungen erhalten. Induktivität und Kapazität werden durch Proxi-

mitätseffekte beeinflußt, die bei den Auslegungsbetrachtungen berücksichtigt werden müssen. Eine bestimmte Minimalkapazität ist mit der Hochspannungsbeschleunigungselektrode verbunden, welche die Spulenparameter für eine erforderliche Frequenz bestimmt. Eine Resonanzschleife (L und C ) hat durch Rj. repräsentierte Verluste und kann über eine sehr kleine Kopplungskapazität (C ) angeregt werden.

Die Spule 62 ist körperlich relativ groß und weist damit verbunden sowohl Abstimm- wie auch Kopplungsvorrichtungen auf. Das Spulensystem hat ein signifikant größeres Volumen als die Beschleunigungselektrode 60, die in einer evakuierten Kammer 64 angeordnet sein muß. Da es zweckmäßig ist, das Vakuumvolumen so klein wie möglich zu halten aus Gründen der Entgasung und der Verunreinigung, und da die meisten Verluste in der Resonanz- oder Oszillatorschaltung mit der Spule 62 zusammenhängen, ist das Spulensystem in einer Umgebung angeordnet, die besser als ein Vakuum kühlt. Die Spulenumgebung sollte eine niedrige Dielektrizitätskonstante (vorzugsweise 1) besitzen, um die Eigenkapazität zu begrenzen und die Umgebung sollte einen.niedrigen HF-Verlust und gute Hochspannungseigenschaften aufweisen. Um diese Erfordernisse zu erfüllen, ist die Spule 62 in einer Kammer 66 angeordnet, die ein elektronegatives Gas, wie beispielsweise Schwefelhexafluorid enthält. Eine Hochspannungs-HF-Durchführung 68 ist erforderlich, um das Gasvolumen des Spulensystems von der Vakuumkammer 64 (Fig. 6) zu isolieren.

Basierend auf dem Geschwindigkeitsprofil des Bereichs der zu beschleunigenden Ionen werden geeignete Hohlraumgeometrien und entsprechende Betriebsfrequenzen bestimmt. Es ist wichtig, daß der ein hohes Q aufweisende Resonanzkreis 52 in Abstimmung mit dieser Frequenz gehalten wird und demgemäß eine kleine Größe einer variablen (Abstimm) Ka-

pazität für die genaue Einstellung der Resonanzfrequenz erforderlich ist und auch für Beibehaltung dieser Frequenz , während die Spule sich beispielweise erwärmt und ihre Abmessung unter Last verändert. Diese Abstimmung kann durch eine bewegliche Platte 70 auf Erdpotential erreicht werden, die durch einen (nicht gezeigten) Steuermotor angetrieben wird, um die Streukapazität gegenüber Erde (Fig. 5, C_) zu modifizieren. Die Position der Platte und somit C_, wird durch eine Rückkopp lungsschleife eingestellt, um die gewünschte Resonanzfrequenz beizubehalten.

Hinsichtlich der Anregungsleistung für das Betreiben der Resonanzschaltung ist es zweckmäßig, die Eingangsimpedanz der Resonanzschaltung nahe 50 Ω und ohmisch vorzusehen, und zwar wegen der im Handel üblichen Normung dieser Impedanz für Verstärker, Kabel, Verbinder usw. Glücklicherweise ist es möglich, einen praktischen Wert für C_c (Fig. 5) auszuwählen, der eine 50ß-Eingangsbedingung wrsieht. Diese Kapazität (C-,) ist sehr klein, wie dies auch für die erforderliche Abstimmkapazität (CL₁) gilt und kann geometrisch erreicht werden durch Verwendung einer einfachen Platte 72, die einige wenige Zentimeter mit Abstand gegenüber dem Hochspannungsende (Beschleunigungselektrode) der Spule 62 (Fig. 6) angeordnet ist. Ein Steuermotorantrieb an dieser Platte verwendet die Rückkopplung zur Steuerung der Kopplungskapazität, um den 50 Ω-Abstimmungsimpedanzzustand aufrechtzuerhalten.

Wenn sich der Ionenstrahl durch die Beschleunigungshohlräume bewegt, so macht die Geschwindigkeitserhöhung es erforderlich, daß die Länge der Elektroden 60 größer wird, um die richtige Phasenbeziehung zwischen Spalt 1 und Spalt 2 (Fig. 2) zu erreichen. Nach mehreren Beschleunigungsstufen ist es zweckmäßig, die Frequenz zu erhöhen, um die Elektrodenlängen zu begrenzen. Die Beschleunigungs-

frequenzen müssen im Schritt bleiben, so daß die höhere Frequenz (oder Frequenzen) das. Mehrfache der Anfangsfrequenz sein müssen.

Fig. 7 zeigt das gesamte Konzept für einen 1 MeV pro Ladung szuStandbeschleuniger mit fünf Modulen, wobei jedes Modul aus zwei Beschleunigungselektroden (d. h. vier Spalten) besteht. Der Phasenzustand jedes Hohlraums wird entsprechend dem Ladungs- zu Massenverhältnis (q/A) des zu beschleunigenden Ions ausgewählt und wird in einen Mikroprozessorcontroller 80 einprogrammiert.

Ionen mit mehr als einer elektronischen Ladung können ebenfalls beschleunigt werden. Eine Beschleunigungsstruktür, die 1 MeV mit einzeln geladenen Ionen liefert, liefert 2 MeV mit doppelt geladenen Ionen. Für viele Anwendungsfälle in diesem Megavolt-Bereich sind relativ bescheidene Strahlströme adäquat, in der Tat kann die Leistungsdichte in dem zu behandelnden Material die Verwendung von Niedrigstrahlströmen erforderlich machen. Da recht große Erträge aus doppelt geladenen Ionnen für einige Ionenquellen erhalten werden können, erhöht die Fähigkeit der Beschleunigung solcher Ionen die Brauchbarkeit der Erfindung sehr stark. Die Mikroprozessorsoftware ist so programmiert, daß sowohl die einzeln wie auch die doppelt geladene Situation gehandhabt werden kann.

Bei der Auswahl der Parameter für den Beschleuniger 16 ist die maximale Spaltbeschleunigungsspannung \on größter Wichtigkeit. Je höher diese Spannung ist, umso weniger Module sind erforderlich, um eine bestimmte Endenergie zu erhalten. Die gesamten HF-Leistungserfordernisse steigen jedoch grob gesagt mit dem Quadrat der Spaltspannung an, und so gibt es ein Gleichgewicht (trade-off) zwischen den Kosten der Module (und der Maschinenlänge) hinsichtlich der Spaltbeschleunigungsspannung. Die Wertanalyse

für die unterschiedlichen Spaltspannungen ergibt, daß die Maximalspannung von 80 kV Spitze nahe dem Optimum für die meisten Anwendungsfälle liegt, obwohl Konstruktionen innerhalb +50 % dieses Werts vorgesehen werden können. Eine 80 kV-Spaltspannung mit einer gut konstruierten evakuierten Kammer und Resonatorschaltung erfordert weniger als 3 kW, was innerhalb des Bereichs derzeit verfügbarer Festkörper-HF-Leistungsverstärker liegt.

Die Ionen im injizierten Strahl haben im allgemeinen eine radiale Geschwindigkeitskomponente. Typischerweise können Ionen mit bis zu 0,04 rad (radians) bezüglich der Mittelachse laufen.

In jedem Beschleunigungsspalt verlaufen die elektrischen Feldlinien, wie dies typischerweise in Fig. 8 dargestellt ist. Sie erzeugen die radiale Fokussierung in der ersten Hälfte des Spalts und die radiale Defokussierung in der zweiten Hälfte des Spalts. Wenn der Spalt mit einer Phase arbeitet, welche die Teilchen gebündelt in Axialrichtung hält, dann muß häufiger als nicht das elektrische Feld noch immer in seiner Größe durch seinen HF-Zyklus erhöht werden, während ein Teilchen durch den Spalt läuft. Infolgedessen sind die elektrischen radial defokussierenden Kräfte in der zweiten Hälfte des Spaltes stärker als die radial fokussierenden Kräfte in der ersten Hälfte des Spaltes. Somit ist das Nettoresultat insgesamt eine radiale Defokussierung.

Die radiale Defokussierung wird wie folgt kompensiert:

1) durch die Verwendung von magnetischen Quadrupolen an verschiedenen Stellen längs der Länge des Beschleunigers 16;

2) Änderung des Vorzeichens des synchronen Phasenwinkels

der Beschleunigungsspalte entlang der Länge des Beschleuni-

gers 16. Dies kann gleichzeitig die axiale und radiale stabile Bewegung mindestens über einen schmalen Bereich der HF-Phase aufrechterhalten, und

3) Verwendung elektrostatischer Quadrupole, da die Strahlenergien recht niedrig sind und elektrostatische Quadrupole kompakt hergestellt werden können.

Eine zusätzliche radiale Fokussiermethode verwendet ein Quadrupolfeld in der Zone der Beschleunigungsspalte. Die Elektroden 60, 63 haben zylindrische azimuthale Variationai 60a, 63a in ihren Profilen und sind in Fig. 9 dargestellt. Diese Elektroden 60, 63 erzeugen HF-Quadrupolfokussierfeider in Spalt 2 und Spalt 3, welche dem Defokussiereffekt gemäß Fig. 8 entgegenwirken.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Ein HF-Ionenbeschleuniger weist einen in den Beschleuniger mit niedriger Anfangsgeschwindigkeit eintretenden Ionenstrahl auf. Die Ionen werden auf Energien in der Größen-Ordnung von 1 MeV pro Ladungszustand beschleunigt, und zwar für die Verwendung bei der Ionentiefimplantation von Halbleitermaterialien. Der Beschleuniger ist aus Mehrfachstufen oder Zellen aufgebaut, wobei jede Zelle eine Beschleunigungselektrode aufweist, und zwar gekoppelt mit einer HF-Resonanz- oder Oszillatorschaltung. Die Phase der Schwingung der Oszillatorschaltung wird gesteuert, um die Masse, Ladung und Anfangsgeschwindigkeit des Ions zu berücksichtigen. Nach dem Durchlaufen der Mehrfachzellen wird ein fokussierter Ionenstrahl auf ein Werkstück gelenkt.

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Claims

E-8375

Beschleunigungsvorrichtung für die Ionenimplantation

Patentansprüche
1/. Ionenimplantationsvorrichtung, bei der folgendes

vorgesehen ist:

eine Quelle zur Leitung geladener Ionen mit einer Anfangsenergie längs einer Laufbahn, ein Beschleuniger (16) mit einer Elektrode (60), die bei Erregung ein alternierendes elektrisches Feld erzeugt, welches die Ionen durch eine Beschleunigungszone auf eine zweite Energie beschleunigt, Erregungsmittel (52) , gekoppelt mit dem Beschleuniger zum Anlegen eines alternierenden Beschleunigungspotentials an die Elektrode mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude, und

5 Implantationsmittel zur Positionierung eines Werkstücks derart, daß die geladenen Ionen beschleunigt auf die zweite Energie auf das Werkstück auftreffen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsmittel eine Resonanzschaltung (52) aufweisen, um die Amplitude und Frequenz des Beschleunigungspotentials zu steuern.

«■ 2 —
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleuniger (16) eine Vielzahl von Elektroden aufweist, die eine Vielzahl von Beschleunigungsspalten (1,2) definieren, um die Ionen auf die zweite Energie in Stufen zu beschleunigen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsmittel Mittel aufweisen, um individuell die Phase und Amplitude des alternierenden elektrischen Feldes in der Vielzahl der Beschleunigungsspalten zu steuern.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine im ganzen ringförmige Struktur aufweist, und zwar mit VorSprüngen, die bei Erregung die Ionen längs der Laufbahn fokussieren, und zwar durch Erzeugung einer Quadrupolfeldkomponente an der Beschleunigungszone.
6. Teilchenbeschleuniger zur Verwendung in einer Ionenimplantationsvorrichtung, wo die Ionen mit unterschiedlichen Atomzahlen auf eine gewünschte Energie beschleunigt werden, und zwar für die Ionenbehandlung eines Werkstücks, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

erste und zweite Elektroden auf einem Bezugspotential, vorgesehen zur Definition eines Eingangs und eines Ausgangs für die Ionen,

eine Beschleunigungselektrode von im ganzen zylindrischer Form, positioniert zwischen den Eingangs- und Ausgangselektroden zur Definition erster und zweiter Beschleunigungsspalte, durch welche die Ionen beschleunigt werden, und

eine Erregungsschaltung zur Erregung der Beschleunigungselektrode mit einem alternierenden Signal zur Erzeugung eines alternierenden elektrischen Feldes (Wechselfeldes) in den ersten und zweiten Spalten, wobei die Schaltung eine Resonanzfrequenz besitzt, die in ihrer Phase einstellbar ist, um den Beschleuniger für ein bestimmtes Ion abzustimmen.
7. Beschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsschaltung eine induktive Spule aufweist, und zwar gekoppelt zwischen der Beschleunigungselektrode und Erde, und daß die Abstimmung auf eine bestimmte Resonanzfrequenz erfolgen kann.
8. Beschleuniger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektrode in einer evakuierten Kammer angeordnet ist und daß die Spule außerhalb der evakuierten Kammer in einem isolierenden Gas angeordnet ist.
9. Ionenimplantationsbeschleuniger zur Beschleunigung geladener Ionen auf eine gewünschte Energie für die ionenbehandlung eines Werkstücks, wobei folgendes vorgesehen ist:

eine Vielzahl von Beschleunigungselektroden, angeordnet in Serie zur Definition einer Beschleunigungsbahn, wobei jede Elektrode entweder auf einem konstanten oder einem alternierenden Potential gehalten wird, wobei jede ein konstantes Potential besitzende Elektrode mit Abstand angeordnet ist mit einer zugehörigen ein alternierendes Potential aufweisenden Elektrode, und zwar durch einen zugehörigen Beschleunigungsspalt, wobei ferner Steuermittel vorgesehen sind, um ein alternierendes Potential an eine oder mehrere der Beschleunigungselektroden anzulegen, um alternierende elektrische Felder in den Spalten zu schaffen, und zwar

in einer koordinierten Art und Weise zur Beschleunigung der Ionen durch den Beschleuniger.
10. Beschleuniger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel Mittel aufweisen zur Einstellung der Phase und Amplitude des alternierenden Potentials, angelegt an die alternierenden Potentialelektroden.
11. Beschleuniger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein maximales Spitzenbeschleunigungspotential im Bereich von 30 bis 150 Kilovolt liegt, und daß die Frequenz in einem Bereich von 3 bis 30 Megahertz liegt,
12. Verfahren zur Beschleunigung eines Strahls geladener Ionen auf eine Energie, ausreichend für die Ionenimplantation, wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Schaffung eines oszillierenden elektrischen Feldes in einer ersten Zone zur Beschleunigung der Ionen durch die erste Zone in eine zweite Zone, Schaffung eines oszillierenden elektrischen Feldes in der zweiten Zone zur Beschleunigung der Ionen durch die zweite Zone,

Koordinierung des oszillierenden Feldes in den ersten und zweiten Zonen zur Erzeugung einer gewünschten Vergrößerung der Ionenenergie, wenn die Ionen die zweite Zone verlassen, und

Leiten der Ionen, die die zweite Zone verlassen auf ein Werkstück für die Ionenimplantation.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld in den ersten und zweiten Zonen mit der gleichen Frequenz oszilliert und daß die Phase, abhängig von der Ladung und Masse der Ionen im Strahl eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das oszillierende elektrische Feld eine Quadrupolfeldkomponente besitzt, welche die Ionen längs einer vorbestimmten Laufbahn fokussiert.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der elektrischen Feldoszillationen durch die Abstimmung eines Resonanzkreises gesteuert wird, der induktive und kapazitive Komponenten besitzt, welche die Resonanzfrequenz bestimmen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis durch Änderung der Kapazität des Resonanzkreises abgestimmt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Tankschaltung durch kapazitive Kopplung einer Hf-Leistungsquelle erregt wird, und zwar durch Kopplung mit einer beweglichen Platte, positioniert bezüglich der induktiven Komponenten der Resonanzschaltung, wobei die Eingangsimpedanz zur Platte derart gesteuert wird, daß die Anpassung an die Impedanz der Hf-Leistungsquelle erfolgt.