DE3616569C2

DE3616569C2 - Ionenimplantationsvorrichtung

Info

Publication number: DE3616569C2
Application number: DE3616569A
Authority: DE
Inventors: Hilton F Glavish; Gordon Kenneth Simcox; A Stuart Denholm
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Axcelis Technologies Inc
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1986-05-16
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2006-05-17
Also published as: US4667111C1; JPH0628146B2; GB2175741A; US4667111A; JPS61264650A; GB8609395D0; DE3616569A1; GB2175741B

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenimplan tationsvorrichtung.

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 be reits zur Dotierung von Halbleitersubstraten benutzt. Bei einer Halbleiteranwendung 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 Halbleiterwafer.

US-PS 4 234 797 beschreibt einen Steuermechanismus zur Erreichung einer gleichförmigen Ionendotierung von Halb leitersubstraten. Diese Vorrichtung umfaßt einen Strahl neutralisierer, um den Ladungsaufbau auf den Halbleiter wafers 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.

Die in diesen Behandlungssystemen verwendeten Ionen strahlen werden mit einem statischen elektrischen Feld beschleunigt, welches durch ein Gleichstrompotential erzeugt wird, das an einer Beschleunigungselektrode an liegt. Bekanntlich wird ein geladenes Teilchen (Ion), welches einem gleichförmigen elektrischen Feld ausge setzt 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 Ionen energien 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 Gleichstrombeschleu nigungspotentials schwierig und kompliziert. Bei jeder Spannung oberhalb 100 Kilovolt müssen hohen Gleichspan nungen elektrisch gegenüber anderen Komponenten des Strahlbe handlungssystems isoliert werden, wie beispielsweise gegenüber der Ionenquelle, den Gasverarbeitungs- und Va kuumsystemen, der Steuerelektronik und dem Strahlanaly siermagneten.

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. Alter nativ 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.

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-, Fokussier- und Analysier-Ausrüstung für unterschiedliche Ionen geeig net ist. Die Ausrüstung sollte von praktikabler Einfach heit und kleinen Abmessungen sein und sie sollte ferner mit niedrigen Kosten herstellbar sein, damit das Ionen implantationssystem kommerziell erfolgreich ist.

Aus der DE 32 18 513 A1 ist eine Ionenimplantationsvorrichtung mit einer Quelle zur Erzeugung und Leitung von Ionen mit einer Anfangsenergie längs einer Laufbahn, einem Gleichspannungsbe schleuniger zur Beschleunigung der Ionen und auf ein Werk stück, in dem die Ionen implantiert werden, bekannt. Dabei ist der Gleichspannungsbeschleuniger so ausgebildet, daß mit ihm unterschiedliche Ionen auf unterschiedliche Energien beschleu nigt werden können.

Aus P. M. Lapostolle, A. L. Septier, "Linear Accelerators", North-Holland Publishing Co., Amsterdam, 1970, S. 1-3, u. S. 1082-84 ist ein Teilchenbeschleuniger für schwere Ionen bekannt. Bei diesem Teilchenbeschleuniger ist eine zylinder förmige Beschleunigungselektrode zwischen einer Eingangs- und Ausgangselektrode angeordnet und eine Erregungsschaltung zur Erregung der Beschleunigungselektrode mit einer Wechselspan nung vorgesehen, die eine einstellbare Resonanzfrequenz besitzt (vgl. Fig. 1 und 2 auf den S. 3 und 4). Dabei können die Elektroden eine ringförmige Struktur aufweisen (vgl. Fig. 6, Seite 1082).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine flexible Ionenimplantationsvorrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, hohe Beschleunigungspotentiale für eine tiefe Ionenimplantation von Halbleitermaterialien zu erzeugen, wobei eine flexible Ionenimplantationsvorrichtung geschaffen werden soll, die zur Beschleunigung von Ionen mit unterschiedlicher Atomzahl verwendet werden kann.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einer Ionenimplan tationsvorrichtung der eingangs genannten Art durch die im An spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Ionenimplantationsvorrichtung erzeugt elektrische Felder zur Teilchen beschleunigung, die sich periodisch mit der Zeit verän dern. Die Phase dieser Felder ist einstellbar, um Teil chen mit unterschiedlichen Atomzahlen und auch Teilchen mit unterschiedlichen Anfangszuständen, d. h. Geschwindig keiten, mit denen die Teilchen in den Teilchenbeschleuni ger 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. Es sei bemerkt, daß nachdem die Ionen beschleunigt sind, ein gepulster Strahl dieser Ionen auf das Werkstück gerichtet werden kann.

Diese Erfindung ist von größter Wichtigkeit bei der Ionen implantation von Halbleitern und anderen Materialien. Der HF-Beschleuniger kann die schweren Atomteilchen beschleuni gen, 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 Be reich 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 verwen deten Ionen beschleunigen:
Bor B²⁺ (q/A = 1/5), B⁺
Phosphor p²⁺, p⁺
Arsen As²⁺, 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 beispiels weise bis hinab zu g/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 Zweispalt struktur, wo eine ringförmige oder kreisringförmige er regte Elektrode durch geerdete Elektroden auf der einen Seite begrenzt ist. Die Zeitsteuerung des oszillierenden 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 Mittelachsen laufbahn divergieren. Diese radiale Fokussierung verhin dert, 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 abge stuft oder versetzt mit geerdeten Elektroden in evaku ierten Beschleunigungskammern ausgestattet. Die Phase des an jeder Elektrode erzeugten elektrischen Feldes wird ver ändert, um Ionen mit verschiedenen Ladungs- zu Massever hältnissen (q/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 Oszillator schaltung 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 Fre quenz, die an die Resonanzfrequenz des Oszillatorkreises angepaßt ist. Die Streukapazität gegenüber Erde der In duktivität erhöht die Kapazität der Oszillatorschaltung. Diese Kapazität wird dadurch geändert, daß man den Ab stand zwischen Induktivität und einer Erdplatte in enger Nachbarschaft zur Induktivität ändert. Die Oszillator spule ist in einem gesonderten Hohlraum gegenüber der evakuierten Beschleunigungskammer angeordnet.

Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Spannung der Be schleunigungselektrode zwischen 0 und 150 Kilovolt ver ändert werden, und die Schwingungsfrequenz der Oszillator schaltung kann im Bereich von 3 bis 30 Megahertz gewählt werden. Durch die Versetzung der Beschleunigungs- und ge erdeten Elektroden längs einer mehrstufigen Beschleuni gungsbahn 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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ionenimplanta tionssystems mit einem Hochfrequenzionenbeschleu niger;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Beschleuni gungselektrode eines Ionenbeschleunigers;

Fig. 3 und 4 graphische Darstellungen, welche die elek trische 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 Os zillatorschaltungen und Hochfrequenzgeneratoren;

Fig. 7 eine schematische Darstellung von fünf aufeinander folgenden 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 Radial fokussierung der Ionen.

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

In der Fig. 1 ist ein Ionenimplantationssystem 10 darge stellt, welches dazu dient, Hochenergieionen auf ein Target (Ziel) zu leiten. Das System weist eine Ionenquelle 12, einen Analysiermagnet 14, einen Hochenergiestrahlbe schleuniger 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 22 erzeugtes statisches Feld beschleunigt, worauf dann die Auflösung durch den Magneten 14 in einen gleichförmigen Ionenstrahl 24 erfolgt. Eine Bündelvorrichtung 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 Be schleuniger 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 angeord net für die Ionenimplantation von Halbleiterwafern 26. An einer Lade/Entladestation 28 positioniert ein Techniker oder eine automatische Vorrichtung die Wafer 26 um den Umfang einer Anordnungsscheibe 30 herum. Die Scheibe 30 wird sodann über Scheibenaustauscharme 32 in eine Vakuum prozeßkammer 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 Ionen beschleunigers 16. Der Beschleuniger 16 weist eine Folge von fünf Modulen 50a-50e auf, die ihrerseits auf in den Be schleuniger 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 gezeig ten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist jedes der fünf Module 50a-50e zwei Beschleunigungselektroden 60 auf.

Eine schematische Darstellung einer Elektrode 60 des einen Moduls 50a ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Elektrode 60 definiert eine Mittellaufbahn 58, längs der sich die Ionen bewegen. Auf jeder Seite der Beschleunigungselektrode 60 sind zwei geerdete Potentialelektroden 63a, 63b angeord net. Eine Zone zwischen der Beschleunigungselektrode 60 und einer ersten geerdeten Elektrode 63a wird als "Spalt 1" und eine Zone mischen der Beschleunigungs elektrode 60 und einer zweiten geerdeten Elektrode 63b wird als "Spalt 2" bezeichnet. Durch eine geeignete Hoch frequenzerregung 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 (q/A) kann beschleunigt werden, und zwar durch die unab hängige Einstellung der HF-Feldphase von aufeinanderfol genden 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 Verän derung 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 schleunigung erfolgt im "Spalt 2".

Die Flugzeit durch die Elektrode 60, bestimmt durch Teil chengeschwindigkeit und Elektrodenlänge, steht somit mit der Frequenz des HF-Feldes in Beziehung. Durch geeignete Auswahl der Moduldimension und der Frequenz der Elektro denerregung können sowohl leichte wie auch schwere Teil chen 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 ver bringt weniger Zeit in der Zone der Elektrode 60. Das Bor ion befindet sich im Spalt 1 am Punkt A und im Spalt 2 am Punkt B. Die Spannung an der Elektrode 60 nimmt an bei den Punkten A und B ab und das Borion erfährt eine Netto beschleunigung. Das schwere, langsamere Antimonion befin det 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 Nettobeschleuni gung. In der Tat erfahren die Bor- und Antimonionen an nähernd die gleiche Beschleunigung, annähernd 50% der Energie der Spitzenbeschleunigungsspannung an der Elek trode 60.

Um eine Hochenergiebeschleunigung in praktischen Dimen sionen zu erhalten, ist eine hohe HF-Spannung erforder lich. Das einfachste Verfahren zum Erhalt dieser hohen Spannung besteht darin, einen Hochfrequenzresonanz kreis 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_s) 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 Auslegungsbetrach tungen berücksichtigt werden müssen. Eine bestimmte Mini malkapazität ist mit der Hochspannungsbeschleunigungs elektrode verbunden, welche die Spulenparameter für eine erforderliche Frequenz bestimmt. Eine Resonanzschleife (L und C_s) hat durch R_L repräsentierte Verluste und kann über eine sehr kleine Kopplungskapazität (C_c) angeregt werden.

Die Spule 62 ist körperlich relativ groß und weist damit verbunden sowohl Abstimm- wie auch Kopplungsvor richtungen 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 Oszil latorschaltung 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 Hochspannungseigen schaften aufweisen. Um diese Erfordernisse zu erfüllen, ist die Spule 62 in einer Kammer 66 angeordnet, die ein elektronegatives Gas, wie beispielsweise Schwefelhexa fluorid 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 Hohlraumgeome trien 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 Fre quenz, während die Spule sich beispielweise erwärmt und ihre Abmessung unter Last verändert. Diese Abstim mung kann durch eine bewegliche Platte 70 auf Erdpoten tial erreicht werden, die durch einen (nicht gezeigten) Steuermotor angetrieben wird, um die Streukapazität gegenüber Erde (Fig. 5, C_T) zu modifizieren. Die Position der Platte und somit C_T wird durch eine Rückkopplungs schleife 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 Im pedanz für Verstärker, Kabel, Verbinder usw. Glücklicher weise ist es möglich, einen praktischen Wert für C_c (Fig. 5) auszuwählen, der eine 50 Ω-Eingangsbedingung vor sieht. Diese Kapazität (C_c) ist sehr klein, wie dies auch für die erforderliche Abstimmkapazität (C_T) gilt und kann geometrisch erreicht werden durch Verwendung einer einfachen Platte 72, die einige wenige Zentimeter mit Abstand gegenüber dem Hochspannungsende (Beschleuni gungselektrode) 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 Beschleunigungshohl räume 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 Beschleuni gungsstufen 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 Anfangs frequenz sein müssen.

Fig. 7 zeigt das gesamte Konzept für einen 1 MeV pro La dungszustandbeschleuniger 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 Beschleunigungsstruk tur, die 1 MeV mit einzeln geladenen Ionen liefert, lie fert 2 MeV mit doppelt geladenen Ionen. Für viele Anwen dungsfälle in diesem Megavolt-Bereich sind relativ be scheidene Strahlströme adäquat, in der Tat kann die Lei stungsdichte in dem zu behandelnden Material die Verwen dung von Niedrigstrahlströmen erforderlich machen. Da recht große Erträge aus doppelt geladenen Ionen für einige Ionenquellen erhalten werden können, erhöht die Fähigkeit der Beschleunigung solcher Ionen die Brauchbar keit 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 von 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 zwischen den Kosten der Module (und der Maschinenlänge) hinsicht lich 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 Konstruk tionen innerhalb ±50% dieses Werts vorgesehen werden können. Eine 80 kV-Spaltspannung mit einer gut konstru ierten evakuierten Kammer und Resonatorschaltung erfor dert 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 (Radiant) bezüglich der Mittel achse 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. Infolge dessen 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 De fokussierung.

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 Strahl energien recht niedrig sind und elektrostatische Quadru pole kompakt hergestellt werden können.

Eine zusätzliche radiale Fokussiermethode verwendet ein Quadrupolfeld in der Zone der Beschleunigungsspalte. Die Elektroden 60, 63 haben zylindrische azimutale Varia tionen 60a, 63a in ihren Profilen und sind in Fig. 9 dar gestellt. Diese Elektroden 60, 63 erzeugen HF-Quadrupol fokussierfelder in Spalt 2 und Spalt 3, welche dem De fokussiereffekt gemäß Fig. 8 entgegenwirken.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Ein HF-Ionenbeschleuniger weist einen in den Beschleuniger mit niedriger Anfangsgeschwindigkeit eintretenden Ionen strahl 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 Mehr fachstufen 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 Mehrfachzel len wird ein fokussierter Ionenstrahl auf ein Werkstück gelenkt.

Claims

1. Ionenimplantationsvorrichtung, bei der folgendes vorgesehen ist:

eine Quelle (12, 14) zur Erzeugung und Leitung von Ionen mit einer Anfangsenergie längs einer Laufbahn,
ein Beschleuniger (16) mit einer Beschleunigungselektrode (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 Beschleunigungselektrode (60) mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude und
Implantationsmittel (18) zur Positionierung eines Werk stücks (26) derart, daß die auf die zweite Energie be schleunigten Ionen auf das Werkstück (26) auftreffen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsmittel (52) eine Resonanzschaltung (52) aufweisen, um die Amplitude und Frequenz des Be schleunigungspotentials zu steuern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleuniger (16) eine Vielzahl von Elektro den (60, 63a, 63b) aufweist, die eine Vielzahl von Beschleunigungs spalten (1, 2) definieren, um die Ionen auf die zweite Energie in Stufen zu beschleunigen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsmittel (52) Mittel aufweisen, um indivi duell die Phase und Amplitude des alternierenden elektrischen Feldes in der Vielzahl der Beschleuni gungsspalten (1, 2) zu steuern.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beschleunigungselektrode (60) eine im ganzen ringför mige Struktur aufweist, und zwar mit Vorsprüngen, die bei Erregung die Ionen längs der Laufbahn fokussieren, und zwar durch Erzeugung einer Quadrupolfeldkompo nente an der Beschleunigungszone.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch erste und zweite Elektroden (63a, 63b) auf einem Bezugspotential zur Definition eines Eingangs und eines Ausgangs für die Ionen, wobei die Beschleunigungselektrode (60) von im ganzen zylindrischer Form zwischen den Eingangs- und Ausgangselektroden (63a, 63b) zur Definition erster und zweiter Beschleunigungsspalte, durch welche die Ionen beschleunigt werden, positioniert ist, wobei die Erregungsmittel in der Form einer Erregungsschaltung (52) an die Beschleunigungselektrode (60) ein alternierendes Signal zur Erzeugung des alternierenden elektrischen Feldes (Wechselfeldes) in den ersten und zweiten Spalten anlegen, wobei die Schaltung (52) eine Resonanzfrequenz in ihrer Phase einstellbare besitzt, um den Beschleuniger (16) für ein bestimmtes Ion abzustimmen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsschaltung (52) eine induktive Spule (62) aufweist, und zwar gekoppelt zwischen der Beschleunigungselektrode (60) und Erde, und daß die Abstimmung auf eine bestimmte Resonanzfrequenz erfolgen kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektrode (60) in einer evakuierten Kammer (64) angeordnet ist und daß die Spule (62) außerhalb der evakuierten Kammer in einem isolierenden Gas angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Elektroden (60, 63a, 63b), angeordnet in Serie zur Definition einer Beschleunigungsbahn, wobei jede Elektrode (60, 63a, 63b) entweder auf einem konstanten oder einem alternierenden Potential gehalten wird, und wobei jede ein konstantes Potential besitzende Elektrode (63a, 63b) mit Abstand angeordnet ist zu der zugehörigen ein alternierendes Potential aufweisenden Beschleunigungselektrode (60).

10. Vorrichtung 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.

11. Verfahren zur Beschleunigung eines Strahls (24) geladener Ionen auf eine Energie, ausreichend für die Ionenimplantation unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Schaffung eines oszillierenden elektrischen Feldes in einer ersten Zone (1) zur Beschleunigung der Ionen durch die erste Zone (1) in eine zweite Zone (2),
Schaffung eines oszillierenden elektrischen Feldes in der zweiten Zone (2) zur Beschleunigung der Ionen durch die zweite Zone (2),
Koordinierung des oszillierenden Feldes in den ersten und zweiten Zonen zur Erzeugung einer gewünschten Vergrößerung der Ionenenergie, wenn die Ionen die zweite Zone (2) verlassen, und
Leiten der Ionen, die die zweite Zone (2) verlassen auf ein Werkstück (26) für die Ionenimplantation.

12. Verfahren nach Anspruch 11, 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 (24) eingestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das oszillierende elektrische Feld eine Quadrupol feldkomponente besitzt, welche die Ionen längs einer vorbestimmten Laufbahn fokussiert.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der elektrischen Feldoszillationen durch die Abstimmung eines Resonanzkreises (52) gesteuert wird, der induktive und kapazitive Komponenten (L, Cs) besitzt, welche die Resonanzfrequenz bestimmen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis (52) durch Änderung der Kapazität des Resonanzkreises (52) abgestimmt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis durch kapazitive Kopplung einer HF-Leistungsquelle (53) erregt wird, und zwar durch Kopplung mit einer beweglichen Platte (70), positioniert bezüglich der induktiven Komponenten (L) des Resonanzkreises, wobei die Eingangsimpedanz zur Platte (70) derart gesteuert wird, daß die Anpassung an die Impedanz der HF-Leistungsquelle (53) erfolgt.