CN1510696A

CN1510696A - 控制静电透镜的方法和离子注入装置

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Publication number: CN1510696A
Application number: CNA2003101239473A
Authority: CN
Inventors: 岩泽康司
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 2000-11-11
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2020-11-11
Also published as: GB2358956A; CN1329338A; KR100593968B1; GB2358956B; KR20010051579A; JP3414337B2; GB0027469D0; SG97968A1; US20030151004A1; CN1256752C; JP2001143651A; SG140444A1; US6614027B1; US6770889B2; TW493182B; CN1159749C

Abstract

离子注入装置处理充当带电粒子束的离子束，并具有加速腔8，加速腔8含有用于会聚或发散离子束的静电透镜。完成对静电透镜的控制如下。通过单个法拉第杯46接受扫描离子束4，测量离子束4的束数量I(n)和束宽度Wd(p)。相对规定值，计算束数量和束宽度的估量值。对这些估量值分配权重，计算一元化估量值。控制由加速腔8施加于静电透镜上的聚焦电压Vf，从而提高一元化估量值。波形整形控制器50和束控制器54构成完成该控制的装置。

Description

控制静电透镜的方法和离子注入装置

本申请是2000年11月11日提交的名称为“控制静电透镜的方法和离子注入装置”的中国专利申请00135528.7的分案申请。

技术领域

本发明涉及控制静电透镜的方法以及实施控制方法的该离子注入装置，该方法用于通过静电透镜会聚/发散带电粒子束例如离子束、电子束等并且在作用于被辐射物体上的电磁场中扫描带电粒子束的装置(例如离子注入装置和电子显微镜)。尤其是本发明涉及通过考虑扫描方向上的带电粒子束的大小而实施控制以防止扫描带电粒子束的束电流比通过静电透镜控制之前要小的装置。

背景技术

离子束是带电粒子束的一种。图4表示备有用于会聚或发散离子束的静电透镜的离子注入装置的例子。图5表示其放大主要部件。

图示的离子注入装置基本上与日本未审查专利公开No.Hei.8-115701(JP-A-8-115701)所公开的相同，主要针对所谓的混合平行扫描系统，该系统在X-方向(例如水平方向)上往复/平行扫描离子束并在基本上垂直于X方向的Y方向(例如垂直方向)上往复驱动被辐射物体(例如晶片)22。

离子注入装置包括产生离子束的离子源2、从离子源2产生的离子束4中选择得到特定离子种类的质谱磁铁6、对从质谱磁铁6得到的离子束4加速或减速的加速腔8、用于去除从加速腔8得到的离子束的不必要部分的微调Q透镜10、用于从微调Q透镜10得到的离子束4选择获取特定能量的离子的能谱磁铁12、通过该例子的磁场在X方向上扫描从能谱磁铁12得到的离子束的扫描磁铁14、和同扫描磁铁14协作再次弯曲从扫描磁铁14得到的离子束4平行扫描离子束4即使离子束4平行的平行磁铁16。

从平行磁铁16得到的离子束4作用于保持在扫描机构18的保持器20中的被辐射物体22上，离子注入被辐射物体22中。在这种情况下，通过扫描机构18在Y方向上往复驱动被辐射物体22。被辐射物体22的往复驱动与离子束4的扫描的协作实现了离子均匀注入被辐射物体22的整个表面中。

如图5所示，在被辐射物体22的上游和下游安置前法拉第装置36和后法拉第装置44以便测量离子束4和给扫描波形整形。前法拉第装置36包括由多个法拉第杯40组成的前法拉第阵列38，多个法拉第杯40在作为离子束4的扫描方向的X方向上列成一列。后法拉第阵列44由在X方向上列成一列的多个法拉第杯46组成。应注意到前法拉第装置36垂直移动到分别对应离子注入被辐射物体22以及前法拉第阵列38测量的位置上。在由后法拉第阵列测量时，保持器20移出。

前法拉第阵列38和后法拉第阵列44基本上与日本未审查专利公开No.Hei.9-55179(JP-A-9-55179)所公开的相同。由这些元部件测量到的束电流经为电流测量装置的电流变换器48而进入波形整形控制器50。例如波形整形控制器50进行与例如上述JP-A-9-55179公开的相同控制。即，短而言之，波形整形控制器50产生扫描信号S(t)，它导致被辐射物体22上的离子束4的扫描速度达到一个稳定值。该信号是时间t的函数。扫描电源52将扫描信号S(t)放大成扫描电流J(t)，扫描电流J(t)供给扫描磁铁14用于它的驱动。在本发明中，应理解可进行各种变化和改型而不局限于JP-A-9-55179的上述控制。

同时，必须在大致预定离子注入时间由所希望的数量用具有一定能量和属于所希望种类的离子注入被辐射物体22。

利用上述质谱磁铁6和能谱磁铁12选择离子种类。利用离子源2的电源(未示出)和/或加速腔8的加速/减速电源(图6的加速/减速电源32)，确定离子能量。利用附着于前法拉第装置36的剂量法拉第42所测量到的扫描束的电流值(扫描离子束4的电流值)，控制离子注入的数量。

为在预定注入时间完成离子注入处理，作用于被辐射物体22的离子束的扫描束电流值必须设定为规定值，该规定值从注入的必要数量和预定注入时间计算出。

实现此的手段是通过电场或磁场控制会聚/发散带电粒子束(例子中的离子束4)的静电透镜的技术。通常，该静电透镜用于提高在被辐射物体的位置上得到的扫描束电流。

在该例子中，控制在加速腔8中的静电透镜。该技术主要在下面描述。顺带说说，可采用控制微调Q透镜10的技术，微调Q透镜10是4极型磁透镜。

图6所示的加速腔8基本上与日本未审查专利公开No.Hei.8-273895(JP-A-8-273895)所公开的相同。加速腔8针对2隙3极型。加速腔8的结构是高压侧电极26和接地侧电极28放置在绝缘体24内而聚焦电极30位于电极26和28之间。加速/减速电源32在电极26和28之间施加加速或减速的电压。聚焦电源34在高压侧电极26和聚焦电极30之间施加聚焦电压Vf。电源32和34可单独并独立控制输出电压。三个电极26、30和28之间产生的电场充当会聚或发散离子束4的静电透镜。因此，静电透镜处于加速腔8中。

主要参考图5，解释以控制加速腔8中的静电透镜的方式提高在被辐射物体22位置处的扫描束电流的传统方法。

构成后法拉第44的所有多个(例如11)法拉第杯46并联连接到电流变换器48。在该状态下，改变作为聚焦电源34的输出的聚焦电压Vf，从而改变聚焦电极30的电位。因此，改变加速腔8内的静电透镜处的离子束4的会聚或发散状态，从而也改变传输期间损失粒子束4的比率。因此，由电流变换器48测量到的束电流与聚焦电压Vf之间的关系如图7所示，形状如小山。在这种情况下，选择给出最大束电流的聚焦电压Vf作为解决方法，而聚焦电压Vf设定在该值。因此，完成了控制。

在如上所述的控制方法中，通过改变聚焦电压Vf，(1)传输期间损失粒子束4的比率改变，从而被辐射物体处的束电流改变，和(2)通过静电透镜之后离子束的发散角度改变，从而在被辐射物体22位置处的离子束4的大小(几何尺寸)也改变。

控制聚焦电压Vf的目的是得到被辐射物体22位置处的大量扫描束电流。如果改变聚焦电压Vf而得到的效果只是上述项目(1)，上述控制方法可完成该目的。

然而，实际上，同时发生(2)的效果。因此，在上述控制方法中，控制聚焦电压Vf的结果，可能如下情况。即被辐射物体22位置处的离子束4的尺寸改变，从而也提高了离子束4扫描的面积。结果，与此目的相反，在被辐射物体22位置处的扫描束电流比控制前要低。这将下面解释。

粒子束4扫描的面积取决于被辐射物体22的尺寸和离子束4的尺寸。假定离子束4的束斑形状(即扫描之前的离子束4的截面形状)是直径d的圆，而被辐射物体22的束斑形状是直径D的圆。为使离子注入被辐射物体22的整个表面，离子束4必须从离子束4未施加于被辐射物体22上的状态A开始，抵达被辐射物体22，穿过被辐射物体22的表面，最终达到离子束4未完全施加于被辐射物体22上的状态B。返回中，离子束4必须在相反方向上类似移动。通常，设定过扫描数量α，从而即使离子束4的尺寸改变以及被辐射物体22略微偏移其正确位置，也可确保上述移动。

因此，通过如下等式可表述由离子束4扫描的宽度W。即随离子束4的束斑直径增大，宽度W增大。

W＝D+2α+d (1)

如果离子束4的实际扫描宽度超过等式(1)表示的值，未施加于被辐射物体22上而浪费的离子束4的比率增大。相反，如果太小，离子束4未施加到被辐射物体22的一部分上。两者都是不希望的。因此，在已完成设定期间改变离子束4的直径d的操作之后，检查目前扫描面积是否满足等式(1)(这表示为“过扫描检查”)，并且如果必要的话完成扫描长度的调节(这表示为“扫描调节”)。

然而，当离子束的扫描宽度随扫描调节的结果而改变时，扫描束电流改变。其原因如下解释。

扫描束电流表示扫描离子束4期间单位时间已进入一定区域的电荷Q的数量。通常，单位时间已进入任何法拉第杯(例如图5所示的任何法拉第杯46)的电荷Q的数量认为是法拉第杯的扫描束电流。然而，目前为简化问题，考虑被辐射物体22的扫描束电流。

由图8可看出，如果确保足够的过扫描数量α，通过下列等式利用点束电流乙可表示离子束4每次扫描(一次往返)进入被辐射物体22的电荷Q的数量。现假定t是时间而离子束在其半扫描(一个路径)期间施加于被辐射物体22上，离子束的扫描速度是v，t＝/v。

Q＝I_sp×2t (2)

在该实施例所述的装置中，离子束4的扫描频率总固定在恒定值而不管其扫描宽度。因此，离子束4的扫描速度v是扫描宽度(扫描面积)的函数。实际上可用如下等式表示。假定t_sw是一次扫描(一次往返)所需的时间并取一定规定时间。

V＝2W/t_sw (3)

被辐射物体22的扫描束电流I，即当每次扫描进入被辐射物体22的电荷Q的数量除以一次扫描所需的时间所得到的值，可用下式表示：

I＝Q/t_sw

＝I_sp×2{D/(2W/t_sw)}t_sw

＝I_sp×D/W

＝I_sp×D/(D+2α+d) (4)

在等式4中，除d之外的任何其它数是恒定的。因此，与满足等式(1)的状态相比，当束直径d增大，被辐射物体22的扫描束电流I下降。

利用这些关系，完成聚焦电压和随后的扫描调节的控制的结果是，可得到比控制前要大的扫描束电流I的情况。

控制前的扫描束电流I可用如下等式(5)表示，而控制后的扫描束电流I′可用如下等式(6)表示。在完成控制之后，束斑束电流I_sp随上述项(1)的作用而改变。变化的符号附带有短点标号(′)。

I＝I_sp×D/(D+2α+d) (5)

I′＝I_sp′×D/(D+2α+d′) (6)

因此，应理解使I′/I＞1的条件是如下等式(7)。

(I_sp′/I_sp)＞{(D+2α+d′)/(D+2α+d)} (7)

然而，实际上，并不一定满足等式(7)。同时，不能了解控制前是否满足等式(7)。因此，完成聚焦电压和随后的扫描调节的控制的结果是，被辐射物体22的扫描束电流比聚焦电压控制前要小。在这种情况下，尽管目的是在被辐射物体22处得到大量扫描束电流，但不能实现该目的。可以认为控制以失败而结束。

发明内容

鉴于上述情况，本发明主要提供利用静电透镜而能防止扫描带电粒子束的束电流变得比控制前的要小的方法和装置，通过考虑扫描方向上的带电粒子束的大小而进行控制。

按照本发明的控制静电透镜的方法，特征在于：利用法拉第杯接受扫描带电粒子束，测量带电粒子束的束数量和其扫描方向上的束宽度；根据其规定标准，计算其估量值；将权重分给所述估量值，计算其一元化估量值；和控制所述静电透镜，从而提高所述的一元化估量值。

一元化估量值不仅受带电粒子束的束数量的估量值的影响，还受束宽度的估量值的影响，束宽度是扫描带电粒子束的方向上的大小。因此，通过控制加速腔内的静电透镜，从而提高一元化估量值，扫描带电粒子束的束电流和扫描方向上的带电粒子束的大小可近似到其优选状态。结果，可防止带电粒子束的束电流变得比控制静电透镜之前要小。

按照本发明的离子注入装置，特征在于：它包括接受所述扫描离子束的法拉第杯，和根据测量到的从法拉第杯发出的信号而控制所述静电透镜的控制器，并且所述控制器的作用为：测量法拉第杯的位置处的扫描方向上的离子束的束数量和束宽度；相对其规定标准，计算其估量值；将权重分给所述估量值，计算一元化它们估量值的一元化估量值；和控制所述静电透镜，从而提高所述一元化估量值。

由于离子注入装置包括控制装置，控制装置具有实现控制静电透镜和法拉第杯的方法的作用，可防止扫描离子束的束电流变得比控制静电透镜之前要小。因此，可更确实地完成得到大扫描束电流的目的。

附图说明

图1是表示完成按照本发明的控制方法的离子注入装置主要部件的实施例图；

图2是表示按照本发明的控制方法的实施例的流程图；

图3是表示束波形的实施例的图；

图4是表示传统离子注入装置的实施例的示意平面图；

图5是表示传统离子注入装置主要部件的实施例图；

图6是表示具有图1、4和5的静电透镜的加速腔的实施例的截面图；

图7是表示聚焦电压与束电流之间的关系的实施例的图；和

图8是解释束的必要扫描宽度的图。

具体实施方式

图1是表示按照本发明完成控制方法的离子注入装置主要部件的例子图。离子注入装置的整体结构如图4所示。因此，参考该图以及相关描述，不再重复解释。在下列描述中，相同标号表示图4-6的现有技术的相同或相应部件。下面主要解释本发明与现有技术的不同。

首先，简要说明图1结构与图5结构的不同。在图1所示的离子注入装置中，波形整形控制器50也具有测量束数量I(n)和束宽度Wd(p)的作用。束控制器54根据束数量I(n)和束宽度Wd(p)，也控制聚焦电源34的聚焦电压Vf(即控制加速腔8中的静电透镜)。

在该例子中，波形整形控制器50和束控制器54构成用于控制加速腔8中的静电透镜的控制装置。然而，可结合两个控制器来构成控制装置，而只有束控制器54能用于构成控制装置。

现参考图2的流程图，详细解释利用上述波形整形控制器50和束控制器54等来控制加速腔8中的静电透镜的方法。

聚焦电压Vf(kV)是聚焦电源34的输出，在构成后法拉第阵列44的多个(即11)法拉第杯46中的一个(例如位于中心)与电流变换器48连接的状态(该状态称为“背中心”)下，聚焦电压Vf(kV)以{Vf(m)-Vf(0)}/(m)(m是不小于1的整数)的步阶从Vf(0)变化到Vf(m)。在该状态下，在扫描离子束4(称为“背中心扫描”)时，将测量(1)离子束4的束数量和(2)离子束4的束宽度。

(1)关于束数量

在一定聚焦电压Vf(n)处，测量并存储“背中心扫描”的束数量I(n)(图2的步骤100)。在该例子中，通过波形整形控制器50完成，测量到的数据I(n)供给束控制器54。束数量I(n)是图3所示的束波形的束电流瞬间值的积分值，用电荷数量表示。

符号n表示0≤n≤m的整数。通过以{Vf(m)-Vf(0)}/(m)的步骤将聚焦电压Vf从Vf(0)变化到Vf(m)，完成该测量。因此，排列I(n)有从n＝0到n＝m的(m+1)个元素。

假定I(n)元素中的最大值是I_max，通过如下等式(步骤101)得到束数量的估量值RI(n)。在该例子中，利用束控制器54完成。RI(n)是I(n)的相对表示，是具有等同于I(n)的大小的排列。

RI(n)＝I(n)/I_max (8)

(2)关于束宽度

在聚焦电压Vf(n)处，H作为图3所示的束波形的简单峰值高度，束波形通过“背中心扫描”得到。以不同的p(p是不小于1的整数)高度测量束波形的宽度。在pH(p+1)、(p-1)H/(p+1)、......、2H(p+1)、H(p+1)的高度处测量的束宽度表示为Wd(1)、Wd(2)、......、Wd(p)(步骤102)。在该例子中，通过波形整形控制器50完成，而测量的数据Wd(p)供给束控制器54。图3表示在p＝5的情况下的例子。

另一方面，在pH(p+1)、(p-1)H/(p+1)、......、2H(p+1)、H(p+1)的高度处理想的束宽度表示为Wdi(1)、Wdi(2)、......、Wdi(p)。按照使用目的可改变理想值的设定。

然而，上述束的高度和宽度不表示实际离子束4的束斑的几何高度和宽度。即图3所示的束波形示意表示成垂直轴上的束电流瞬间值和水平轴上的上述扫描信号S(t)。因此，目前所指的束高度是束电流瞬间值并且在每个高度处的宽度反映了束点的几何宽度。即束斑的几何宽度越小，每个高度处的宽度越小。

接着，通过如下等式得到每个高度处的束宽度与其理想值的偏差ΔWd(q)(步骤103)。符号q是1≤q≤p的整数。数量ΔWd(q)为0或负数。在该例子中，然后通过束控制器54彻底完成处理和控制。

ΔWd(q)＝Wdi(q)-Wd(q) (9)

(其中如果Wdi(q)≥Wd(q)，ΔWd(q)设定为0。)

可从如下等式得到表示一定聚焦电压Vf(n)处的束宽度偏差的数量ΔW(n)(步骤104)。由于数量ΔWd(q)为0或负数，数量ΔW(n)也为0或负数。

ΔW(n)＝{p/(p+1)}×ΔWd(1)

+{(p-1)/(p+1)}×ΔWd(2)

+......

+{1/(p+1)}×ΔWd(p) (10)

等式(10)表明图3所示的束波形在接近电流值更大的峰值的点处给出大权重。

假定ΔW(n)的元素的最大绝对值是ΔW_max，通过如下等式得到束宽度的估量值RΔW(n)(步骤105)。数量RΔW(n)是ΔW(n)的相对表示，也具有与ΔW(n)大小相同的排列。由于数量ΔW(n)是0或负数，数量RΔW(n)也是0或负数。

RΔW(n)＝ΔW(n)/ΔW_max (11)

(3)束的一元化估量和聚焦电压的控制

利用束数量的估量值RI(n)和束宽度的估量值RΔW(n)，通过如下等式得到一定聚焦电压Vf(n)处的束的一元化估量值SVf(n)(步骤106)。随着束数量的估量值RI(n)增大，一元化估量值SVf(n)增大。相反，由于估量值RΔW(n)是如上所述的0或负数，随着估量值RΔW(n)的绝对值增大，一元化估量值SVf(n)下降。符号DI和DW是代表权重的整数。通常均为1，但可按照使用目的改变。

SVf(n)＝DI×RI(n)+DW×RΔW(n) (12)

得到提供最大估量值SVf(n)的聚焦电压Vf(即选择为解决方法)(步骤107)。控制从聚焦电源34产生的聚焦电压Vf到该值(步骤108)。因此，完成对加速腔34中的静电透镜的控制。

一元化估量值SVf(n)不仅受离子束4的束数量的估量值RI(n)的影响，还受代表在扫描离子束方向上的大小的束宽度的估量值RΔW(n)的影响。因此，通过控制加速腔8中的静电透镜，从而增大一元化估量值SVf(n)，即控制施加于加速腔8中的静电透镜的聚焦电压Vf，扫描离子束4的束电流和扫描方向上的离子束4的大小近似到其优选状态。

结果，与现有技术不同，可防止离子束被控制，从而提高束斑束电流Isp′，也提高束直径d′，而不能满足等式(7)。即可防止扫描离子束4的束电流变得比加速腔8中静电透镜控制之前的要小。因此，能更确实实现得到大扫描束电流的目的。

此外，利用为磁透镜的微调Q透镜10(参见图4)，可控制离子束4的会聚或发散。在这种情况下，可应用上述方法来控制微调Q透镜10。

可应用上述方法来控制除离子束4之外的其它带电粒子束即电子显微镜中的电子束。

上述结构的本发明提供了如下效果。

按照控制方法，一元化估量值不仅受带电粒子束的束数量的估量值的影响，还受代表扫描带电粒子束方向上的大小的束宽度的估量值的影响。因此，通过控制加速腔中的静电透镜，从而增大一元化估量值，扫描带电粒子束的束电流和扫描方向上的带电粒子束的大小近似到其优选状态。结果，可防止带电粒子束的束电流变得比静电透镜控制之前的要小。因此，可更确实实现得到大扫描束电流的目的。

按照离子注入装置，由于它包括控制装置，控制装置具有实现上述控制方法和法拉第杯的作用，可防止扫描离子束的束电流变得比控制静电透镜之前的要小。因此，可更确实地实现得到大扫描束电流的目的。

已示出和描述了本发明的现有优选实施例，应理解该公开是为了说明的目的，可进行各种变化和改型而不脱离附属权利要求所列出的本发明范围。

Claims

1.用于控制装置中使用的透镜的方法，该装置利用带电粒子束辐射物体，包括：

利用电场或磁场扫描带电粒子束；

用法拉第杯接受扫描的带电粒子束；

测量带电粒子束的束数量和在带电粒子束的扫描方向上的带电粒子束的束宽度；

通过将测得的束数量除以最大束数量值，计算束数量估量值；

通过将理想束宽度值和测得束宽度之间的差除以最大束宽度值，计算束宽度估量值；

将权重分给所述束数量估量值和所述束宽度估量值，计算其一元化估量值；和

控制所述透镜，从而提高所述一元化估量值。

2.按权利要求1的方法，其中所述方法由离子注入装置实施，离子注入装置用带电粒子束辐射物体。

3.按权利要求1的方法，其中所述方法通过控制电子显微镜中的电子束实施。

4.按权利要求1的方法，其中控制所述透镜的步骤包括控制静电透镜。

5.按权利要求1的方法，其中控制所述透镜的步骤包括控制磁透镜。

6.用离子束辐射物体的离子注入装置，包括：

透镜，用于会聚或发散离子束；

扫描装置，用于扫描通过所述静电透镜的离子束；

法拉第杯，用于接受扫描的离子束，和

控制器，用于根据从所述法拉第杯发出的测量信号而控制所述透镜，

其中所述波形整形控制器(50)测量离子束的束数量和在所述法拉第杯位置处的离子束的扫描方向上的离子束的束宽度，所述束控制器(54)通过将测得的束数量除以最大束数量，计算束数量估量值；所述束控制器(54)通过将理想束宽度值和测得束宽度值之间的差除以最大束宽度值，计算束宽度估量值；所述束控制器(54)将权重分给所述估量值，计算其一元化估量值，并且所述束控制器(54)控制所述透镜，从而提高所述一元化估量值。

7.按权利要求6的离子注入装置，其中所述透镜是微调Q透镜。

8.按权利要求6的离子注入装置，包括加速腔(8)，其中所述透镜位于所述加速腔(8)中。

9.按权利要求6的离子注入装置，其中所述透镜是静电透镜。

10.按权利要求6的离子注入装置，其中所述透镜是磁透镜。