DE69432670T2

DE69432670T2 - Chromatisch kompensierte teilchenstrahlsäule

Info

Publication number: DE69432670T2
Application number: DE69432670T
Authority: DE
Inventors: Frederick Wight Martin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2014-11-19
Also published as: EP0745266A4; CA2188997A1; JPH10506225A; KR100308720B1; KR970700926A; AU1370695A; AU689528B2; CA2188997C; EP0745266A1; JP3844253B2; EP0745266B1; DE69432670D1; RU2144237C1; WO1996016426A1

Description

Die US-amerikanische Regierung hat an dieser Erfindung eine Lizenz gegen Bezahlung und das Recht erworben, in begrenztem Umfang vom Patenteigentümer zu verlangen, die Lizenz zu annehmbaren Bedingungen weiterzugeben, wie in den Bedingungen der Erteilung unter dem von der National Science Foundation zuerkannten Aktenzeichen ISIB5 21 280 festgelegt.
Die Erfindung betrifft ein Gebiet der Ionenoptik, wie sie in Anlagen zur Bildung dünn fokussierter Ionenstrahlen verwendet wird, die im Allgemeinen auf Gebieten wie Mikrofabrikation und Mikroanalyse verwendet werden, wie bei der Ionenimplantation in Halbleiter, Mikro-Materialbearbeitung, Ionenstrahllithografie und Halbleiter-Ionenmikroskopie.
Im Stand der Technik bestehen Anlagen zur Herstellung von dünn fokussierten Strahlen im Allgemeinen aus einer nadelartigen Teilchenquelle, die Elektronen abgeben kann oder umgebendes Gas ionisieren kann und eine Oberflächen-Ionisierung bei niedrigen Temperaturen bewirken kann, oder sie bestehen am häufigsten aus einer Nadel, die mit einem flüssigen Metall oder einer Legierung benetzt ist, die das gewünschte Ion enthält. Manchmal wird eine einzige Linse verwendet, um ein Bild des sehr kleinen Ausgabebereichs der Quelle herzustellen. [R. L. Seliger, J. W. Ward, V. Wang und R. L. Kubena, Applied Physics Letters 34 (1979) 210] Höhere Intensitäten werden durch die Verwendung einer Sammellinse oder einer Mehrzahl an Sammellinsen in der Nähe der Quelle erzielt. Wenn verschiedene Linsen verwendet werden, kann ein Zwischenbild der Quelle erstellt werden; und wenn das Zwischenbild in die Mitte eines ionen-optischen Bauteils gestellt wird, wie ein Beschleunigungsspalt [V. Wang, J. W. Ward und R. L. Seliger, Journal of Vacuum Science and Technology 19 (1981) 1158] oder ein Wien'scher Filter [N. Anazawa, R. Aihara, E. Ban und M. Okunuki, „Ion Optical System for Maskless Ion Implantation with 100 nm Resolution" in Electron-Beam Techniques for Submicron Lithographies II, P. b. Blair, Editor, Proceedings SPIE 393 (1983) xxx], wird die durch das Bauteil verursachte Aberration stark reduziert. Die Möglichkeit der Fokussierung aller Systeme, die elektrostatische Linsen verwenden, ist allerdings durch die chromatische Aberration dieser Linsen in Verbindung mit der unvermeidlichen Energiestreuung der Ionen, die aus der Ionenquelle austreten, eingeschränkt. Die Gesamtbreite d des Endbrennpunkts ist durch die Formeln des Typs d = C a dE/E, d = C b dE/E angegeben, wobei dE die Energiestreuung um die zentrale Energie E des Ions bezeichnet, a und b die Gesamtwinkel der Konvergenz am Endbrennpunkt der beiden Hauptabschnitte der Säule sind, und C ein chromatischer Aberrationskoeffizient ist. Die chromatische Aberration unterscheidet sich von anderen Aberrationen durch ihre Abhängigkeit erster Ordnung von a. Beispielsweise kann die sphärische Aberration einer runden Linse um a³ variieren. Dadurch sind chromatische Aberrationen erster Ordnung bei kleinen Linsenaperturen, in denen der Raum sehr klein geworden ist, beträchtlich und sphärische Aberrationen dritter Ordnung überwiegen bei einigen großen a-Werten.
Die ungenügende Fähigkeit elektrostatischer Systeme zur Fokussierung verursacht Einschränkungen bei ionenoptischen Geräten, die seit langem im Stand der Technik als Schwierigkeiten bekannt sind. Die Stromdichte ist von äußerster Wichtigkeit bei Anwendungen wie der Mikrofabrikation. Der Strom einer Flüssigmetall-Ionenquelle wird mit x = B asbs r2 angegeben, wobei typische Werte für Helligkeit B = 10⁶ A/sr-cm² sind, die Emissionswinkel a_s, b_s = 400 Milliradian betragen und der effektive Quellenradius kleiner als r = 100 Angstroem ist. Da die effektive Quelle so klein ist, wird die Strahlgröße in d statt durch das geometrische Bild der Quelle angegeben. Entsprechend wird die Stromdichte J mit J = I/d2 = B(asbs/ab)(rE/C dE)2 angegeben.
Da die Menge E/C in elektrostatischen Linsen in etwa konstant ist, wurde festgestellt, dass „die maximale aus 1 A/cm² erhaltene Stromdichte sich in naher Zukunft nicht gravierend erhöhen wird". [A. Wagner, „Applications of Focused Ion Beams to Microlithography", Solid State Technology, (May 1983) 97] Selbst komplizierte elektrostatische Linsen, die vier Elektroden enthalten, erreichen maximal 10 A/cm². [K. Kurihara, Journal of Vacuum Science and Technology B3–1 (1985) 43] Um diese seit langem bestehende Schwierigkeit zu beseitigen, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Erhöhung der Stromdichte, indem chromatische Linsen verwendet werden, in denen C = 0 ist.
Wenn eine größere Objektebene abgedeckt werden soll, wie bei einer maskenlosen Ionenimplantation zur Herstellung von anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen, gewinnt eher der Strom als die Stromdichte an Bedeutung. Bei einem Strom von 1 nA beträgt die Zeit, einen 4-Zoll-Wafer in einem Einzellinsensystem mit einer Dosis von 10¹³ Ionen/cm² zu beschreiben, etwa eine Stunde. Der schwache Strom ist bei diesen Geräten ein Problem. [B. W. Ward, N. P. Economu, D. C. Shaver, J. E. Ivory, M. L. Ward und L. A. Stern, "Microcircuit Modification Using Focused Iond Beams", in Electron-Beam, X-Ray, and Ion-Beam Technology: Submicrometer Lithographies VII", A. W. Yanof, editor, Proceedings SPIE 923 (1988) 97]. Stärkerer Strom kann in einem System mit einer Mehrzahl an Linsen erzielt werden, die einen Betrieb mit größeren a und b – Werten ermöglichen. Derartige vergrößerte Winkel führen allerdings zu Aberrationen, die den fokussierten Strahl breiter als die gewünschte Merkmalsgröße werden lassen. Bei einem Winkel, der kleiner als der Krümmungswinkel ist, bei dem chromatische und andere Aberrationen gleich sind, erzeugt das Beheben von chromatischen Aberrationen in fokussierten Strahlen jeglicher Größe einen größeren Betriebswinkel und einen stärkeren Strom. Entsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Herstellung stärkerer Ströme und die Ermöglichung einer Mikroproduktion mit größeren Schreibgeschwindigkeiten, indem achromatische Gesamtsysteme verwendet wird, in denen C = 0 ist.
Ionenstrahlsäulen, die eine Flüssigmetall-Ionenquelle und eine Mehrzahl an elektrostatischen Linsen umfassen, können keine dünn fokussierten Strahlen einer Spotgröße herstellen, die so klein wie das Bild der Ionenquelle ist. Stattdessen erzeugt die Energiestreuung der von der Quelle emittierten Ionen in der Brennweite einen Streuungsbereich, der das Bild vergrößert und unscharf werden lässt. Eine chromatische Aberration dieser Art ist eine Eigenschaft aller elektrostatischen und rein magnetischen Linsen. Die neue erfindungsgemäße Säule verwendet eine Sammel linse und ein Dublett verschachtelter Quadrupollinsen und wird allgemein in Anspruch 12 der beigefügten Patentansprüche definiert. Durch Einstellung des Verhältnisses von elektrischen zu magnetischen Feldern können die verschachtelten Linsen achromatisch gemacht werden, wodurch sich die chromatische Aberration der Säule gravierend verringert oder in den Bereich negativer chromatischer Aberration gebracht wird, wodurch die chromatische Aberration der Säule völlig eliminiert wird. Diese Betriebsverfahren werden in allgemeiner Weise in den Ansprüchen 1 und 3 der beigefügten Patentansprüche definiert.
Eine Massentrennungs-Ionenstrahlsäule, die mit einer Flüssiglegierungs-Ionenquelle erzeugte unerwünschte Ionen entfernt, was auf dem Gebiet der Ionenimplantation nützlich ist, umfasst eine derartige Säule mit einem Wien'schen Geschwindigkeitsfilter, der sich hinter der Ionenquelle befindet. Eine derartige Säule kann kurz und ungebogen sein, kann aber auch Ionen einer einzelnen Atomzahl im Endbrennpunkt herstellen.
Durch die Eliminierung der chromatischen Aberration können auch größere Aperturen innerhalb der Linsen verwendet werden, so dass bei einer vorgegebenen Spotgröße fokussierter Strahlen ein stärkerer Strahlenstrom erzeugt wird. Die Größe der Aperturen wird dann durch Aberrationen höherer Ordnung statt durch chromatische Aberration erster Ordnung begrenzt.
1 zeigt eine achromatische Ionenstrahlsäule im Querschnitt. 2 zeigt eine verschachtelte Quadrupollinse im Querschnitt. Die 3-7 stellen Diagramme achromatischer Säulen dar, in denen typische Strahlen in den zwei Hauptabschnitten des optischen Systems gezeigt werden. 3 stellt eine Säule dar, die eine inaktive Sammellinse und im Wesentlichen achromatische verschachtelte Linsen enthält. In den 4-7 wird negative chromatische Aberration in den verschachtelten Linsen verwendet, um die chromatische Aberration der anderen Linsen in der Säule zu korrigieren. In 4 führt die Sammellinse die Ionen in einem parallelen Strahl zusammen. In 5 führt die Sammellinse die Ionen über Kreuz. 6 zeigt eine Massentrennung 15 der achromatischen Ionenstrahlsäule und 7 zeigt ein massentrennendes achromatisches System zur Bildung dünn fokussierter Strahlen bei höheren Energien als die, die mit einer Zwei-Linsen-Säule erreichbar sind.
Die Flüssigmetall-Ionenquelle 1 der Ionenstrahlsäule wird gewöhnlich auf viele Kilovolt negativer Spannung relativ zu einer nahegelegenen Absaugelektrode 8 eingestellt, die normalerweise aus einer flachen Oberfläche mit einem durchgebohrten Loch besteht, durch das der Ionenstrahl hindurchlaufen kann. Wie in der Ionen- und Elektronenoptik wohlbekannt, wird hierdurch eine „Aperturlinse" gebildet, die als Streulinse wirkt. Eine am Port 7 befestigte Ionenpumpe stellt in der Nähe der Ionenquelle ein Vakuum von 10^–5 Torr her.
Hinter der Absaugelektrode befindet sich ein Sammellinsen-System 2, das, wenn es richtig eingestellt ist, die Ionen in einen parallelen Strahl bündeln kann. Die Verwendung kann auf eine einzelne Sammellinse beschränkt werden, da aber das Absaugen von Ionen nur in einem engen Spannungsbereich gut abläuft und die Fokussierung des einzigen Spalts ebenfalls eine feste Spannung benötigt, ist die Ausgangsenergie im Wesentlichen festgelegt. Deshalb ist ein Zwei-Linsen-Sammelsystem nützlich für die Bereitstellung variabler Ionenenergie. Die Elektroden 8, 9, 10 bilden eine solches Sammellinsensystem, in dem die Spalte 5, 6 zwischen den drei Elektroden zwei runde elektrostatische Linsen bilden. Die Ionenquelle und die Elektroden werden durch Hochspannungsstrom, der auf aus dem Stand der Technik bekannte Weise zugeführt wird, auf dem benötigten Spannungsniveau gehalten.
Ionen, die aus der Sammellinse 2 austreten, gehen durch einen Triftraum 3 und dringen in ein verschachteltes Quadrupollinsensystern 4 ein. Im Triftraum befinden sich mehrpolige Deflektoren 11, 13, die die Ionen in eine Ebene in beliebigem Azimut bezogen auf die Strahlenachse ablenken können, und eine die Apertur bestimmende Anordnung 12, die aus vier unabhängigen, sich nicht beeinflussenden Flügeln zusammengesetzt ist, von denen nur einer zur Verdeutlichung dargestellt ist.
Wie in 2 dargestellt, enthalten die verschachtelten Quadrupollinsen 8 Pole, deren Zentren gleichmäßig azimutal in Strahlenrichtung beabstandet sind. Die Pole sind abwechselnd magnetische Pole 17 und elektrische Pole 18, wodurch sie eine elektrische Quadrupollinse und eine magnetische Quadrupollinse bilden. Die Beabstandung der Pole um 45 Grad bewirkt, dass die Kraftfelder der Quadrupole der beiden Linsen gemeinsame Hauptabschnitte aufweisen, während die Position der Zentren in einer einzigen Ebene bewirkt, dass die Linsen gemeinsame Hauptebenen aufweisen.
In der bevorzugten Ausführung sind die aus ferromagnetischem Material mit umgebenden Windungen 19 bestehenden Pole 17 starr mit Abstandshaltern 20 aus Keramik verbunden, die wiederum dazu dienen, die diamagnetischen Elektroden 18 zu tragen. Der Aufbau bildet somit zwei einander nicht beeinträchtigende, ineinander sitzende Quadrupole, die beide den breiten Polspitzen-Radius aufweisen können, der nötig ist, um ein nahezu perfektes Quadrupolfeld zu bilden. Käfigläuferkonstruktionen weisen engere Polspitzen auf und erzeugen zwangsläufig unerwünschte Mehrpol-Feldkomponenten, wenn eine Quadrupolspannung angelegt wird.
Verschachtelte Linsen können verwendet werden, um ein einzelnes Quadrupol-Kraftfeld zu bilden, das ein einstellbares Verhältnis von elektrischer Kraft zu magnetischer Kraft aufweist. Das Kräfteverhältnis R wird durch Messung der Elektrodenspannung und des Wicklungsstroms bestimmt und durch Formeln, die die magnetische Feldstärke und die elektrische Feldstärke zu derartigen Messungen in ein Verhältnis setzen, mit Methoden, die in Fachkreisen wohlbekannt sind. [S. Ya. Yavor, A. D. Dymnikov und L. P. Ovsyannikova, Nuclear Instruments and Methods, 26 (1964) 13–17; F. W. Martin und R. Goloskie, Applied Physics Letters 40 (1982) 191; F. L. Martin und R. Goloskie, Nuclear Instruments and Methods, B104 (1995) 95]
Wenn die elektrische Kraft so eingestellt ist, dass sie halb so groß wie die magnetische Kraft ist und in Umkehrrichtung verläuft, so dass R = –0,5 ist, wird die verschachtelte Linsen achromatisch ersten Grades in E. Dies bedeutet, dass ein Punktobjekt auf einen Spot abgebildet wird, der eine Breite in einem Hauptabschnitt gemäß der Formel d = C1 a dE/E + C2 a (dE/E)2 aufweist, wobei C₁ = 0 ist.
Wird die elektrische Kraft weiter verstärkt, ohne die Stärke der magnetischen Kraft zu übersteigen, wird die verschachtelte Linse zu einer chromatischen Sammellinse mit negativem Wert C, (V. M. Kelman und S. Ya. Yavor, Zuhrnal Tekhnicheskoi Fiziki 33 (1963) 368). Unter anderen Kräfteverhältnissen verhält sie sich wie eine normale Linse, die einen positiven Wert für C₁ aufweist.
Die einfachste Linsenanordnung, die in beiden Hauptbereichen fokussieren kann, ist ein Dublettsystem. Die obere verschachtelte Linse 14 und die untere verschachtelte Linse 16 bilden ein solches Dublett. Der Abstandshalter 15 dient dazu, den Abstand der Linsen einzustellen. Ein System aus zwei Linsen weist stets eine einzige Achse auf, die durch die Mitte der beiden Linsen festgelegt ist, und bedarf nur der Winkeleinstellung des Dubletts als Ganzem im Verhältnis zum Eingangsstrahl, um richtig zu funktionieren. Das Dublett weist eine Vergrößerung auf, die in den beiden Hauptabschnitten unterschiedlich ist, und dient deshalb dazu, einen fokussierten Strahl herzustellen, der zwei verschiedene Breiten hat, die beide klein sind.
Wie aus 3 zu ersehen ist, ergibt sich, wenn alle Elektroden der Sammellinse auf gleiche Spannung eingestellt sind, keine Fokussierung und somit wird keine chromatische Aberration erzeugt. Die Funktionselemente bestehen aus der Ionenquelle 1 und der Absaugelektrode 8 und dem Dublettsystem 4 aus verschachtelten Quadrupollinsen. Wenn die verschachtelten Quadrupollinsen auf den achromatischen Betriebspunkt eingestellt sind, wird keine chromatische Aberration durch die fokussierende Linse am Ende der optischen Säule bewirkt. Der Brennpunkt ist entsprechend kleiner als bei einem System ähnlicher Ausmaße, das aus einer Ionenquelle, Absaugelektrode und einer elektrostatischen Linse besteht, wenn beide Systeme mit gleicher Strahlbreite betrieben werden. Diese Breite wird durch die einstellbare Apertur 12 festgelegt. Die Breite kann so vergrößert werden, dass die Säule, die die verschachtelten Linsen enthält, mehr Strom erzeugt als eine, die eine elektrostatische Linse enthält, wenn die Brennpunkte die gleiche Größe aufweisen.
Wie in 4 dargestellt können mehr Ionen aus der Quelle in die verschachtelte Linse 4 geleitet werden, wenn die Elektroden der Sammellinsen auf geeignete Spannungen eingestellt sind. Der größte Anteil des Stroms aus einer Flüssigmetall-Ionenquelle fließt innerhalb eines halben Winkels von etwa 14 Grad. Wenn der Abstand von der Quelle zum ersten Linsenspalt 9 mm beträgt, bildet sich ein paralleler Strahl von etwa 5 mm Gesamtbreite, vorausgesetzt die erste Linse besitzt einen Durchmesser ausreichender Größe.
Die vergrößerten Winkel a_s und b_s, die möglich sind, bewirken eine verstärkte chromatische Aberration in der Sammellinse. Um die positive chromatische Aberration zu eliminieren, wird das Dublett aus verschach telten Linsen so eingestellt, dass eine genau kompensierende, negative chromatische Aberration erzeugt wird, was durch die Unempfindlichkeit der Spotgröße gegenüber der Ionenenergie E bei kleinen Einstellungen der winkelbestimmenden Apertur 12 bestimmt wird. Eine solche Einstellung kompensiert alle Quellen positiver chromatischer Aberration erster Ordnung, einschließlich der Aperturlinse, die durch das Loch in der Beschleunigungselektrode und dem Beschleunigungsfeld im Spalt zwischen der Quelle und dem Absauger gebildet wird. Die Apertur kann dann bis zu dem Punkt geöffnet werden, an dem die restliche Aberration höherer Ordnung bewirkt, dass der fokussierte Strahl einen bestimmten Spotdurchmesser erreicht. Dadurch wird der in den fokussierten Spot fließende Strom verstärkt, im Vergleich zu einem System, das kein verschachteltes Quadrupollinsensystem zur Aufhebung chromatischer Aberrationen aufweist.
Es ist nicht sofort ersichtlich, dass verschachtelte Linsen, die zwei unabhängige Hauptabschnitte aufweisen, so angepasst werden können, dass die chromatische Aberration einer runden Linse kompensiert wird. Eine einzelne verschachtelte Linse kann dies nicht, da sie Aberrationen entgegengesetzten Vorzeichens in den beiden Hauptabschnitten erzeugt. Allerdings bringen zwei verschachtelte Linsen zwei Variable ein, und die simultanen linearen Gleichungen für die Aberrationen in den beiden Hauptabschnitten können gelöst werden, wenn die Dimensionen des Systems gegeben sind. In der Geometrie paralleler Strahlen aus 4 müssen die Koeffizienten C_x, C_y der beiden verschachtelten Linsen die Formel Cx/fx 2 = Cy/fY 2 = –C/h2 erfüllen, wobei f_x, f_y die Brennweiten des Dubletts 4 darstellen und h, C die Brennweite und den chromatischen Aberrationskoeffizienten der runden Linse 2 darstellen. Bei der Annäherung dünner Linsen werden die Koeffizienten C_yu, C_xd in den gebündelten Hauptabschnitten der einzelnen oberen und unteren Linsen des Dubletts mit Cyd/fu = –(1 + 2s/v)vC/2h2, Cxd/fd = –vC/2h2, angegeben, wobei v der Bildabstand der unteren Linse ist, die Koeffizienten des Streuabschnitts werden mit Cxu = –Cyu, Cyd = –Cxd angegeben und s ist der Abstand der Linsen. Unterschiedliche Formeln sind anzuwenden, wenn der Strahl nicht parallel ist. Die Koeffizienten dünner Linsen weisen ihrerseits die Formeln Cyu/fu = (2Ru + 1)/(2Ru + 2), Cxd/fd = (2Rd + 1)/(2Rd + 2), auf, so dass das Verhältnis von elektrischer zu magnetischer Kraft R_u, R_d errechnet werden kann, wenn die Abmessungen s, v der verschachtelten Linsen und die Parameter C, h der Sammellinse gegeben sind. Bei optimalem Betrieb wird eine aus dem Stand der Technik bekannte Stromquelle verwendet, in der die elektrischen und magnetischen Abschnitte der verschachtelten Linse in ihrer Größe unterschiedlich sind, wodurch f variabel ist und R gleich bleibt. R_u und R_d werden auf Werte eingestellt, die für C, h der Linse berechnet wurden, die kompensiert werden soll. Den Brennpunkt erhält man dann durch die Abänderung von f_u, f_d der beiden Linsen des Quadrupol-Dubletts gemäß aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren.
Die Messung submikroskopischer Strahlengrößen kann mit der Verwendung von Deflektoren 11, 13 oder einem Deflektor hinter der Linse 4 vorgenommen werden. Die Breite kann aus der Ablenkung bestimmt werden, die nötig ist, um den fokussierten Strahl über eine Messerklinge zu leiten. Ein Verfahren zur Vermeidung von Beschädigungen der Kante durch Ionenstrahl-Sputtern besteht darin, die elektrische Ladung zu messen, die nötig ist, einen gerasterten Bereich einer dünnen Probe mittels Mikromaterialbearbeitung zu entfernen, wenn der Abstand der Linien im Raster kleiner ist als die Strahlenbreite. Ein drittes Verfahren herkömmlicher Art, das keine Testproben im Submikronbereich verlangt, ist die Messung von d als einer Funktion von a. Wenn ein einzelner Strahl durch die Verkleinerung der Apertur 12 erzeugt wird, bewirken gleiche und entgegengesetzte Einstellungen der Reflektoren 11 und 13, dass der Strahl in die Apertur der verschachtelten Linsen weit außerhalb der Achse eintritt, und entsprechend einen großen a-Wert aufweist. Wenn die verschachtelte Linse ungenau eingestellt ist, werden große und einfach zu messende Aberrationen d hervorgerufen. Das berechnete Verhältnis von magnetischen zu elektrischen Feldern in der verschachtelten Linse kann dann justiert werden, um eine minimale chromatische Aberration des Strahls statt einer minimalen Spotgröße zu erzeugen.
Systeme, die aus einer Mehrzahl verschachtelter Linsen bestehen, können so gestaltet werden, dass die Vergrößerung in den beiden Hauptabschnitten gleich ist. Das einfachste derartige System ist der Triplett. [L. R. Harriott, W. L. Brown und D. L. Barr, J. Vac. Sci. Tech. B8 (1990) 1706] Tripletts sind mit dem Nachteil behaftet, äußerst kompliziert in der Handhabung zu sein und beträchtlichen feinmechanischen Produktionsaufwand zu erfordern, was nötig ist, um sicherzustellen, dass die Zentren der drei Linsen auf einer geraden Linie liegen.
Die Säule muss nicht unbedingt mit einem parallelen Strahl arbeiten. Die Sammellinse bildet im Allgemeinen ein Zwischenbild der Ionenquelle, das irgendwo entlang der Achse der Säule liegen kann, sowie auch vor der Ionenquelle oder hinter der Bildebene am Ende. Die Säule bildet demnach eine sogenannte Zoom-Linse, in der die kleinste Größe des Bildes (die alleine durch die Vergrößerung bestimmt wird, ohne Anrechnung jeglicher Aberration) variiert, wenn die Stellung des Zwischenbildes verändert wird. Wie in 5 dargestellt, kann sich das Zwischenbild 21 zwischen der Sammellinse und der nächsten Linse befinden, wobei dann der Strahl gespiegelt wird, da Strahlen von der Peripherie des Strahls die Achse des Systems kreuzen.
Ionenquellen aus Flüssiglegierungen liefern verschiedene Ionenarten gleichzeitig und bedürfen einer Massenanalyse, um einen fokussierten Strahl einer einzigen Ionenart zu erzeugen. Ein Wien'scher Geschwindigkeitsfilter 22, der zwischen die Sammellinse und die nächstfolgende Linse gestellt wird, wie in 6 dargestellt, lenkt unerwünschte Ionenarten von der Strahlenachse ab und ermöglicht somit nur den Ionen mit einem vorgegebenen Verhältnis von Ladung zu Masse, zu fließen, ohne abgelenkt zu werden. Obwohl eine derartige Ablenkung bei Zwischenbildern an beliebiger Stelle geschehen kann und divergierende, parallele oder konvergierende Strahlen erzeugt, die aus der Sammellinse austreten, arbeitet die Säule am besten, wenn die Überkreuzung 21 in der Mitte des Wien'schen Filters 22 erfolgt, so dass chromatische Aberrationen, die durch den Filter entstehen, vermieden werden.
Ionen, die weit genug abgelenkt werden, so dass sie nicht mehr durch die Apertur der verschachtelten Linsen hindurchgehen können, werden von dem entstehenden Bild völlig entfernt. Obwohl derartige Systeme nicht unbedingt eng beabstandete Isotope eines vorgegebenen Elements, wie z. B. Gallium (Masse 69,71), trennen, sind sie für die Trennung weit beabstandeter Ionenarten nützlich, die durch Ionenquellen auf Legierungsbasis erstellt werden. Beispielsweise erzeugt die Legierung Ni₄B₆ Ni⁺²(Ladung pro Masse 30, 32-prozentige Ausbeute) und das wirtschaft lich bedeutsame B⁺¹ (Ladung pro Masse 10 oder 11, 33-prozentige Ausbeute). Das System, das eine elektrostatische Sammellinse und ein verschachteltes Quadrupol-Dublett umfasst, ist somit für die Bildung eines Endbildes 23 aus Ionen einer einzelnen Atomzahl für Anwendungen der Mikrofabrikation und Ionenimplantierung geeignet.
Im Allgemeinen müssen Massenanalysen bei niedrigem E durchgeführt werden, weil die Kombination aus massiven Ionen und hohen Energien Magnetfelder einer Größe erfordert, die mit luftgekühlten Elektromagneten nicht bereitgestellt werden können. Wenn Massenanalysen bei hohen Energien durchgeführt werden, werden Dipol-Biegemagnete benötigt, die den Strahl in eine Biegung mit großem Radius ablenken [Martin US-Patentschrift 4,555,666]. Ionenimplantationen in Halbleitern erfordern jedoch Energien von 300 kV oder mehr, um Bereiche zu dotieren, die Bruchteile eines Mikrons tief sind. Wie in 7 dargestellt, bewirken eine Hochspannungsquelle 24, eine Steuerungselektronik 25 und ein Beschleunigungsspalt 26 eine Vergrößerung der Strahlenenergie, während eine Objektivlinse 27 die Ionen in ein Hochenergieendbild 28 fokussiert.
Wenn das zweite Zwischenbild 23 in den Beschleunigungsspalt gestellt wird, wie in 7 dargestellt, werden vom Spalt erzeugte Aberrationen minimiert. Die Objektivlinse 27 kann eine beliebige Linse sein, einschließlich einer runden elektrostatischen oder magnetischen, elektrischen, magnetischen oder verschachtelten Quadrupollinse. Das Verhältnis von elektrischen zu magnetischen Feldern des Linsensystems 4 der verschachtelten Quadrupollinsen 14, 16 wird so eingestellt, dass ein Minimum an Spotgröße bei kleinen Winkeln a, b bei der Mehrzahl der Linsen entsteht, und nutzt dabei seine negative chromatische Aberration, um die positive chromatische Aberration aller anderen ionenoptischen Komponenten zu kompensieren. Wenn die chromatische Aberration hierdurch minimiert ist, können die die Winkel bestimmenden Aperturen geöffnet werden, bis Aberrationen höherer Ordnung die Spotgröße vergrößern.
Die Säule, die eine Ionenquelle 1, eine Sammellinse 2, ein verschachteltes Quadrupolsystem 4, einen Beschleunigungsspalt 26 und eine Objektivlinse 27 umfasst, dient somit dazu, einen erhöhten Ionenstrom im letzten fokussierten Spot vorgegebener Größe zu erzeugen.
Die nützlichste Anordnung umfasst bei niedriger Energie ein verschachteltes Quadrupollinsensystem 4. Da die elektrischen und magnetischen Kräfte in einer solchen Linse entgegengesetzt gerichtet sind, benötigen sie eine höhere Feldstärke als eine einzelne Linse, um die gleiche fokussierende Kraft zu entfalten. Dieses Problem wird verringert, wenn eine verschachtelte Linse mit Teilchen geringer Energie betrieben wird oder sie eine kleine Bohrung aufweist. Ein nützliches System erhält man, wenn die Objektivlinse 27 ein magnetisches Quadrupol-Dublett ist, während die zweite Linse 4 eine verschachtelte Linse ist, die der Erzeugung einer negativen chromatischen Aberration dient. In diesem System kann die Objektivlinse 27 verwendet werden, um die ungleichen Vergrößerungen, die durch die zweite Linse 4 entstehen, auszugleichen und gleicht dadurch die Vergrößerung des Systems in den beiden Hauptbereichen an. Ein weiteres nützliches System erhält man, wenn die zweite Linse 4 eine große elektrostatische Linse und die Objektivlinse 27 ein verschachteltes System aus einer kleinen Bohrung und kurzer Brennweite ist, die der Erzeugung negativer chromatischer Aberration dient.
Die wesentliche Eigenschaft dieser Teilchenstrahlsäulen ist die Bereitstellung einer Mehrzahl an verschachtelten Quadrupollinsen, die zusammengenommen eine negative chromatische Aberration aufweisen und die dem Ausgleich der positiven chromatischen Aberration der anderen Komponenten der Säule dienen.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer optischen Teilchensäule zur Erzeugung eines dünn fokussierten Teilchenstrahls, wobei die Säule umfasst: – eine nadelartige Quelle (1), – ein Kondensorsystem (2), welches eine Absaugelektrode (8) enthält, und – eine Vielzahl an Linsen, umfassend ein verschachteltes elektrisches und magnetisches Quadrupollinsensystem (4), wobei es sich bei jeder verschachtelten Linse um eine achtpolige Linse handelt, welche abwechselnd elektrische und magnetische Pole aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Quadrupollinsensystem (4) jede verschachtelte Linse des Systems bei einem kritischen Verhältnis von elektrischen zu magnetischen Feldern betrieben wird, derart, dass die negative chromatische Aberration des Systems der verschachtelten Linsen genau die positive chromatische Aberration aller anderen optischen Teilchenkomponenten gleichzeitig in beiden Hauptebenen aufhebt und der Spotdurchmesser im Wesentlichen unabhängig von kleinen Änderungen der Teilchenenergie ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Vielzahl an Linsen um ein Dublett dieser Linsen handelt.
Verfahren zum Betreiben einer optischen Teilchensäule zur Erzeugung eines dünn fokussierten Teilchenstrahls, wobei die Säule umfasst: – eine nadelartige Quelle (1), – ein Kondensorsystem (2), welches eine Absaugelektrode (8) beinhaltet, – und ein Linsensystem (4), welches aus einem Dublett von verschachtelten Quadrupollinsen (14, 16) besteht, wobei es sich bei jeder verschachtelten Linse um eine achtpolige Linse handelt, welche abwechselnd elektrische und magnetische Pole aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Quadrupollinsen-Dublett (14, 16) jede verschachtelte Linse bei einem kritischen Verhältnis von elektrischen zu magnetischen Feldern betrieben wird, derart, dass keine chromatische Aberration zu irgendeiner positiven chromatischen Aberration, welche von der nadelartigen Teilchenquelle und der Absaugelektrode erzeugt wurde, hinzugefügt wird, und die Energieabhängigkeit des Spotdurchmessers verglichen mit einer Säule, welche zur Erzeugung des dünnen Strahls lediglich elektrostatische Linsen verwendet, reduziert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Ausbildung eines dünn fokussierten Teilchenstrahls bei einem Mikrofabrikationsverfahren.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei es sich dem Mikrofabrikationsverfahren um Ionenimplantation in Halbleitern handelt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Mikrofabrikationsverfahren um eine Mikromaterialbearbeitung handelt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Mikrofabrikationsverfahren um Ionenstrahllithographie handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Ausbildung eines dünn fokussierten Teilchenstrahls bei einem Mikroanalyseverfahren.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem Mikroanalyseverfahren um Sekundärionenmikroskopie handelt.
Verfahren zur Mikrofabrikation, bei welchem ein dünn fokussierter Teilchenstrahl ein zur Mikrofabrikation bestimmtes Material beaufschlagt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Teilchenstrahl mithilfe eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erzeugt wird.
Verfahren zur Mikroanalyse, bei welchem ein dünn fokussierter Teilchenstrahl ein zur Mikroanalyse bestimmtes Material beaufschlagt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Teilchenstrahl mithilfe eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 8 und 9 erzeugt wird.
Optische Teilchensäule zur Erzeugung eines dünn fokussierten Teilchenstrahls, umfassend eine nadelartige Quelle (1), eine Absaugelektrode (8), und ein Linsensystem (4) bestehend aus einem Dublett von verschachtelten Quadrupollinsen (14, 16), wobei es sich bei jeder verschachtelten Linse um eine achtpolige Linse handelt, welche abwechselnd elektrische und magnetische Pole aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensorsystem (2) vorgesehen ist, welches die Absaugelektrode (8) enthält, und dass des weiteren Vorrichtungen vorgesehen sind zur (i) Kontrolle des Verhältnisses von elektrischen zu magnetischen Feldern in dem Dublett der verschachtelten Quadrupollinsen (14, 16) derart, dass die negative chromatische Aberration des Dubletts der verschachtelten Linsen genau die positive chromatische Aberration aller anderen optischen Teilchenkomponenten gleichzeitig in beiden Hauptebenen aufhebt, und der Spotdurchmesser im Wesentlichen unabhängig von kleinen Änderungen der Teilchenenergie ist, oder (ii) zur Kontrolle des Verhältnisses von elektrischen zu magnetischen Feldern innerhalb des Dubletts der verschachtelten Quadrupollinsen (14, 16) derart, dass keine chromatische Aberration zu irgendeiner positiven chromatischen Aberration hinzugefügt wird, welche von der nadelartigen Teilchenquelle und der Absaugelektrode erzeugt wird, und die Energieabhängigkeit des Spotdurchmessers verglichen mit einer Säule, welche zur Erzeugung des dünnen Stahls lediglich elektrostatische Linsen verwendet, reduziert ist.
Eine optische Teilchensäule nach Anspruch 12, welche des weiteren eine eine Apertur definierende Vorrichtung (12) zur Kontrolle der Strahlbreite umfasst.
Eine optische Teilchensäule nach Anspruch 13, wobei die die Apertur definierende Vorrichtung (12) regelbar ausgestaltet ist, um die Strahlweite zu variieren.
Eine optische Teilchensäule nach einem der Ansprüche 12 bis 14, des weiteren umfassend einen Wien'schen Geschwindigkeitsfilter (22), welcher zwischen der Ionenquelle (1) und den verschachtelten Quadrupollinsen (14, 16) angeordnet ist und dazu dient, einen dünn fokussierten Strahl von Teilchen einer einzigen Masse zu erzeugen.
Verfahren zur Mikrofabrikation, bei welchem ein dünn fokussierter Teilchenstrahl ein zur Mikrofabrikation bestimmtes Material beaufschlagen soll, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Teilchenstrahl mithilfe einer optischen Teilchensäule nach einem der Ansprüche 12 bis 15 erzeugt wird.
Verfahren zur Mikroanalyse, bei der ein dünn fokussierter Teilchenstrahl ein zur Mikroanalyse bestimmtes Material beaufschlagt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Teilchenstrahl mithilfe einer optischen Teilchensäule nach einem der Ansprüche 12 bis 15 erzeugt wird.