JPH10506225A - 粒子ビーム色収差補正コラム - Google Patents

粒子ビーム色収差補正コラム

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Abstract

(57)【要約】 液体金属イオン源の様な針型イオン源(1)一個又はそれ以上の円型レンズ(2)、複数のインターリーブ四極レンズ(14、16)からなる粒子ビームコラム。液体合金からなるイオンビームコラム(1)、インターリーブ四極レンズ(14、16)、およびヴィーン粒子速度フィルター(22)。このようなコラムは、静電気レンズのみによるコラムよりもっと細〈焦点を結んだビームを作り、より大きいレンズアペチャーとより高い粒子電流が許容される。

Description

【発明の詳細な説明】 粒子ビーム色収差補正コラム 米国政府は本発明の支払い済みのライセンスを所有し、限られた状況にお いてThe National Science Foundationから与えられた補助金(ISI85 21 28 0号)の条件により特許権者に合理的な約定で他にライセンスを与える事を命令 する権利を有する。 10 本発明の技術分野 本発明は精細に集束されたイオンビームを生成するための機器に、一般に 半導体のイオン注入、材料のミクロ機械加工、イオンビーム石版術、及び二次イ オン顕微鏡検査などのミクロ工製作及び微量分析の分野でに使われているところ の、イオン光学の分野に関するものである。 本発明に関する過去の技術。 20 従来の技術では精細なビームを生成するために使用される装置は普通、電 子を放射するか、あるいは周囲のガスのイオン化現象を含む針状粒子源から成り 立っているか低温度での表面イオン化現象を含むか、又は、目的とするイオンを 含む液体金属か液体合金で濡れている針型からなりたっているのが最も一般的で ある。 25 ある場合に於いては粒子源の非常に小さい放射部分の像を生成するのに単 一レンズが用いられる。より高い強度は集束レンズを粒子源近くで使うか、ある いは複 30 数の集束レンズを使うことで得られる。数個のレンズが使われる時は粒子 源の中間像をつくることが出来る。そしてもしその中間像が、加速ギャップかヴ ィーンフィルターなどの様なイオン光学部品の中央におかれると、その部品で発 生した収差が大幅に減少される。しかし、静電レンズを利用した全ての方式の集 束能力は、 35 イオン源から発生するイオンの避け難いエネルギーの分布の拡散とあいま ってこれらのレンズの色収差によって限定される。 最後の焦点像の全幅dは d=cadE/E 5 型の式で与えられる。ここでdEはイオンのエネルギーEの中央値のまわ りに分布するエネルギー、aは最後の焦点での全収斂角、そしてcは色収差係数で 10 ある。色収差は、一次的収差がaに依存する点が他の収差と異なる。例え ば円型レンズの球面収差はa3として変化する。それ故、一次色収差は球面収差が 非常に小さくなる小さなレンズアパーチャにおいて重要であり、aの値が大きい 場合は三次の球面収差が支配する。 15 静電方式の不十分な集束能力は従来の技術で長い間困難な問題であったイ オン光学装置の能力を限定する原因である。ミクロ機械加工の様な応用では、粒 子流密度は最も重要なものである。液体金属イオン源からの電流は 20 I = B asbs r2 で与えられる。典型的な数値は輝度B=106 A/ sr-cm2、放射角as.bs=400ミ リラジアン、そして有効イオン源半径r、rは100オングストロームより小であ る。有効半径が非常に小さいので、ビームの大きさはイオン源の幾何像によるの ではなく、むしろdで与えられる。したがって、電流密度Jは 30 J = I / d2 = B(ab /ab)(rE/C dE)2 で与えられる。E/Cなる量は静電レンズでは大体一定なので「約1A/cm2の最 高電流密度獲得は近い将来において実質的には増えないであろう」と言われて来 た。 四つの電極をもつ複雑な静電レンズでさえも最高10A/cm2を発生する。この長 い 5 間の困難な問題に克つために、本発明の目的はC=0である色消しレンズを 使って電流密度を増大することである。 用途特定の集積回路の製作のためのマスクを使わないイオン注入などの様 な広い試料面積を覆うことが要望されるとき、電流密度よりもむしろ電流の方が 重要になる。10 1nAの電流では、単一レンズ方式放射量1013 ions/cm2で 4インチのウエーハに書く時間は約一時間である。小さな電流ではこのような装 置では困難な問 15 題がある。より大きい電流は複数のレンズの装置で得られ、それでより大 きな値のaとbで操作出来る。しかし、この様な拡大された角度は収差を導入して 、希望した像の大きさよりも集束されたビームを大きくするであろう。色収差と 他の収差 20 が等しくなる交差角度より小さい角度では、色収差の除去はあたえられた どの集束ビームの大きさについてもより大きな作動角度とより大きい電流という 結果になるであろう。したがって、本発明の目的はC=0なる完全な色消し方式 を利用 25 することによって高電流を生成することと、より高い書きだし速度でミク ロ製作が出来る様にすることである。 発明の略解 5 液体金属イオン源と複数の静電気レンズからなるイオンビームコラムはイ オン源の像程は小さい点に焦点を結ぶ細いビームはつくれない。その代わりにイ オン源からでたイオンのエネルギー分布のひろがりは、像をぼかしたり、拡大す るところの焦 10 点距離を様々に変える。このような色収差は全ての静電気と磁気だけによ るレンズの性質である。この問題を除く粒子ビームコラムは、針状イオン源、複 数の静電レンズ、電気的と磁気的インターリーブ四極レンズになるように八極レ ンズである複数のインターリーブ四極レンズの組み合わせからなっている。この 四極レンズは、インターリーブ電気的と磁気的四極レンズが出来るように電極と 磁極が交互に配置された八極 15 子レンズである。電気と磁気との比の加減によってインターリーブレンズ は色消しに出来、それによってコラムの色収差は大いに減少されるか、又は色収 差が 20 マイナスに出来、それによってコラムの色収差は全く除かれる。 液体合金金属イオン源によって出来た不用なイオンを除く質量分離イオン ビームコラムはイオン注入の分野でつかわれているが、このようなコラムに、イ オン源の後に 25 置かれたヴィーン速度フイルターを置いたコラムから成ってる。このよう なコラムは短くて曲線状ではなくともよいが、最後の焦点で単一の原子番号のイ オンを作ることが出来る。 色収差の除去は、ある与えられた焦点でのスポットの大きさに対 して 30 より高いビーム電流が出来るようにレンズ中でより大きなアパーチャを使 うことも許される。それであるからアパーチャの大きさは、一次の色収差よりも むしろ高次の収差によって限定される。 図の略解 第一図は色消しイオンビームコラムの切断面を表わすものである。第二図 はインターリーブ四極レンズの切断面を表わす。 5 第三から第七図は本光学システムのこの二つの主部分の典型的なイオン光 線を示された色消しコラムの図である。第三図は不活性状態の集束レンズと大い に色消し作用をもつインターリーブレンズを含むコラムを表わす。 10 第四から第七図ではインターリーブレンズ中でマイナスの色収差がコラム 中の他のレンズの色収差を補正する為に使われている。第四図では、集束レンズ がイオンを平行ビームに収斂させる。第五図では、集束レンズが、イオンを交差 させる。 15 第六図は質量分離15色消しイオンビームコラムを示し、第七図は二つの レンズコラムで使用出来るエネルギーよりもより高い質量分離エネルギーの精細 に集束されたビームの為の質量分離色消し方式を示す。 20 本発明の実施方法 イオンビームコラムの液体金属イオン源は普通付近の抽出電極8より数キ ロボルトマイナスの電位におかれ、8は典型的にイオンビームを通過させる様に 穴を 25 穿けられた平らな表面である。イオン及び電子光学界で周知の様にこれは 発散レンズとして働く「有孔電極レンズ」を形成する。ポート7に接続されたイ オンポンプはイオン源付近で10-8 Torrの真空を作る為に用意されている。 抽出電極の後には適正に調整されればイオンを平行ビームに収束出 来る集束レンズ装置2がある。単一の集束レンズの使用は出来るが、イオンの抽 出はせ 5 まい電圧の範囲でしか効果的でなく、又単一ギャップの焦点作用には一定電 圧を必要とするので、出力エネルギーは事実上個定される。それ故に可変エネル ギーの供給手段として二つレンズの集束装置が有効である。電極6、7、8(注 )はこの様な集束レンズ装置のひとつを形成し、このうち三電極間のギャップ5 、6は円型静電レンズを形成する。イオン源と電極は従来の技術の周知の方法に よる高電圧電源で必要な電圧に保持されている。 15 集束レンズ2を出たイオンはドリフト空間3を通過し、インターリ ーブ四極レンズ装置4に入る。ドリフト空間には、ビーム方向軸の周囲のどの方 位角にも一平面内のビームを偏向することが出来る多極偏向板11、13が置か れてあり 20 そして独立した相互に抵触しない四枚の羽弁からできたアパーチャを明確 にする組み立て12がこの空間に置かれてある。明確にするためその内の一枚の み図示されている。 第二図で示したごとく、インターリーブ四極レンズはビーム方向に たいしての周囲に等方位角で等間隔に中心を置いた八極を有している。これらの 極は交互に磁極17と電極18であり (訳者注)原文の誤記。本出願人によれば、「6、7、8」は、「8、9、10 」となるべきである。 それによって電気四極レンズと磁気四極レンズとを形成する。極の四十五度の角 間隔は二つのレンズの四極力場が一致する主断面を有する原因となる一方で、単 一平面 5 内にそれらの中心を位置させることは、一致する主平面を有するもととな る。 優先的な異体化方法は巻線19を有する強磁性材料から作られた1 7が陶製スペーサー20に固く接着され、そのスペーサーは又反磁性体電極18 を固定するのに使われる。この様にこの構造は二つの相互に抵触しない入れ子式 の四極子を形成し、これら両方の四極子はほとんど完全な四極子場を得るのに必 要な大きな極先端半径をもつことが出来る。リスカゴ型構造はより小さな先端を 有し四極電圧で励起される時に不要な多極子場を必然的に導入する。 インターリーブレンズは電気力対磁気力の調整可能な比をもつ単一の四極 子力場を利用することが出来る。 20 この力の比は従来の技術の周知の方法にしたがって、極電圧と巻線の電流 を測定することと、磁場の強さの関係を表わす数式で決められる。 25 R=-0.5になる様に電気力が磁気力のマグニチュードの半分 に調整され方向が逆にされる時、インターリーブレンズはEについて一次の色消 しとなる。このことは物点を幅が d=C1adE/E+C2a(dE/E)2 5 の形の主断面を持つ点に結像することを意味し、ここでC1=0である。 もし電気力はもっと増大するが、磁気力より大きくなければ、イン ターリーブレンズはC1の値がマイナスをもつ色収差補正レンズとなる。 10(V.M.Kelman and S.Ya.Yavor,Zuhrnal Tekhnicheskoi Fiziki 33 (1963)368)。他の力の比においては、これはC1の値がプラスの普通レンズとし て働く。 両方の主断面で集束出来る最も簡単なレンズの配置は二重レンズ装 置である。上流のインターリーブレンズ14と下流インターリーブレンズ16は その様な二重レンズを形成する。スペーサー15はこれらのレンズの間隔の調整 に役立つ。二個のレンズからなる装置は 20 その二個のレンズの中心で定められる一つの軸を必ず持ち、適正に作動す る為には流入ビームに対して一体として二重レンズ装置の角度調整だけが必要と なる。二重レンズはそれの二つの主断面で違う倍率を持ち、したがって二つの小 さい違う幅を持った集束されたビームを作る働きをする。 第三図に示された様に、もし集束レンズの電極が同一電圧に設定されると 、レンズは集束効果はなく、従って色収差を起こさない。作動部分はイオン源1 5 と抽出電極8と二重4のインターリーブ四極レンズからなる。インターリ ーブレンズが色消し作動状態にされると、この光学コラムの最後の集束レンズに よる色収差は導入されない。もし二つの装置コラムが同じビーム幅で作動される 場合 10 には、イオン源、抽出電極、及び静電レンズからなる同様な寸法の装置よ りも、本装置での焦点像はそれに相応して小さい。このビーム幅は調整可能な 15 アパーチャで定められる。焦点像の大きさが同じである時、静電レンズを 含むコラムよりも、インターリーブレンズをもったコラムはより大きいイオン電 流を生成する様に、この幅は増加出来る。 第四図で示された様に、集束レンズの電極が適正な電圧にされると、イオ ン源 20 からより多くのイオンがインターリーブレンズ4に向けられる。LMIS からの大部分のイオン電流は約十四度の半角角内で発生する。イオン源から最初 のレンズギャップまでの間隔が9mmのとき、最初のレンズの直径が充分に大きけ れば 25 幅約5mmの平行ビームが出来る。 拡大された角度asとbsが恐らく原因して集束レンズの色収差を大きくする 。プラスの色収差を除くために、二重インターリーブレンズはそれを正確に補正 するマイナスの色収差を作る様に調整する。 調整は、角度を明確にするアパーチャ12を小さく調整してイオンエネルギーE に対して焦点像の大きさが敏感でなくなることにより決められる。このような調 整は加速 5 電極の孔と及びイオン源と抽出電極との間のギャップにおける加速電場で 形成されたアパーチャレンズを含めた全ての収差源から生じるプラスの一次色収 差を補正する。それで残りの高次の収差が集束されたビームがある指定された直 径に達する状態までアパーチャが開けられるれる。 10 それによって焦点像に入るイオン電流が色収差を補正するためのインター リーブ四極レンズ装置を含まない装置に比して、増大する。 15 二つの独立した主断面を持っているインターリーブレンズが円型 レンズの色収差を補正するように調整出来るということは直ちにわかることでは ない。単一のインターリーブレンズではその様なことは出来ない。何故ならそれ は二つの主断面に20 反対記号の収差を導入するからである。しかるに二つの インターリーブレンズは二つの変数を導入し、そしてその系の寸法を与えられれ ば二つの主断面中の収差をあらわす連立線形方程式が解ける。第四図の平行ビー ムの幾何系えは、二つのインターリーブレンズの係数CxとCyは 25 Cx/fx2=Cy/fy2=-C/h2 を満足させなければならない。 ここでfxとfyは二重レンズの焦点距離、 30 そしてhとCは円型レンズ2の焦点距離と色収差係数である。 レンズを薄いとした近似計算では二重レンズの上流と下流のレンズそれぞれの収 斂断面図中の係数CyuとCxdは 10 で与えられる。ここでVは下流レンズの像への距離である。発散断面の係 数は Cxu=-Cyu,Cyd=-Cxd 15 であたえられ、sはレンズ間距離である。ビームが平行でないときは別の 式が適用する。薄いレンズ係数自体は 20 Cyu/fu=(2Ru+1)/(2Ru+2) Cxd/fd=(2Rd+1)/(2Rd+2) でインターリーブレンズの寸法sとv、および集束レンズのパラメーターCとh 25 があたえられれば、電気力対磁気力の比RuとRdが算出出来る様に形をと る。最適な使用の仕方では従来の技術に見られる型の電力供給源が用いられ、こ の供給源はインターリーブレンズの電気と磁気分配が比例して変化し、固定Rに 対し、fを変化させる。RuとRdは補正されるべきレンズのCとhの為に計算され た値に調整する。周知の従来の技術により四極二重レンズ二つのためのfuとfdを 変化させることによって集束されたビームを得る。 ディフレクター11と13あるいはレンズ4の下流のディフレクタ ーを使ってミクロン以下のビームの大きさの測定をする事が出来る。 5 集束されたビームがナイフエッジを横切るのに必要な偏向からビームの幅が 決められる。ラスターの線と線の距離がビーム幅よりせまいとき、ナイフエッジ をスパッテリングが破壊するのを避ける方法はラスターが走査する薄い試料の部 分で微量削除する 10 に必要な電荷をはかることである。ミクロン以下の試料を必要としない従 来の技術の第三の方法はdをaの関数として測ることである。一本のビーム束がア パーチャ12を小さくすることで生じた時はディフレクター11と13の等しく 且つ相対15 的な調整はイオン線がインターリーブレンズの軸から遠くはずれ てインターリーブレンズのアパチャーに入射する原因となり、したがってaの値 は大きくなる。インターリーブレンズが不適正に調整された時は、大きくて簡単 に測れる収差が生ずる。 20 そこで、計算されたインターリーブレンズの磁気対電気比は、最小の集束 点ではなくてむしろ、最小の色収差を生ずる様に調整することが出来る。 二つの主断面中で倍率が等しくなる様に複数のインターリーブレン ズからなる装置を設計することが出来る。その様な最も簡単な装置は三重レンズ である[L.R.5 Harriott,W.L.Browhn,and D.L.Barr,J.Vac,Sci.T ech.B8(1990)1706]。三重レンズは使用が余計に複雑であることと、三個のレ ンズの中心が確実に一直線上になる様にするためにかなりの高精度の機械製作を 必要とする短所がある。 10 このコラムは平行ビームで使用する必要はない。集束レンズは一般 的にイオン源の中間像を結び、この像はイオン源の上流か最終焦像平面の下流を 含めたコラム 15 のどこにでも位置する。本コラムは、このようにしていわゆるズームレン ズを形成し、そこで中間像の位置が変えられることによって、像の最小の大きさ が(色収差を考慮に入れずに倍率のみから測定して)変化する。第五図に示され た様に集束レン 20 ズとその次のレンズの間に中間像21が位置することがあり、この場合、 この装置の軸をビームのまわりからのイオン線が交差するので、ビームは交差す ると言われる。 液体合金型のイオン源は一時にいく種類かのイオンを生じ、一種類 のイオンの集束されたビームを生じるためには質量分析が必要である。 5 第六図に示された集束レンズとその次の下流のレンズの間に置かれたヴィー ン速度フィルタ22は不要なイオン種をビームの方向軸から偏向し、それで与え られた電荷対質量比をもったイオンのみが偏向されずに進めるようにする。この ような偏向はど 10 の位置にでもある中間像に起こり、集束レンズから発散、平行、又は収斂 ビームを作る。しかしながらコラムの最適作動は、フィルターによって導入され た色収差が除去される様にヴィーンフィルター22の中央で交差が生じる時に起 こる。 15 インターリーブレンズのアパーチャを通過出来ない様に充分に偏向 されたイオンは、インターリーブレンズが結ぶ像から完全に除去される。このよ うな方式はガリウムの如き(質量69、71)ある一種の原子の質量が非常に近 い同位原素 20 を分離しないかもしれないが、合金を使うイオン源によって作られた質量 が大きく異なる種類のイオンを分離するのには有用である。例えば、合金Ni4B 6はNi2+(電荷対質量比30、歩留り収率32%)と商業上重要なB+1(電荷対 質量比10か11、歩留り33%)を生成する。静電集束レンズとインターリー ブ四極二重レンズからなる装置はミクロ製作やイオン注入の様な目的のための一 種類の原子イオンから最終像23をつくるのに有用である。 重いイオンと高エネルギーの組み合わせは、空冷式電磁石が作れる磁場よ りも大きい磁場を必要とするので、質量分析は一般に低いEで行なう必要がある 。もし 5 高エネルギーで質量分析が行なわれると、ビームを大きい曲率半径で曲げ る双極曲進磁石が必要である[マーチン、U.S.パテント4、555、666] 。しかし、一ミクロンの数分の一の部分をドープするため半導体でのイオン注入 は300kvかそれ 10 以上のエネルギーを要する。第七図に示された如く、高電圧源24、制御 エレクトロニクス25および加速ギャップ26はビームエネルギーを増大させる 働きをし、対物レンズ27はイオンを集束して高エネルギー最終像28を結ぶ。 15 二番目の中間像23が第七図に示された様に、加速ギャップに置かれると 、そのギャップで導入される収差が最小にできる。対物レンズ27は、円型静電 気か円型磁気レンズ、又は電気、磁気かインターリーブ四極レンズなどを含むど の型のレンズでも 20 よい。この多数レンズ装置に小さい角度a,bで最小の点を結ぶ様にインタ ーリーブ四極14と16のレンズ装置4の電気対磁気比が調整され、それによっ て全ての他のイオン光学的部品によるプラスの色収差がレンズ装置4のマイナス の色収差を使う 25 ことによって補正されることになる。色収差がそれによって最小にされた 時、角度設定アパーチャは高次収差が焦点像を大きくする迄開けられる。 イオン源1、集束レンズ2、インターリーブ四極装置4、加速ギャップ26、及 び対物レンズ27から成るコラムは、それによってあたえられた大きさの最終焦 像点に於ける増加されたイオン流をつくる様に作用する。 5 最も有用な配置は、低エネルギーでのインターリーブ四極レンズ装 置4から成る。なんとなれば電気的力と磁気的力がこのようなレンズでは反対方 向に向けられていることによってもっと簡単なレンズとくらべて同じ集束能力に 達するために、より 10 強い場を要するからである。この困難な問題は、もしインターリーブレン ズが低エネルギーの粒子を使用するか、又は小さい孔をもっている場合には軽減 される。この方式で、もし対物レンズ27が磁気的四極二重レンズであり、その 二番目のレンズ4がマイナスの色収差を生ずる様に働いているインターリーブレ ンズであれば、有用な 15 装置が得られる。この装置では対物レンズ27は二番目のレンズ4によっ て導入された不等な倍率を反減するのに使うことが出来、それによって二つの主 断面におけるこの装置の倍率を等しくできる。 20 もし二番目のレンズ4が、大きな静電レンズであり、対物レンズ27がマ イナスの色収差を生ずる様に働く小さい孔と短い焦点距離を持つインターリーブ 装置であれば、もうひとつの有用な装置が得られる。 これらの粒子ビームコラムの本質的特徴は、複数のインターリーブ 四極レ 25 ンズを提供することであり、それらは一諸にした場合マイナスの色収差を 有し、そしてコラム中の他の部品のプラスの色収差を補正するように作用する。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.針状粒子源、抽出電極、集束レンズ、および精細に集束された粒子ビームを つくるためのインターリーブ四極レンズ装置を含む粒子光学コラム。この中、イ ンターリーブレンズはインターリーブレンズのマイナスの色収差は、他の全部の 粒子光学部品のプラスの色収差を補正する様な、電場対磁場比に於いて使用され 、像点直径は粒子エネルギーの小さな変化からは実質的に独立している。 2.請求項1の粒子光学コラムに加えて、イオン源と、単一質量の粒子の精細に 集束されたビームをつくるためのインターリーブ四極レンズの間に在る、ヴィー ン速度フィルターを含む粒子光学コラム。 3.請求項2の質量分離粒子光学コラムに加えて、ヴィーンフィルター内を幅広 のビームを通過させる光学コラムに比して収差を減少する様にヴィーンフィルタ ー中で交差するビームを含むコラム。 4.針状粒子源、抽出電極、及び精細に集束された粒子ビームを生成するための 複数のインターリーブ四極レンズを含む粒子光学コラム。この中のインターリー ブレンズは、針状粒子源と抽出電極によって出来たプラスの色収差を増やさない 様に、又、細いビームを生成するために静電レンズのみを使ったコラムに比べて 像点直径のエネルギー依存が減らされる様に、電場対磁場の臨界比にて、操作さ れる。 5.請求項4の粒子光学コラムに加えて、イオン源とインターリーブ四極レンズ の間に在るヴィーン速度フィルターを含むコラム。このコラムは、精細に集束さ れた単一質量の粒子からなるビームを生成するのに役立つ。 6.請求項5の質量分離粒子光学コラムに加えて、幅広いビームがヴィーンフィ ルターを通過するコラムに比して収差を減少する様にヴィーンフィルター中で交 差するビームを含む光学コラム。 7.針状イオン源と複数のレンズを含む精細に集束された粒子ビームを生成する 粒子光学コラムに加えて、インターリーブレンズのマイナスの色収差が、他の全 部の粒子光学部品のプラスの色収差を正確に補正し、且つ像点直径は粒子エネル ギーの小さな変化からは実質的に独立している様な電場対磁場の臨界比に於いて 使用されるインターリーブ四極レンズ装置を含むコラム。
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