JPS588548B2 - ビ−ム径を変化させる方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、荷電粒子のビーム特にイオン・ビーム又は電
子ビームの径の制御に関するものであり、更に具体的に
は、イオン・ビーム又は電子ビームによるパターンの書
込みにおいて、このようなビームの径を制御する方法に
関するものである。

イオン・ビーム書込み又は電子ビーム書込みは、集積回
路の製造に利用される最近の技術であって、イオン又は
電子の集束ビームがターゲットに照射される。

このようなビームは、ターゲット上に所定の幾何学的パ
ターンを生成するため、予め決められたやり方で走査さ
れる。

ビームの直径は、イオンの場合には約１ミクロンであり
、電子の場合番まサフ゛ミクロンである。

例えば雑誌ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅの１９７０年６月号（Ｖｏ
ｌ．ＥＤ１７、：Ａ６）の４４６乃至４４９頁に掲載さ
れているＥ．Ｄ−Ｗｏｌｆ外による論文“Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ Ｂｅａｍａｎｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｎ Ｆａｂｒｉ
ｃａｔｅｄ ＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｗｉｔｈ”に記載さ
れているように、ターゲットとしてフォトレジストで被
覆された集積回路ウエハを用いた場合には、ビーム走査
によって生成されるのは露光 書込み技術は、雑誌Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉ
ｅｄＰｈｙｓｉｃｓの１９７４年３月号（Ｖｏｌ−４５
、Ｎｏ．３）の１４１６乃至１４２２頁に掲載されてい
る，Ｒ．Ｌ−Ｓｅｌｉｇｅｒ外による論文“Ｆｏｃｕｓ
ｅｄ ＩｏｎＢｅａｍｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏ ｆａｂｒ
ｉｃａｔｉｏｎ”に述べられているように、半導体基板
に所定の導電型のイオンを注入して、集積回路の能動及
び受動素子を形成するようなイオン注入にも応用するこ
とができる。

集積回路の製造においては、ウエハ表面上にビームによ
って形成される即ち“書込まれる”選択されたパターン
に、横方向の寸法が変化する領域が含まれる場合がある
。

このような領域を最も効率よく形成するためには、プロ
グラムされた書込み処理中にビームの寸法を変化させる
ことができれば、それが一査望ましいであろうが、従来
のビーム書込み方法では、特にビーム書込み処理中にお
けるビームの径の変更は極めてやっかいである。

例えば、イオン注入システムには、ビーム径を変えるこ
とのできる回転可能な磁極挿入部材を用いた分析磁石が
見受けられるが、このような磁極片の変動は、手動で行
われるのが普通であり、従って、磁極挿入部材の調整を
行うためには、書込み処理を一旦中止することが必要で
ある。

明らかにこのようなビーム径変更方法は、ウエハ表面に
対するプログラムされた連続イオン書込み処理には不適
である。

ビーム径を変化させる別の方法として、集束レンズ又は
加速レンズの間隔を変えるものがある。

しかしながら、この方法もまた手動で行わねばならず、
従って前に述べた方法と同じような欠点がある。

ビーム径を変化させる更に別の方法は、集束レンズ又は
加速レンズに供給される電圧のレベルを変えるものであ
る。

この方法は、書込み処理を中止させることな《実行する
ことができるが、この方法による如何なる変化も球面収
差を生じさせる。

勿論このような球面収差は補償されねばならないが、こ
れを連続的に補償するための手段はおそらくはかなり複
雑であり、連続ビーム書込み処理での使用は難しい。

従って、本発明の目的は、ビーム書込み処理を中止させ
ることなく荷電粒子ビームの径を変化させるための方法
を提供するにある。

本発明に従えば、イオン又は電子の如き荷電粒子のビー
ムでターゲットを衝撃する際に、ビーム源から発生され
たビームは、レンズで集束された後、筒状の導電部材の
中を通される。

この導電部材は、ビームとの間に間隔を有してこれと同
軸関係になるように設けられる。

即ち、筒状導電部材の中空部の断面はビームの直径より
も大きく、そしてビームは、この筒状導電部材の中をそ
の軸線に沿って通過する。

導電部材には選択された直流電位が印加され、そしてこ
の電位を変えることによってビーム径が制御される。

ビーム径を増加させる場合には、印加電位は接地電位か
ら離れる方向へ、即ち、絶対値が大きくなる方向へ変化
される。

従って正電位はより正の方に、また負電位の場合にはよ
り負の方に変化される。

これと反対に、印加電位の絶対値を減少させると、ビー
ム径は減少される。

筒状導電部材は、その少なくとも一部がレンズとビーム
の間にあるように配置されるのが好ましい。

最良の結果を得るためには、ビームの焦点がターゲット
のところへくるようにすべきである。

あとで詳細に説明するように、筒状導電部材の電位レベ
ルを変化させると、ビーム中の１次粒子即ち実効粒子を
中和させる２次粒子の空間電荷が変化される。

この空間電荷における変化は、ビーム径に影響を及ぼす
。

中和されないビームにおいては、１次粒子の電荷は、ビ
ーム径に影響を及ぼす横方向電界を生成する。

ビーム径を変化させるにあたって、このような空間電荷
制御を最も有効に使用するためには、比較的高いビーム
電流を利用するのが好ましい。

最良の結果を得るためにはビーム電流は少なくとも次の
大きさを有している必要がある。

上式においてＶ０は荷電粒子の加速電圧をボルトで表わ
したものであり、ｍ１は粒子の質量をキログラムで表わ
したものであり、ｒ０はレンズの主面におけるビームの
半径を表わし、そしてＬは主面から焦点までの距離を表
わしている。

筒状導電部材の構造は、ビームの軸に垂直な面にある筒
状導電部材の内側表面のすべての点がビームの軸から等
距離のところにあるのが好ましい。

この条件を満たす最も簡単な簡状構造は円筒又は中空の
円錐台である。

本発明め良好な実施例においては、筒状導電部材はター
ゲットに近接して配置され、そしてビーム径は、選択さ
れた直流電位をターゲットに印加することによっても制
御される。

ターケットへの印加電位は、次に説明する筒状導電部材
への印加電位との相互作用によってビーム径を制御する
。

筒状導電部材への印加電位が接地レベルに保たれ、且つ
ターゲットへの印加電位が接地レベル以上に保たれてい
る（負にならない）場合には、ターゲットの電位を増加
することによりビーム径を大きくしたり、ターゲットの
電位を減少させることによりビーム径を小さくしたりす
ることができる。

また、筒状導電材料への印加電位が接地レベル以外のレ
ベルにあれば、ビーム径は、ターゲットへの印加電位を
接地電位から離れる方向に変化させることによって、大
きくすることができ、これと反対に接地電位の方へ変化
させると、小さくすることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の良好な実施例につ
き、イオン注入装置を例にとって説明するが、本発明の
原理は、電子ビーム装置においてビーム径を変化させる
場合にも同様に適用されるものである。

第１図には、本発明のビーム径制御方法が使用されるイ
オン注入装置が示されているが、これは例えば米国特許
第３７５６８６２号明細書に記載されているような通常
のイオン注入装置である。

第１図の装置は、通常のイオン源１２を含んでいる。

図示の例では、フィラメント電源１３から電力を供給さ
れる熱フィラメントを用いた電子衝撃型のイオン源が使
用されているが、この池にも、振動電子放電モードで動
作する任意のイオン源を使用することができる。

イオン・ビームは、引出し電極１６の働きによって、イ
オン源１２から開孔１５を介して引出される。

加速電極としても知られている引出し電極１６は、イオ
ン源１２からイオンを引出すための減速電源１４によっ
て負の電位に維持され、またソース電源１７は、陽極電
源１１によって正の電位に維持される。

接地電位に保たれる減速電極１８も備えられる。

これらのバイアス電位は、装置の動作において変化され
てもよい。

なお、２２及び２３は各々ソレノイド電源及び引出し電
源である。

図示のような電極構成によってイオン源１２から引出さ
れたビ ムは、ビーム路１９に沿って分析磁石２０の方
へ送られる。

ビームは、分析磁石２０の一方の側に置かれている開孔
プレー及び分析磁石２０の池方の側に置かれているマス
ク限定開孔プレート２４の組合わせによって更に限定さ
れる。

限定されたビームは、加速器２５の中を通過する。

加速器２５としては、エネルギー・レベルにして３０Ｋ
ｅｖから数Ｍｅｖまでイオン・ビームを加速する定勾配
加速器が好ましいが、１９７３年にＷｉｌｅｙ−Ｉｎｔ
ｅｒｓｃｉｅｎｃｅ社から出版されたＲ−Ｇ−Ｗｉｌｓ
ｏｎ外の教科書“Ｉｏｎ Ｂｅａｍｓ”の２２７乃至２
４６頁及び４２０乃至４３０頁に述べられているような
任意のイオン・ビーム加速器を用いてもよい。

加速されたビームは、次いでステアリング・プレート２
６及び２７の間を通過する。

これらのプレートは、ビーム書込み処理に要求される所
定の幾何学的パターンでのビームの静電走査即ち偏向を
行うため、各々並行対として構成される。

ステアリング・プレート対２６は、ビームをＸ方向に偏
向させ、一方、ステアリング・プレート対２１はビーム
をＹ方向に偏向させる。

ビームは、これらのステアリング・プレート対２６及び
２７によって所定の方向に偏向された後、ターゲット２
９上にビームの焦点を結ぶ集束レンズ２８を通過する。

このレンズ２８としては、通常の単レンズ特に上述のＳ
ｅｌｉｎｇｅｒ外の論文に詳述されているようなＬｉｅ
ｂｍａｎｎ型の単レンズを使用してもよい。

またイオン注入による集積回路の製造においては、半導
体ウエハがターゲット２９として使用される。

レンズ２８を通過したビームは、ターゲット２９に到達
する前に、金属の如き導電材料から成る筒状部材３０の
中を通される。

この筒状部材３０には電源Ｖｅが接続されており（これ
は、あとで説明するように、処理中に変化される）、ま
たターゲット２９には、導電性のウエハ支持体３１を介
して電源Ｖｔが接続されている。

電源Ｖｔも、本発明に従って変化させることができる。

次に、上で説明したイオン・ビーム書込み装置，に関連
させて本発明の方法を詳述する。

ビームの形成及び輸送並びに並行プレート対２６及び２
７でのビームの走査乃至偏向は、従来通りの方法で行わ
れる。

従って、以下では、レンズ２８，Ｍ状部材３０及びター
ゲット２９０部分を拡大して示した第２図を参照しなが
ら、本発明について説明する。

ビーム３２と同軸関係にある筒状部材３０は、このビー
ム３２を十分に包囲していることが必要である。

筒状部材３０の形状は円筒が好ましいが、本発明の方法
は、ビーム３２と同軸関係にある別の形状の筒状部材を
用いても、同じように実施することができる。

前にも述べたように、簡状部材３０は、ビーム軸に垂直
な面内にある内側表面上のすべての点がビーム軸から等
距離のところにあるように構成されるのが好ましい。

例えば、ビーム３２の軸３６に垂直な一点鎖線で表わさ
れている面３３を考えてみると、この面３３内にある筒
状部材３０の内側表面上の点３３及び３４は、軸３６か
ら等距離のところにある。

円錐台の形をした筒状部材もこのような条件を満たして
おり、従って本発明で用いることができる。

筒状部材３０は、ターゲット２９（今の場合はウエハ）
から電気的に絶縁されており、更に、導電性支持体３１
の上に載置されているターゲット・ウエハ２９から少し
離されている。

ターゲット２９は静止しており、ビーム３２はステアリ
ング・プレート２６及び２７によって、ターゲット２９
０表面を走査される。

簡状部材３０への印加電位Ｖｅ及びターゲット２９への
印加電位Ｖｔが共に接地電位であるような初期動作条件
のもとでは、ビーム３２の直径は、第２図に実線で示さ
れているようなものになろう。

これは、ビーム３２の最小直径を表わしている。

ビームの直径は、電位Ｖｅを接地電位から離れる方向に
増加させることにより、即ち、Ｖｅをより正又は負にす
ることにより、この最小値から増加される。

例えば、図示の装置において、Ｖｅが＋４５ボルト又は
−１５０ボルトに増加されると、ビームの直径は、約１
ミクロンの最小値から約５ミクロンの最大値（破線３２
Ｂで示される）まで増加される。

勿論、別の破線３２Ａで示されるように、Ｖｅを接地電
位から或る正又は負の中間電位まで増加させれば、最小
値と最大値との間の値を有するビーム径が得られる。

また所望であれば、ターゲット・ウエハ２９への印加電
位Ｖｔを変化させることによって、ビーム径を更に変化
させることもできる。

この場合、Ｖｔの変化による影響は、簡状部材３０への
印加電位Ｖｅの最終レベルに関係している。

即ち、Ｖｅの最終電位が正又は負で、接地電位でなけれ
ば、ビーム径は、Ｖｔを接地電位から離れる方向に変化
させる（絶対値を大きくする）ことによって増加され、
またＶｔを接地電位の方向に変化させる（絶対値を小さ
くする）ことによって減少される。

これに対し、Ｖｅの最終電位がもし接地電位であれば、
Ｖｔの初期値が負の場合には、Ｖｔの変化はビーム径に
影響を及ぼさず、またＶｔの初期値が負でなければ（接
地レベル又は正）、ビーム径はＶｔの増加に伴って大き
くなり、Ｖｔの減少に伴って小さぃなる。

ここで注意しておきたいことは、ｖｅ及びＶｔの変化の
相互作用に関する上の説明では、Ｖｔの変化が開始され
る前にＶｅの変化が終っているものと仮定されているこ
とである。

勿論、両者の変化は同時に行われてもよい。

しかしながら、これらの変化によるビーム径の予想され
る変化を計算する際には、Ｖｔの変化が始まる前にＶｅ
の変化が終っているものと仮定すると、計算手順が簡単
になる。

本発明の方法を効果的に実施するためには、ビーム電流
は少なくとも次の大きさを有していることが好ましい。

Ｖ０は、荷電された１次粒子（イオン・ビームではイオ
ン、電子ビームでは電子）の加速電圧をボルトで表わし
たものであり、ｍ１は１次粒子の質量をキログラムで表
わしたものであり、ｒ０はレンズ系２８の主面における
ビーム半径であり、そしてＬはレンズ系２８の主面から
焦点までの距離である。

レンズ２８の主面は、第２図に一点鎖線３７で示されて
いる。

レンズ系２８のような単レンズ系においては、主面３７
は中央レンズの中央を通っている。

レンズ系２８の焦点は、ターゲット・ウエハ２９のとこ
ろに谷わせられる。

なお、ビーム電流の大きさを表わす一般式の誘導につい
ては、例えば前述のＲ−Ｇ−Ｗｉｌｓｏｎ外の教科書に
も説明されているが、これは本発明とは直接関係がない
ので、式の誘導に関する説明は省略する。

ビーム電流の大きさを上述のようにすると、Ｖｅの変化
がビーム径に及ぼす効果は、主ビームの方へ引きつげら
れてけれを中和する２次粒子（イオン・ビームにおける
２次電子又は電子ビームにおける２次イオン）の雲にお
ける変化に起因するものと考えられる。

この場合、筒状部材３０へ印加される電位Ｖｅの変化が
２次粒子の電に影響を及ぼすものと考えられ乞。

例えば、Ｖｅが接地電位から正の方向に変化されると、
ビーム３２に伴う電子の雲からより多くの電子が筒状部
材３０の方へ引きつげられる。

この結果、中和されないビームが生成され、そしてビー
ム中の正イオンの相互反発により、ビームを横切る方向
に電界（横方向電界）が生じる。

この結果、ビームは拡がる。

これと反対に、正の電位Ｖｅを接地電位の方向に減少さ
せると、電子が筒状部材３０からビーム３２の方へ引き
つけられて、ビーム３２をより強く中和し、横方向電界
を弱くする。

この結果、ビーム３２は収縮する。

もしＶｅが接地電位又は負の電位にあれば、Ｖｅの負方
向への増加は、ビーム径に対して上と同様な影響を及ぼ
す。

筒状部材３０の負電位は、電子の雲を反発して、これを
筒状部材３０の開孔端３８及び３９から外へ出そうとす
る。

この時、ターゲット２９がｖ１ によって負にバイアス
されていると、電子の雲は主として開孔端３８から外へ
出される。

ビームを中和する電子の雲が縮小した結果、前述の横方
向電界が生成されて、ビーム径が大きくなる。

これに対し、負の電位Ｖｅが接地電位の方向に減少され
ると、ビームを中和する電子の雲が増えて、ビーム径が
小さくなる。

前記述べたＶｔの変化がビーム径に及ぼす影響も、Ｖｅ
の最終レベルと関連させて同じ様に説明することができ
る。

Ｖｔを接地電位から正の方向に変化させると、Ｖｅの最
終値に関係なく、ビーム径が大きくなるが、これは、タ
ーゲット２９の近傍における２次電子の雲が、より正に
荷電されたターゲット２９に引きつけられている高レベ
ルの電子のために縮小するからである。

これと反対に、正の電位Ｖｔが接地電位に向って減少さ
れると、ターゲット２９の近傍におけるビームの電子雲
が元の状態に復帰するので、ビーム径は再び小さくなる
。

一方、Ｖｔが接地電位から離れる方向に向ってより負に
されると、Ｖｅの最終電位が接地電位でない限り、ビー
ム径は拡がる。

例えば、もしＶｅが正であれば、ターゲット２９の電位
Ｖｔをより負にすることによって反発されるターゲット
近傍の電子雲は、正にバイアスされた筒状部材３０の方
へ引きつけられる。

このようにして電子雲が縮小すると、ビーム径は拡がる
。

これに対し、電子の雲を元に戻して、ビーム径を小さく
したい場合には、ターゲット２９の負の電位が減少され
る。

同様に、もしＶｅが負で、筒状部材３０が負にバイアス
されていたとすると、Ｖｔが接地電位から離れる方向に
向ってより負にされた場合には、互いに反発しあう電子
の雲は、部材３０の負バイアスにより、更に強く反発し
あい、部材３０の後部開孔３８から外に出る。

これと反対の作用も、同じように説明することができる
。

最後に、もしＶｅの最終値が接地電位であって、Ｖｔが
接地電位から離れる方向に向ってより負にされると、反
発する２次電子の雲は行く所がなくターゲット２９の近
傍に蓄積して、如何なるビーム径の拡大をも妨げる。

以上の論理的説明は、ビーム径の拡大又は縮小に及ぼす
Ｖｅ及びＶｔの変化の影響を観測した結果に基いてなさ
れたものである。

所望であれば、第２図に破線で示されているように、単
に電流計４０を筒状部材３０及びターゲット２９へ接続
するだけで、筒状部材３０及びターゲット２９０組合わ
せをファラデー箱として用いてビーム電流を測定するこ
ともできる。

この場合、筒状部材３０の壁及びターゲット２９を流れ
る電流の和が、全ビーム電流を与える。

本発明の方法においては、ビーム書込み処理に使用され
るビームの寸法は、簡状部材３０の直径に比べてかなり
小さいので、ビーム電流の測定に際して、筒状部材３０
の壁を接地することは不要である。

イオン・ビームの場合には、筒状部材３０の壁を接地電
位又は正の電位にしておくと、ビーム電流を正確に測定
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施することのできるイオン注入装置
の一例を示す略図、第２図は第１図の装置のうち本発明
の実施に関係する部分を拡大して示した図である。 １１，１３，１４，２２，２３・・・・・・電源、１２
・・・・・・イオン源、１５・・・・・・開孔、１６・
・・・・・引出し電極、１７・・・・・・ソース電極、
１８・・・・・・減速電極、１９・・・・・・ビーム路
、２０・・・・・・分析磁石、２１・・・・・・開孔プ
レート、２４・・・・・・マスク限定開孔プレート、・
２５・・・・・・加速器、２６，２７・・・・・・ステ
アリング・プレート、２８・・・・・・レンズ、２９・
・・・・・ターゲット、３０・・・・・・筒状部材、３
１・・・・・・ターゲット支持体、３２・・・・・・ビ
ーム、３１・・・・・・レンズの主面、４０・・・・・
・電流計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １荷電粒子のビームをレンズで集束してターゲットを衝
   撃する際に該ビームの径を変化させるための方法にして
   、 上記ビームのビーム電流を少なくとも の大きさに設定し（ただし、Ｖｏは上記荷電粒子の加速
   電圧をボルトで表わし、ｍ，は上記粒子の質量をキログ
   ラムで表わ宅、ｒｏは上記レンズの主面における上記ビ
   ームの半径を表わし、Ｌは上記主面から上記レンズの焦
   点までの距離を表わしている）上記レンズによって集束
   されたビームを、上記ビームとの間に間隔をおいて上記
   ビームと同軸関係になるように設けられた導電性筒状部
   材の中を通過させ、該導電性簡状部材へ選択された直流
   電位を印加し、上記ビームの径を大きくする場合には上
   記電位を接地電位から離れる方向に向かって変化させ、
   上記ビームの径を小さくする場合には上記電位を接地電
   位へ向かう方向に変化させることを特徴とするビーム径
   をｉ化させるための方法。 ２荷電粒子のビームをレンズで集束してターゲットを衝
   撃する際に、該ビームの径を変化させるための方法にし
   て、 上記ビームのビーム電流を少なくとも の大きさに設定し（ただし、ｖ０は上記荷電粒子の加速
   電圧をボルトで表わし、ｍ１は上記荷電粒子の質量をキ
   ログラムで表わし、ｒ６は上記レンズの主面における上
   記ビームの半径を表わし、Ｌは上記主面から上記レンズ
   の焦点までの距離を表わしている）、上記レン女によっ
   て集束されたビームを、上記ビームとの間に間隔をおい
   て上記ビームと同軸関係になるように設けられた導電性
   筒状部材の中を通過させ、該筒状部材及び上記ターゲッ
   トへ選択された直列電位を印加し、上記簡状部材への印
   加電位が接地電位で且つ上記ターゲットへの印加電位が
   接地電位以上に保たれる場合には、上記ビームの径を大
   きくするために上記ターゲットへの印加電位を増加させ
   、また上記ビームの径を小さくするために該印加電位を
   減少させ、上記筒状部材への印加電位が接地電位でない
   場合には、上記ビームの径を大きくするために上記ター
   ゲットへの印加電位を接地電位から離れる方向に向って
   変化させ、また上記ビームの径を小さくするために該印
   加電位を接地電位へ向かう方向に変化させることを特徴
   とするビーム径を変化させるための方法。