JPS5978432A - 多種形状粒子ビ−ム形成用の偏向対物系を備える装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、粒子から成る成形ビーム形成のための多種
形状ビーム偏向対物糸を備える装置に関する。

集積された微小半導体部品ならびに半導体回路は構造的
のドーピングを必要とする。その池の微細構造形成に際
してもいずれかの対象物に粒子を打ち込まなければなら
ない。例えば電気接触のための表面仕にげの場合原料の
欠乏や高価であるため全ｍＩではなく表面り）一部たけ
を佳」＝げることが行われている。

従来微小部品のドーピングは光、電子、Ｘ線等のビーム
を使用するりソグラフイによるのが普通であった。マス
ク構造をラック層に投像しラック層に構造を１１［るこ
とによって行われるイオンビーム・リソグラフィはまだ
開始段階にある。半導体ウェーハに（α接イオンビーム
な当てて書す込む方法は最近始めて発表された（Ｒ１・
Ｌ−８ｅｌｉｇｅｒ　ｅｌａｌ、　Ｊ、　Ｖａｃ、Ｓｃ
ｉ、　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ、　］　６．１９７９．１）
Ｉ）。

１６　］　０　）。これは強力なイオン源となる液体金
属イオン源が最近入手できるようになったことによるも
のである（　Ｌ、Ｗ、Ｓｗａｎｓｏｎ　ｅｔ　ａｌ、　
Ｊ。

Ｖａｃ、Ｓｃｉ、’Ｉ”ｅｃｈｎｏｌ、１　Ｇ、Ｉ　９
７９．　　円）、１８６４）。

強力なビームの場合クーロンカ罠よる交互作用により粒
子エネルギーとビーム径が拡がるため電子ビームとイオ
ンビームによっては作られた構造の高い生産速度と微細
な構造寸法とを同時に達成することは不可能であった。

この発つＪの目的は作られた構成の高い生産甜度と微小
構造寸法の同時達成を可能にする装置を提供することで
ある。

この目的は特許請求の範囲第１項て記載した装置によっ
て達成される。この発明の種々の実施態様とその利点は
特許請求の範囲第２項以下に示され、更に以下の説明に
よって明らかにされる。

この発明は集積微小部品を製作する新しい方法としての
中性粒子注入書込みを可能にする。大部分の注入元素は
基底状ｇにおいて電子殻の角運動量、従って磁気双極子
モーメントを持っているから磁場の作用で集束し偏向す
ることができる。これによって次の利点を持つ中性粒子
注入書込みが１可能となる。

ａ）］［程段階がリソグラフィよりも少ない、。

ｂ）ビーム粒子間の相〃作用が荷電粒子の場きよりも著
しく弱いからビーム流密度が高い場合にもビームの拡が
りがない。

この発明による多種形状ビーム偏向対物系は２個乃至４
個の６極レンズ又は８極レンズから構成され、それを使
用してビームを磁気双極子の方向に応じて二つの互に直
角な方向に偏向し集束することができる。対物系全体と
しての投像は無収差でアリ、ヒーノ・は成形される。ゾ
ンデ成形は６極レンズ又は８極レンズの２重レンズを使
用する場合固宇し、６極レンズ又は８極レンズの３重レ
ンズを使用する場か一゛っの方向において０■変であり
、６極レンズ又は８極レンズの４重レンズを使用する場
合二つの方向において可変である。この発明による装置
の−・つにおいて単一の成形ビーム絞りだけが必要であ
るから、二つの絞りがレンズによるかシルエット投影故
知よって交互に投像される電子リソグラフィの場きより
もビーム利用率が遥かに改善される。

この発明の一つの実施例においては投像、偏向およびゾ
ンデの形状変化という機能が完全に６極レンズ又は８極
レンズの４重レンズから成る単一の糸に集積されている
。８極レンズの方が位置合せの点で有利であるが６極レ
ンズでも充分である。

この発明の一つの実施例では例えば前記の文献（Ｓｗａ
ｎｓｏｎ　ｃｌ　ａｌ　）に記載されている液体金属イ
オン源と中和装置の組合けが中性粒子源として使用され
る。

図面を参照し実施例についてこの発明な更に詳細に説明
する。

磁気双極子モーメント常１．を持つ中性原子又は分子か
ら成るビームが直角座標系の２軸方向に伝播するものと
する。これにＸ方向の一様な磁場Ｉ−１を加えるとビー
ムの各粒子に次の回転モーメントＤ　＝　ｍ、、、　Ｘ
　Ｉ−１１＋ が作用する。

磁気収極子モーメントは電子殻の角連動阻Ｊと次の関係 ｍＩ）　＝−ｇｊμＢＪ／ｈ（２） で結ばれ、 回転モーメン）ＤはＪとｍＤのｙ軸の囲りの歳差運動？
惹き起すことはよく知られている。この歳差連動の振動
数は ωｐ＝ｍ、、１１／ｌＪＩ＝ｇＪｅＢ／（２ｍｅ）　　
　（３１で与えられる。

式（２）、（３）ておいてμ１３：磁子、ｈ　＝　ｈ　
／　２π（１１ニブランク定数）、ｍｅ：電子の静止質
黴、ｇＪ：ランチのｇ因子。

この歳差運動に際して双極子モーメントｍＩ）のｙ成分
だりが時間的に不変である。このｙ成分は次式 ％式％（４） によって磁気量子数Ｍ、１と結び付けられる。この数子
数ＭＪはＪを電子殻の全角運動＠量子数として（２Ｊ＋
１）個の値をとる。回転モーメントのｙ成分ｍ１）、が
総ての粒子に対して等しい大きさであるためには、総て
のビーム粒子が同し磁気量子数を持っていなければなら
ない。異った量子状態はシュテルンーゲルアツハ分離器
によって分解する。

粒子がこのように方向づけられていると、ビームの偏向
と集束に対しては双極子モーメントの時間不変成分Ｉｎ
Ｄ、だけを考慮すればよい。これは磁気誘導Ｂを充分大
きくすると関係式 １式％（５１ によりビーム走行時間τが歳差運動判明１゛１．より著
しく大きくなるからである。（５）でｔはビーム長、ν
はビーム粒子の速度である。

磁場１−１内の磁気双極子粒子には次の力→　　→　　
→　　→　　　　ｄｉ−１Ｆ　＝　（ｍＤｇｒａｄ　）
］］］］＝：ｍＤ−７−Ｉ、　　　（（３１Ｄ が作用するから、双極子粒子を偏向する磁場■４は磁気
双極子モーメントｍ、、　ｆ）方向にグラジェントを持
っていなりればならない。このグラジェントは一定とす
るのが最も簡単である。一定のグランここで甲はスカラ
ー磁気ポテンシャル、重量ｃ（２）とψ２　Ｓ　（Ｚ）
はｘ、ｙに関係しない場係数である。

から式（６）の力Ｆは次の形となる。

式（７）の四極子場Ｂは磁気モーメントｍＤ＝ｍ、、　
ｅｙを持つ中性粒子をＸ方向ならびにＸ方向に偏向する
。Ｘ方向に偏向する四極子場とＸ方向に偏向する四極子
場を重ね合せることにより主として磁気双極子モーメン
トのｙ成分だけを持つ中に二粒子を任童の方向に偏向す
ることができる。偏向方向の角度θ４は式（７）による
場係数の比ψ２ｃ／重２ｓ　を使用して求められ、る。

偏向、１の大きさｒ　Ａ　：）／フン７「７疋−はａに
比例する。第１図と第２図に示し た磁気レンズを説明する際６極磁気レンズおよび８極磁
気レンズを使用して方位回転可能で可変強度の四極子場
が作られることを明らかにする。

磁気双極子モーメントを持つ中性粒子が６極磁石によっ
て集束されることはよく知られている。

しかしこの集束は一つの切断面では収部性であり、池の
切断面では発散性である。

図に示し７恍実施例の場合ビーム粒子の磁気双極子モー
メントは外部磁場Ｈによりｙ方向に配向されているから
、ビーム粒子集束用の六極子場は次の形 Ｂ−−３’Ｐｓｓ　（２ＸＹ　ｅｙ＋（ｘ２−ｙ２　）
ｅｙ　）　　　ＱＯＩであり、次のスカラー磁気ボ′７
ンシヤル甲＝’Ｍｓ　（３ｘ２ｙ−Ｖ３）　　　　　　
　　　ｆｉｌｌを持つものでなければならない。

式（１０）つ）ら次の運動方程式が導かれる。

ここで【ηうま中性粒子の質量、ｔは時間である。

０２）から によってｔを消去すると次の軌道方程式が得られる。

方程式（１３１：つ１ら次のことが推定される。まず甲
ｉが零より大きいとＸ面では収斂し、ｙ面では発散する
。逆にＳ５が零より小さいとＸ面では発散し、ｙ面では
収斂する。

次に磁気双極子モーメントを持つ中性粒子に対する近軸
軌道方程式であろθ３）は四階子場内の荷電粒子の近軸
軌道方程式と同様に六極子場においても同じ形である。

四両子場内の荷電粒子の近軸Ｗ［道方程式は文献（Ｐ、
　Ｗ、Ｉ−ｌ−１ａ　ｅ　ｓ、　Ｑｕａｃｌｒｕｐｏｌ
ｅｓｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ＬｅｙＬｓ　Ｄｅｓｉｇ
ｎ、　Ａｃａｃｌｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ。

１９７’０）に記載されている。このことは四極子光学
系に対して求められている総ての法則がこの発明の実施
例による中性粒子の集束にそのまま適用されることを意
味している。

係数型３ｓが零より大きい６極磁石とも５が零より小さ
い６極磁石から成る２重磁石を使用して中性粒子による
無収差投像を実施することができる。

しかしこの場合両生倍率Ｖｘとｖｙは物体距離、像距離
又は両６極レンズ間の間隔を変えることなく変化さぜろ
ことはできない。

６極レンズの３重レンズを使用すると無収差投像が達成
され、６極レンズの極の強さを変えることにより両市倍
率の比■ｙ／ｖｘをある範囲内で変化させ、同時に無収
差投像面を固定することができる。更に６極レンズの４
重レンズを使用すると両市倍率ＶｙとＶｘをある範囲内
で別々に変化させ、しかも固定した画像面への無収差投
像はそのまま保持する・二とができる。

中性粒子ビームの方向法めに必要な磁気誘導Ｂのｆ１６
は次式によって見積ることができる。

ｅＵｌｌ　は中性粒子の運動エネルギー、ｍシまその質
量である。原子量７４９、ランデの７係数ｇＪ−２（基
底状態４８３／２）のＡｒ原子に勾してビーム長１　”
　０．２　ｍ　Ｎ加ｗｉｔ圧Ｕ、＝２　ｋ　Ｖのとき磁
気誘導Ｉ３がＯＪ−３ガウスより遥に大きいという条件
が容易に満たされる。

ビーム偏向の可能最大値は縁端磁場の影響を無視して初
等的の；ｔＩＷによって求められる。例えばｙ方向の偏
向ｙＡに対しては ここでｔは磁気誘導Ｂが中性粒子に作用する道程の長さ
であり、Ｌは中性粒子が磁気作用を受けた後偏向ｙＡが
測定される個所に至るまでの道程の長さである。ψ２６
はＢ＝２ψ２ｃ　（−ｘｏｘ＋　Ｙｏｌ　）　　として
表わされる磁気誘導Ｂの四極子係数である。

磁気レンズの極片の周縁磁場の強さを２０　ｋＧニし、
中性粒子の運動エネルギーを２ｋｅＶ、磁気−ンズの固
片の間隔を４順、磁気誘導の作用区域内の中性粒子の道
程を２００ｔｍｎとし、磁気誘導の作用区域を出てｙＡ
が測さされる平面の２座標に達するまでの道程の長さを
５００晒とする。更に磁気量子数ＭＪＯ値として３／２
をとり、ランデ係数ｇＪの値として２をとれば、偏向ｙ
Ａの絶対値ＩｙＡＩは約５／１ｍとなる。このことはこ
θ）発明による多種形状ビーム偏向対物系の周縁磁場が
小さいため実際」ニレーザー制御によって機械的に移動
可能の載物台を追加する必要があることを意味している
。

第１図はこの発明による多種形状ビーム対物系に使用さ
れろ６極磁気レンズを示す。この磁気レンズはｘｙ平面
内に置かれ、継鉄ＪＯと界磁巻線Ｅを持つ６個の磁極片
１乃至６を備えている。各磁極片の擢磁巻線Ｅには次の
電流が流れる。

磁極Ｋ　１　：　　１１ｓ−Ｉ＋ｃ−ｂｓ磁極吟”　　
−’ｌ５−Ｉ２Ｃ＋Ｉ３Ｓ汀 磁極片６　：　　ＩＩＳ／２＋Ｉ２Ｃ／２＋　アｂ３−
ｔ４３ｓ磁阪片１乃至６の相互間隔の半分をａとする。

偏向角θは正のｘ＃Ｉから正のｙ軸に向って測るものと
する。指標ｉのコイル電流は同じ指標ｉのスカラー磁気
ポテンシャルの係数に比例する。スカラー磁気ポテンシ
ャルψは次の形である。

ψ＝ＸＪ／１ｓｒ　ｓ　ｉ　ｎ　ｒり＋ψｚｃｒ”ｃｏ
ｃ２ｔ９＋ψ２ｓｒ２ｓｉｎ２ｄ−ＩＪＢｓｒ３ｓｉｎ
３ｄ　＝ψＩｓ　３’　十’Ｊ／２Ｃ（ｘ２−　Ｙ２）
＋２　ｖ２Ｓ　７．　Ｙ十甲５ｓ（３ｘ２ｙ−Ｙ３）　
　　　　　　　　　（１Ｇ）第１図の６極レンズの磁気
誘導と磁場はこの発明の実施例の場合ビーム粒子の方向
づけのためＸ方向の双極子場、ビーム偏向のための強度
と方位が可変の四画子場およびビーム集束のための固定
方位六極子場から構戎され、次の式で表わされる。

Ｂ−μｏＩ−トＳｓｅ　Ｙ　−２（（’Ｐ２Ｃχ＋ψ２
５’／　）ｅ　ｘ＋　（’Ｚ’ＢＸ−ψｚｃＹ）ｅｙｌ
・−３−（２ｘｙｅＸ−Ｍｘ２−ｙ２）ｅｙ）　　　Ｑ
７）第２図にこの発明による多種形状ビーム偏向対物系
に使用される８極レンズを示す。この８極レンズもｘｙ
面内に置かれ、継鉄ＪＯとそれぞれ界磁巻線Ｅを持つ８
個の磁極片１乃至８を備える。

磁極片ｌ乃至８の界磁巻ＭＥには次のコイル電流が流れ
る。

磁極片１　：　　ｈｓ−１２ｃｍＩｎｓ磁極片２：■１
ｓ／メ２−Ｉ２８＋Ｉ３．矛７磁極片３：Ｉ２゜ 磁極片４　’　　−Ｉｌｓ／）’Ｔ　＋Ｉ＋５−Ｉ３ｓ
／ｆ「磁極片５　：　　−１１３−１２（Ｈ＋Ｉ３ｇ磁
極片６　：　　−４１Ｓ／Ｃ−■２ｓ−１３ｓ４磁極片
７：Ｔ２゜ 磁極片８　：　　ＩＩＳ、／Ａ　＋Ｉ２ｓ＋ｂｓ／＃こ
れらのコイル電流はスカラー磁気ポテンシャル、磁気誘
導および磁場に対して第１図のレンズのコイル電流の場
合と同じ関係を保っている。

■ｌｓに比例する部分電流はビーム粒子の磁気双極子モ
ーメントの方向を定めるＸ方向の双極子場を作る。

１２Ｃ又はＩ２Ｓに比例する部分電流はＸ方向とＸ方向
にビームを偏向するための強度と方位位置が調整可能の
双極子場を作る。

Ｉ３Ｓに比例する部分電流は方位位置が固定した六極子
場を作って粒子ビームを一つの切断面において収斂させ
、他の切断面において発散させる。

第３謬ジーの発明による中性粒子に対する多種中性粒子
ビームＮはビーム成形絞りＦを通り、半開角αの円錐形
状に拡がって２方向に進む。この中性粒子ビームＮは２
個乃至４個つ第１図又は棺２図に示した６極レンズ又は
８極レンズから成ルレンズ系Ｓを通り抜ける。偏向され
ない成形粒子ビーム・ゾンデＳＵは円錐形状に集束され
、対象物表面に当たる。この円錐の半開角をβＸ、βｙ
とすれば、両生倍率Ｖｘ、ＶｙはＶｘ＝ａ／βｘ、ｖｙ
−α／βｙとなる。偏向された抜形粒子ビーム・ゾンデ
ＳＧはこの発明により任意の偏向座標ｘＡ。

ｙＡを持つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図はこの発明の装置に使用され−ム偏向対
物系の原理的構成を示す図面である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）成形ビーム（Ｎ）が中性粒子から成り、中性粒子の
   集束と偏向を行なう少くとも一つの磁場を作る手段（Ｓ
   ）を備えていることを特徴とする多種形状粒子ビーム形
   成用の偏向対物系を備える装置。 ２）少くとも一′つの磁場を作るための６極レンズが設
   けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ３）少くとも一つの磁場を作るため８極レンズが設けら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   装置。 ４）偏向対物糸が全体として無収差結像を行：なうこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の一つに
   記載の装置。 ５）二つの磁気レンズ（’Ｌ）が設けられていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項の一つに記
   載の装置。 ６）三つの磁気レンズ（Ｌ）が設けられていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項の一つに記載
   の装置。 ７）四つの磁気レンズ（Ｌ）が設けられていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項の−って記載
   の装置。 ８）単一の成形ビーム絞り（Ｉｉ’　）が設けられてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項の
   一つに記載の装置。 ９）四つのレンズ（Ｌ）を備える装置内でゾ゛ンデが偏
   向され、集束され、各種形状に成形されることを特徴と
   する特許請求の範囲端１項乃至第８項の一つに記載の装
   置。 １０）　　電子デバイスの製作のため中性粒子を打込む
   ことを特徴とする特許請求の範囲范１項乃至第８項の・
   一つに記載の装置。 １１）中性粒子ゾンデの照射により対象物に微細構造を
   作ることを特徴とする特：Ｉ＋請求の範囲第１項乃至第
   ８項の一つに記載の装置。