DE3635275A1

DE3635275A1 - Mikroionenstrahl-vorrichtung

Info

Publication number: DE3635275A1
Application number: DE19863635275
Authority: DE
Inventors: Yoshimi Kawanami; Tohru Ishitani; Kaoru Umemura; Hifumi Tamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-10-16
Filing date: 1986-10-16
Publication date: 1987-04-16
Also published as: GB2182485B; GB8624242D0; JPH06101318B2; US4755685A; JPS6290839A; DE3635275C2; GB2182485A

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen einer Mikroionenstrahl- Vorrichtung, wie sie für Ionenmikroanalyse, Ionenmikrodotierung, Ionenstrahlschreiben und ähnliches Anwendung findet.

Eine Mikroionenstrahl-Vorrichtung bestrahlt Proben mit einem auf einen Strahldurchmesser von etwa 1 µm oder weniger fein fokussierten Ionenstrahl. Insbesondere soll eine derartige Vorrichtung für einen Mikroherstellungsprozeß für Halbleiterbauelemente ausgelegt werden. Die Ionenquelle besteht aus einer optischen Punktquelle mit einer hohen Helligkeit, wie einer Flüssigmetall-Ionenquelle, einer Feldionisations- Ionenquelle, einem Duoplasmatron oder ähnlichem. Insbesondere wenn man verschiedene Arten von Ionen erhält, beispielsweise durch Verwendung der Flüssigmetall- Ionenquelle, die eine Legierung in ionisierte Stoffe umwandelt, ist es notwendig, einen Massenseparator einzusetzen, um Ionen der gewünschten Art auszuwählen und zu separieren.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Mikroionenstrahl-Vorrichtung, die im wesentlichen aus folgenden Baugruppen besteht: einer Ionenquelle 2 mit einer hohen Helligkeit, elektrostatischen Linsen 3 und 4, die einen von der Quelle emittierten Ionenstrahl 15 so fokussieren, daß ein Objekt 14 längs einer optischen Achse 1 auf Bilder 13 und 13′ abgebildet wird, einer elektrostatischen Ablenkeinheit 5, die den Ionenstrahl auf einen Probenträger 6 ablenkt, und einem E × B-Massenfilter 7, der ein zwischen den zwei elektrostatischen Linsen 3 und 4 installierter Massenseparator ist. Der E × B-Massenfilter 7 besteht aus einer E × B-Ablenkeinheit 12, die aus Elektroden 8 a, 8 b sowie einem magnetischen Pol 9 a für die Massenseparation des Ionenstrahls aufgebaut ist, und aus einer Massenseparator-Blende 10, um ausschließlich gewünschte Ionen herauszuführen. Eine Blende oder Lochscheibe 11 beschränkt den Ionenstrahlstrom.

Der Massenseparator in einer Mikroionenstrahl-Vorrichtung sollte eine hohe Massenauflösung haben, um Ionen nicht gewünschter Arten zu entfernen und sollte gleichzeitig die Strahlfokussierleistung nicht negativ beeinflussen. Der als ein Massenseparator verwendete E × B-Massenfilter 7 ermöglicht die lineare Anordnung des optischen Systems und vereinfacht die Ausführung des Aufbaus und der Achsenausrichtung. Dieser E × B-Massenfilter 7 kann jedoch aufgrund der chromatischen Aberration nicht gleichzeitig die zwei oben genannten Anforderungen hinreichend erfüllen. Die Gründe dafür werden im folgenden kurz beschrieben.

Ein Beispiel für die Verwendung eines E × B-Massenfilters ist in der Veröffentlichung von Ishitani et al., "Mass-Separated Microbeam System with a Liquid-Metal-Ion Source", Nucl. Instr. and Meth. 218 (1983) 363 gezeigt.

Im folgenden wird zuerst das Arbeitsprinzip des E × B- Massenfilters unter Bezugnahme auf Fig. 2 gezeigt. Zu den Grundbauelementen des E × B-Massenfilters gehört eine E × B- Ablenkeinheit 12, die aus einem Paar Elektroden 8 a, 8 b sowie einem Paar magnetischer Polschuhe 9 a, 9 b (9 b ist nicht dargestellt) besteht, um in den Richtungen senkrecht zur ionenoptischen Achse 1 ein elektrisches Feld E bzw. ein magnetisches Feld B zu erzeugen, sowie eine Massenseparator- Blende 10 in einer nachfolgenden Stufe. Die bei einer Beschleunigungsspannung V ₀ längs der ionenoptischen Achse 1 einfallenden Ionen bewegen sich geradlinig fort und treten durch die Massenseparator-Blende 10, wenn sie folgender Bedingung genügen:

Andererseits werden Ionen, deren Massen von m um Δ m abweichen, an der Blende 10 um Δ Xm im Richtung des elektrischen Feldes E von der optischen Achse 1 abgelenkt, wobei

Ist die Energiestreubreite der emittierten Ionen der Ionenquelle Δ V, werden auch Ionen mit der Masse m um Δ Xc abgelenkt.

Das wird dann wichtig, wenn die Beschleunigungsspannung niedrig ist oder wenn die Ionenquelle aus einer Flüssigmetall- Ionenquelle mit einer großen Energiestreubreite besteht.

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Aus der obigen Gleichung (2) läßt sich die Massenauflösung (m/Δ m) des E × B-Massenfilters folgendermaßen definieren:

wobei γ A die Weite der Blende 10 bezeichnet.

Daneben besteht ein oberer Grenzwert in der Massenauflösung, da der Strahl an der Blende 10 aufgrund eines endlichen Öffnungswinkels des einfallenden Ionenstrahls eine bestimmte Breite hat. Das heißt, wenn in der Gleichung (4) γ A ≃ d gilt, bezeichnet d die Strahlbreite. Die Massenauflösung des E × B-Massenfilters ist daher durch das optische System der vorhergehenden Stufe beeinflußt.

Das obengenannte Problem wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben, die einen E × B-Massenfilter darstellt, wie er in einer praktischen Mikroionenstrahl- Vorrichtung Anwendung findet. Die Fig. 3A und 3B verdeutlichen einen Fall, in dem der einfallende Ionenstrahl 15 durch die Linse der nicht gezeigten vorhergehenden Stufe auf die Mittenfläche 21 der E × B-Ablenkeinheit 12 fokussiert ist (Fig. 3B), sowie einen Fall, in dem der einfallende Ionenstrahl 15 auf die Massenseparator-Blende 10 fokussiert ist (Fig. 3A).

Im Fall nach Fig. 3B ist der austretende Strahl 16 aufgrund des Wertes Δ Xc der Gleichung (3) geringfügig aufgespreizt, wie mit Bezugsziffer 18 angegeben. Die Strahlfokussierleistung ist jedoch nicht negativ beeinflußt, da die chromatische Aberration am Brennpunkt 13 aufgehoben ist (vgl. dazu im einzelnen die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 7 550/1985). Die Massenauflösung ist jedoch relativ klein. Im Fall nach Fig. 3A hat der Wert Δ Xc nach Gleichung (3) als chromatische Aberration an den Brennpunkten 13, 13′ die Wirkung, die Strahlfokussierleistung beträchtlich zu verschlechtern. Im einzelnen verändert sich der Wert Xc nicht in Abhängigkeit vom Öffnungswinkel des Strahls und kann nicht beseitigt werden, selbst wenn die Blende auf der Rückseite der Linse 4 eingefügt wird. Der Strahl ist jedoch auf die Massenseparator-Blende 10 fokussiert, und der Strahldurchmesser ist annähernd gleich Δ Xc. Die Massenauflösung ist daher größer als im Fall nach Fig. 3B.

Unter Verwendung des oben beschriebenen herkömmlichen E × B-Massenfilters war es nicht möglich, die chromatische Aberration zu beseitigen sowie gleichzeitig eine hohe Massenauflösung und eine hohe Strahlfokussierleistung zu erzielen.

Um mit diesem Problem fertigzuwerden, wurde ein Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, in dem ein Massenseparator aus Magnetfeldfiltern in vier Stufen Anwendung findet (P. D. Prewett, Vacuum, 34, 931, 1984). Dieses Verfahren kann die chromatische Aberration beseitigen, kann den Strahl auf die Massenseparator-Blende fokussieren und bietet die Wahrscheinlichkeit, eine hohe Massenauflösung zu erzielen. Da in diesem Fall die Ionenflugbahn aufgrund des magnetischen Feldes jedoch stark von der geraden Linie abweicht, wird der Astigmatismus groß (in den vorhergehenden und nachfolgenden Stufen müssen Astigmatismus-Korrektureinheiten vorgesehen werden). Daneben schwankt die Massenauflösung stark nicht nur in Abhängigkeit von der Größe der Massenseparator- Blende, sondern auch von ihrer Position, und es wird schwierig, die Massenauflösung festzusetzen. Bei diesem Massenseparator muß daneben das magnetische Feld unter Verwendung von Elektromagneten verändert werden, die mit geringen Abmessungen schwierig anzuordnen sind.

Die generelle Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Mikroionenstrahl-Vorrichtung zu schaffen, mit der die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll eine erfindungsgemäße Mikroionenstrahl-Vorrichtung eine hohe Massenauflösung haben und mit einem Massenseparator versehen sein, der dem Strahl eine geringe chromatische Aberration verleiht.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine erfindungsgemäße Mikroionenstrahl- Vorrichtung vier Stufen von E × B-Ablenkeinheiten auf, die zwischen zwei Stufen von Linsen in einem Strahlfokussiersystem angeordnet sind. In diesen vier Stufen von E × B-Ablenkeinheiten sind die elektrischen Felder und die magnetischen Felder, die durch die E × B-Ablenkeinheiten der zweiten und dritten Stufe, gezählt von der Seite der Ionenquelle, erzeugt werden, parallel, jedoch entgegengesetzt zu den entsprechenden Feldern der E × B-Ablenkeinheit der ersten Stufe ausgerichtet, und das elektrische Feld sowie das magnetische Feld der E × B-Ablenkeinheit der vierten Stufe sind so ausgerichtet, daß sie parallel zu den entsprechenden Feldern der E × B-Ablenkeinheit der ersten Stufe in derselben Richtung wie diese verlaufen. Weiterhin ist zwischen der E × B-Ablenkeinheit der zweiten Stufe und der E × B-Ablenkeinheit der dritten Stufe eine Massenseparator- Blende vorgesehen.

Aufgrund dieses charakteristischen Aufbaus nach vorliegender Erfindung fokussiert der Massenseparator der Mikroionenstrahl- Vorrichtung den Strahl auf die Massenseparator- Blende, so daß ohne Erzeugung einer chromatischen Aberration die Massenauflösung maximiert wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines optischen Systems in einer herkömmlichen Mikroionenstrahl- Vorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des Prinzips eines E × B-Massenfilters;

Fig. 3A und 3B Diagramme zur Erläuterung der Betriebsweise eines E × B-Massenfilters;

Fig. 4 eine Längsschnittansicht eines optischen Systems in einer erfindungsgemäßen Mikroionenstrahl- Vorrichtung; und

Fig. 5 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Betriebs eines erfindungsgemäßen Massenseparators.

Zuerst wird das Prinzip der Erfindung in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben, die schematisch einen Massenseparator in einer erfindungsgemäßen Mikroionenstrahl-Vorrichtung darstellt. In den in vier Stufen angeordneten E × B-Ablenkeinheiten 12 a, 12 b, 12 c und 12 d sind die Richtungen des magnetischen Feldes Bn und des elektrischen Feldes En entsprechend der Fig. gewählt. Ihre Intensitäten genügen folgender Beziehung:

Ein Ion mit einer Masse m und einer Beschleunigungsenergie eV ₀, das längs einer ionenoptischen Achse 1 auf den Massenseparator auftrifft, bewegt sich geradlinig entlang der ionenoptischen Achse fort und tritt auf der ionenoptischen Achse 1 durch die Massenseparator-Blende 10. Im folgenden sind die Längen der E × B-Ablenkeinheiten 12 a, 12 b, 12 c und 12 d in Richtung der ionenoptischen Achse 1 mit L 1, L 2, L 3 bzw. L 4, der Abstand zwischen den Mittelflächen der E × B-Ablenkeinheit 12 a und der E × B-Ablenkeinheit 12 b ist mit L 12, und der Abstand zwischen den Mittenflächen der E × B-Ablenkeinheit 12 c und der E × B-Ablenkeinheit 12 d ist mit L 34 bezeichnet.

Weiterhin gelten die folgenden Beziehungen:

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Ein Ion mit einer Masse, die sich um Δ m von der Masse m unterscheidet, wird an der Massenseparator-Blende 10 in Richtung des elektrischen Feldes E 2 um unter denselben Bedingungen durch die E × B-Ablenkeinheiten 12 a und 12 b abgelenkt. Dadurch erfolgt eine Massenseparation durch die Massenseparator-Blende 10.

Andererseits wird ein Ion mit der Beschleunigungsenergie e (V ₀ + V) und der Masse m an der Massenseparator- Blende 10 in Richtung des elektrischen Feldes E 2 geringfügig um unter denselben Einfallsbedingungen durch die E × B-Ablenkeinheiten 12 a und 12 b abgelenkt, was auf die Energiestreubreite der von der Ionenquelle emittierten Ionen zurückzuführen ist. Wenn die Öffnung der Massenseparator-Blende 10 jedoch größer als Δ Xc gewählt ist, tritt das Ion durch die Blende und wird durch die E × B-Ablenkeinheiten 12 c und 12 d auf die ionenoptische Achse 1 zurückversetzt. In der auf den Massenseparator folgenden Stufe wird daher durch den Massenseparator keine chromatische Aberration hervorgerufen. Wenn der einfallende Ionenstrahl durch die nicht gezeigten vor- und nachgeschalteten Linsen auf die Massenseparator-Blende 10 fokussiert wird, zeigt der Massenseparator eine maximale Massenauflösung ohne chromatische Aberration, die durch folgende Beziehung gegeben ist:

In obiger Gleichung bezeichnet das Symbol d den Durchmesser des einfallenden Ionenstrahls an der Position der Massenseparator-Blende 10, wenn kein Massenseparator vorgesehen ist. Der Ausdruck γ A bezeichnet die Größe der Massenseparator- Blende 10.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 erläutert.

Fig. 4 zeigt eine Mikroionenstrahl-Vorrichtung, die mit einem Massenseparator 18 versehen ist, der aus vier Stufen von E × B-Ablenkeinheiten 12 a, 12 b, 12 c und 12 d gleicher Größe, die zwischen zwei Stufen von Linsen 3 und 4 in dem Strahlfokussiersystem angeordnet sind, sowie aus einer Massenseparator-Blende 10 aufgebaut ist, die eine Öffnung auf der ionenoptischen Achse 1 hat.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Linse 3 so eingestellt, daß ein Ionenstrahl 15 auf einen Brennpunkt 13 auf der Massenseparator-Blende 10 fokussiert wird, und die Linse 4 ist so eingestellt, daß ein Bild des Brennpunktes 13 auf der Massenseparator-Blende 10 auf einen Brennpunkt 13′ auf dem Probenträger 6 projeziert wird.

Der Massenseparator 18 weist die vier Stufen der E × B- Ablenkeinheiten 12 a, 12 b, 12 c und 12 d auf, die jeweils aus Elektroden 19 a, 19 a′; 19 b, 19 b′; 19 c, 19 c′ bzw. 19 d, 19 d′ sowie aus Polschuhen 20 a, 20 b, 20 c bzw. 20 d aufgebaut sind. Das elektrische Feld und das magnetische Feld im Massenseparator 18 nach diesem Ausführungsbeispiel haben die in Fig. 5 dargestellten Richtungen und sind so eingestellt, daß gilt: E 1 = E 2 = E 3 = E 4 = E und B 1 = B 2 = B 3 = B 4 = B. In diesem Fall sind sämtliche magnetischen Polschuhe 20 a, 20 b, 20 c und 20 d aus Permanentmagneten aufgebaut, die Intensität des Magnetfeldes ist fest, und die Art der Ionen wird durch Veränderung der Intensität E des elektrischen Feldes gewählt. Daher kann sich nur das Ion mit der Masse geradlinig auf der ionenoptischen Achse 1 fortbewegen und kann unter Beibehaltung einer Massenauflösung einer Massenseparation unterzogen werden (Symbole wie in Gleichung (6) definiert).

Die durch die Energiestreubreite der von der Ionenquelle emittierten Ionen hervorgerufene Strahlaufspreizung Δ Xc an der Massenseparator-Blende 10 kehrt auf den Anfangswert zurück, wenn die Ionen den Massenseparator verlassen haben. Mit konkreten Zahlenwerten berechnet sich die durch die Energiestreubreite der von der Ionenquelle emittierten Ionen hervorgerufene Strahlaufspreizung Δ Xc an der Massenseparator-Blende 10 für m = 71 folgendermaßen: d + Δ Xc ≃ d

mit: B = 0,5 T, L 1 = 25 mm, L 12 = 40 mm, V ₀ = 100 kV, V = 20 V, d = 1 µm.

Gilt für die Größe der Massenseparator-Blende 10 γ A = 5 µm, dann gilt γ A ≦λτ d + Δ Xc, und die Massenauflösung nimmt folgende Größe an:

Nach dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel zeigt der Massenseparator in der Mikroionenstrahl-Vorrichtung eine hohe Massenauflösung, ohne eine chromatische Aberration zu entwickeln, was zu einer Steigerung der Strahlfokussierleistung beiträgt. Daneben finden im Massenseparator nach diesem Ausführungsbeispiel keine Elektromagneten Anwendung. Die Massenseparation kann daher mit hoher Geschwindigkeit gesteuert werden, und die Mikroionenstrahl- Vorrichtung ist mit geringen Abmessungen aufgebaut, um den Verbrauch elektrischer Leistung zu verringern.

Im obigen Ausführungsbeispiel fanden vier Stufen von E × B-Ablenkeinheiten 12 a, 12 b, 12 c und 12 d mit derselben Größe Anwendung. Unter der Voraussetzung, daß die Beziehungen nach den Gleichungen (6) bis (8) erfüllt sind, lassen sich dieselben Wirkungen jedoch auch dann erzielen, wenn sich die Abmessungen der vier Stufen der E × B-Ablenkeinheiten unterscheiden.

Die magnetischen Polschuhe in den E × B-Ablenkeinheiten 12 a bis 12 d der vier Stufen sind nach dem obigen Ausführungsbeispiel aus Permanentmagneten aufgebaut. Die magnetischen Polschuhe können jedoch auch durch Elektromagneten ersetzt werden, oder Elektromagneten für die Korrektur können daran angebracht werden, um dieselben Wirkungen zu erzielen.

Im obigen Ausführungsbeispiel ist die Massenseparator- Blende 10 auf der ionenoptischen Achse 1 ausgebildet. Die Position der Massenseparator-Blende 10 kann jedoch auch geringfügig in Richtung des elektrischen Feldes E 1 versetzt werden, um dieselbe hohe Massenauflösung und dieselbe Wirkung für die Entfernung der chromatischen Aberration zu erhalten.

Der Massenseparator nach vorliegender Erfindung zeigt eine hohe Massenauflösung und eine geringe chromatische Aberration wodurch die Mikroionenstrahl-Vorrichtung eine erhöhte Leistung zeigt (gesteigerte Strahlreinheit und erhöhte Strahlfokussierleistung).

In der erfindungsgemäßen Mikroionenstrahl-Vorrichtung findet daneben im Massenseparator kein Elektromagnet Anwendung, was zu einer Verringerung der Abmessungen und des Verbrauchs elektrischer Leistung beiträgt.

Claims

1. Mikroionenstrahl-Vorrichtung mit einer Ionenquelle (2), einem Strahlfokussiersystem (3, 4, 5, 18), das die von der Ionenquelle (2) emittierten Ionen beschleunigt, fokussiert, einer Massenseparation unterzieht und ablenkt, sowie einem Probenträger (6) für die Feinbewegung einer Probe, gekennzeichnet durch einen Massenseparator (18) mit
zumindest zwei Stufen von Fokussierlinsen (3, 4) in dem Strahlfokussiersystem;
vier Stufen von E × B-Ablenkeinheiten (12 a-12 d), die zwischen den zwei Stufen von Linsen (3, 4) angeordnet sind und jeweils ein Paar von Elektroden (19 a, 19 a′; . . .; 19 d, 19 d′) sowie ein Paar von magnetischen Polschuhen (20 a-20 d) aufweisen, um ein elektrisches Feld (E 1-E 4) sowie ein magnetisches Feld (B 1-B 4) in Richtungen senkrecht zur ionenoptischen Achse (1) zu erzeugen, wobei die von den E × B- Ablenkeinheiten der zweiten und dritten Stufe (12 b, 12 c), gezählt von der Seite der Ionenquelle (2), erzeugten elektrischen Felder (E 2, E 3) und magnetischen Felder (B 2, B 3) so ausgerichtet sind, daß sie parallel, jedoch entgegengesetzt zu dem von der E × B-Ablenkeinheit der ersten Stufe (12 a) erzeugten elektrischen Feld (E 1) bzw. magnetischen Feld (B 1) verlaufen, das elektrische Feld (E 4) und das magnetische Feld (B 4) der E × B-Ablenkeinheit der vierten Stufe (12 d) so ausgerichtet sind, daß sie parallel zu dem von der E × B-Ablenkeinheit der ersten Stufe (12 a) erzeugten elektrischen Feld (E 1) bzw. magnetischen Feld (B 1) sowie in denselben Richtungen wie diese verlaufen, und die elektrischen Felder (E 1-E 4) und magnetischen Felder (B 1-B 4) der E × B-Ablenkeinheiten der vier Stufen (12 a-12 d) solche Intensitäten haben, daß ein längs der ionenoptischen Achse (1) auf die E × B-Ablenkeinheit der ersten Stufe (12 a) auftreffender Ionenstrahl (15) längs der ionenoptischen Achse (1) aus der E × B-Ablenkeinheit der vierten Stufe (12 d) austritt; und
einer Massenseparator-Blende (10), die zwischen den E × B-Ablenkeinheiten der zweiten und der dritten Stufe (12 b, 12 c) liegt, um die Ionen einer Massenseparation zu unterziehen.

2. Mikroionenstrahl-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Polschuhe (20 a-20 d) der vier Stufen von E × B-Ablenkeinheiten (12 a-12 d) alle aus Permanentmagneten aufgebaut sind.

3. Mikroionenstrahl-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Stufen von E × B-Ablenkeinheiten (12 a-12 d) im wesentlichen dieselbe Größe haben und im wesentlichen dasselbe elektrische und magnetische Feld erzeugen.

4. Mikroionenstrahl-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der E × B-Ablenkeinheiten (12 a-12 d) den Betrag der Ablenkung durch Veränderung der elektrischen Feldintensität (E 1-E 4) einstellt.