JP2008159584A - 改良ウィーン型フィルタを有する粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
全般的な複雑性を低減し、各ビーム吸収素子の寿命を延長する所望の粒子種（「名目種」）を具体的に選択するように粒子フィルタ装置を改良する
【解決手段】
パターンが、主に、名目運動エネルギーを有する名目質量の種の高エネルギー荷電粒子のビームを用いて、投射システムを介して対象に投射される。ビームを生成するため、粒子源（１１）、速度依存偏向器（３２）、および照射光学システムが設けられる。速度依存偏向手段（３２）は、粒子の速度に依存する名目種の経路に対して粒子経路を偏移させるように粒子に作用する横断双極電界および／または横断双極磁界を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象を照射する粒子ビーム装置の改良に関する。

該装置は、大部分が微小運動エネルギーを有する微小質量の種類の高エネルギー荷電粒子のビームを生成するように構成されるが、粒子が本純物であり得る粒子源と、前記ビームを光路に沿って略テレセントリック／共心な照射ビームに形成する照射光学システムと、ビームの方向に沿って見ると照射光学システムの後に配置され、照射ビームを複数のビームレットに形成するように構成される複数の開口部を備えるパターン定義手段と、パターン定義手段から生じるビームレットを開口部の最終像に形成するように構成される投射システムと、前記最終像の位置に対象を位置決めするように構成される対象ステージ手段とを備える。

この種の粒子ビーム装置は、半導体製造および微細構造の用途で使用される。特に、イオンビーム照射による直接パターニングは、特に３２ｎｍおよび２２ｎｍノード以下の、高分解能を有するナノサイズ装置の将来の産業用製造にとって有望な概念である。パターン定義（ＰＤ）装置はたとえば、ステンシルマスク、好ましくはプログラム可能な多開口部装置である。プログラム可能な多開口部板に基づく多ビーム投射光学システムの実施は、集束単ビームシステムと比較して達成可能な生産性を大幅に向上させることができる。生産性向上の理由は、第１に複数のビームを使用するプロセスの並行性、第２に同一の分解能で基板に撮像可能な電流の増加である。いずれも、ビーム内のクーロン相互作用を大幅に低減することによって可能となる。さらに、投射光学システムに関連する適度な電流密度は結果的に、前駆ガスがビーム誘引化学プロセスのために使用される際のプロセス速度を向上させる。集束ビームシステムと比較して、ビーム強度を大幅に低減することによって、過度の加熱作用を回避することができる。

荷電粒子光学システムで発射物としてイオンを使用すると、マルチカスププラズマ源などの従来のプラズマイオン源によって生成されるイオンビームのビーム不純物の問題が常に発生する。このようなビーム不純物は、通常総ビームの数パーセントの範囲で異なる質量、ひいては異なる運動量および／または運動エネルギーを有し、テール、ダブルパターンまたはぶれたパターンなどの像の瑕疵を引き起こす。

質量不純物（すなわち、名目ビームイオン種とエネルギーは同じだが、異なる質量を有する不純物）は、たとえば、マルチカスプイオン源内の残留ガスから生じることがある。質量不純物は、変動する外場が存在する場合、十分に遮蔽できない不可避の磁界（通常、１０ｎＴの範囲）と組み合わせて、像の瑕疵を生じさせる。

偏移エネルギーを有する粒子はたとえば、名目ビーム種とは異なる電位でイオン化された粒子である。粒子ビームを投射するのに使用される電気光学装置では、上記のエネルギー偏移粒子は変更された焦点距離を受け、その結果、地下の照射または放射テールを生じさせる。

最新の従来技術から既知なのは、ＥｘＢフィルタ、いわゆるウィーンフィルタ、または電界および磁界の組み合わせを用いる同様の装置の使用である。ウィーン型フィルタでは、粒子ビーム、好ましくは小径のビームが、定義されたビームエネルギーおよび質量を有する粒子のみが最初の方向を保持するように配向された重畳電界および磁界の作用を受ける、他の粒子は経路から偏向して、普通はビーム制限開口部またはスリットダイヤフラムで偏向されたビーム部分を吸収することによって除去される。

最先端ウィーンフィルタの欠点は、（ｉ）フィルタ内のビーム粒子のクーロン相互作用が、それに続く電気工学装置内で拡がる収差とエネルギーを増大させることと、（ｉｉ）比較的高い電流密度が生じることは通常不可避であるため、不要なビーム部分を吸収するために必要な開口部（またはスリット板）にビームの破壊的な効果が及ぼされることである。さらに、ウィーン型フィルタを設けると、鏡筒の長さが増大し、機械的および電気的構成が複雑化される。

像のぶれとは別に、イオン照射がダイヤフラムやビーム形成素子などの光学装置のビーム限定素子の損傷を促し、ビームの１部がスパッタリングまたは所望しないイオン注入を引き起こすという問題が常に生じる。この問題は、吸収素子などの適切な手段によって基板に到達するのを防止する必要のあるビーム不純物と関連した場合、特に厄介である。

本発明の目的は、上記の欠点を克服し、全般的な複雑性を低減し、各ビーム吸収素子の寿命を延長する所望の粒子種（「名目種」）を具体的に選択するように粒子フィルタ装置を改良することである。

この目的は、最初に説明された装置を用いて達成される。該装置では、照射光学システムは、光路を横断する双極電界および／または光路を横断する双極磁界を有する偏向場を形成するように構成される速度依存偏向手段を備え、偏向場は粒子に作用して各自の名目経路に対してビームレット内の粒子経路の偏移を生じさせるように構成され、前記偏移は粒子の速度に依存し、画定手段はパターン定義手段または投射システムの素子として設けられ、前記画定手段は、経路が画定手段の位置でビームレットの名目経路から偏移する粒子を除去するように構成される。この開示の状況では、「速度依存」のような用語は、実際のビーム粒子（所望の種または不純物粒子の粒子であってもよい）の速度に依存することを常に意味する。

本発明は、鏡筒の長さと提供される光学素子の数を大幅に低減することができる。この改良は複雑さを低減するだけでなく、外場による妨害を受けにくくする。ビーム粒子に加えられる偏向は、最先端の概念と比較してもさらに少なくすることができる。その結果、同程度の鏡筒長およびビームエネルギーを有する最先端の装置と比べて、偏向器素子でずっと小さな場強度を使用することができる。本発明によると、選択される偏向粒子のドリフト長は大幅に増大する。

さらに、これらの不純物を阻止するために使用される画定吸収板の位置でのビーム不純物の強度は、少なくともＰＤ装置の間隙比によって通常総強度の数パーセントまで低減されることで、画定板の寿命を向上させる。このことは、重イオンビームが使用される場合、通常は重大なスパッタリングを引き起こすので特に重要である。
本発明のもう１つの利点は、最新技術と比較して、クーロン相互作用の効果が低減することである。これは、最新技術の装置では、追加のクロスオーバーが照射システムで必要とされ、ウィーン偏向器の粒子ビームエネルギーが必須の質量およびエネルギー分解能を達成するため比較的低い値に限定されるために生じる。従来は、ウィーン偏向器の位置での粒子は通常、低いエネルギー（たとえば、５ＫｅＶ）を有するが、ビーム径が実質上小さい本発明のフィルタ装置は、高エネルギー（たとえば、２０〜１００ＫｅＶ）で動作させることができる。

好ましくは、照射光学システムは、ビームが横断する箇所では、径がＰＤ手段の横拡張部よりも少なくとも１桁大きい照射ビームを形成するように構成される。高処理能力を可能とする好適なタイプの装置では、ＰＤ手段は複数の静電ビームレット偏向器を備え、各偏向器は、ＰＤ手段の各自の開口部と対応付けられ、ビームレットを名目経路から偏向させるのに十分な量を含め個々の制御信号に応じた量、各自の開口部を横断するビームレットを偏向させるように構成される。

好適には、パターン定義手段は投射システムの対象面に、またはその近傍に配置されるため、その位置に導入される偏向は非常に小さく、たとえば、ソース関連のエネルギー拡散のため、像の歪みは生じず、許容可能である。

画定手段の簡易だが有効な実現を可能にする好適な実施形態では、画定手段は投射システムに形成されるクロスオーバーの近傍に配置され、クロスオーバーの位置を取り巻く開口部を有する吸収板を備え、吸収板の開口部の形状と位置は組み合わされるビームレットの名目経路と一致し、組み合わされた名目経路外に伝播する粒子は開口部板に衝突する。
速度特定偏向手段は、ソースから発散するビームが横方向寸法が小さいために偏向装置を小型にできる位置に、照射光学システムの第１の素子として配置することができる。照射光学システムの別の素子は、好ましくは、粒子光学レンズ素子である。

パターン定義装置の前の位置に配置される速度選択素子は、運動量および／または運動エネルギー値に対して粒子を選択する。ある好適な実施形態では、それはウィーン型のＥｘＢ場機構である（運動量分析器で使用される）。一般的な単独の場（Ｅ場またはＢ場）の素子は、名目粒子のビームの中心が名目光路に沿って伝播するように光軸の屈折を伴うと十分である。名目種粒子の直線経路を得るためには、偏向場は、互いに垂直で、１束の放射方向の線源点から逸れる粒子経路に垂直な電界および磁界の組み合わせを有する。好ましくは、電界および磁界は、名目種に一致する粒子に関し偏向効果が互いに相殺しあうように選択された場強度を有することができる。

さらに、画定手段がＰＤ手段の後に配置される場合、複雑さを相当低減することができ、ＰＤ手段の前に配置される速度依存偏向手段は、名目種と一致しなくてもビーム粒子が実質上妨害されずにパターン定義手段を横断できるように偏移を生じるよう構成される。
偏向手段を横断するビームが平行ではなく分岐している場合、有利な実施形態には、１組の静電電極および／または１組の静磁電極を備える速度依存偏向手段が設けられ、各電極がビームに向かって配向する平面を有し、平面の面は幾何学的延長が粒子源の仮想線源点と交わるように向いている。

本発明の有利な改良では、様々な目的で２種類以上の粒子を使用する。次に、粒子源は前記粒子種の１つを名目種として特別に選択する多数の場構造で動作する。たとえば、第１の粒子種は、検査および計測のために使用することができ、１つまたは複数の第２の粒子種は対象の照射のために使用することができる。

以下説明する本発明の好適な実施形態は、出願人（譲受人）のＵＳ第６、７６８、１２５（＝ＧＢ２ ３８９ ４５４ Ａ）号に開示されるパターン定義（ＰＤ）システムと大幅縮小投射システムとを有するＰＭＬ２型粒子ビーム露光装置に基づく。以下、該装置の最初の技術的背景を本発明に関連する限り説明し、次に本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は以下の実施形態にもＰＤシステムにも限定されず、単に本発明の可能な実施の１つを表すだけであると理解すべきである。むしろ、本発明は、投射ステージで粒子ビームを採用する別の種類の処理システムにも適する。

ＰＭＬ２システム
本発明を採用するマスクレス粒子ビーム処理装置ＰＭＬ２を図１に概略的に示す。以下、本発明を開示するのに必要な詳細のみを記載する。明瞭化のため、構成要素は図１で等しく縮小して示されておらず、特に粒子ビームの横幅は誇張されている。さらなる詳細に関しては、ＵＳ第６、７６８、１２５号を参照されたい。

上述したように、粒子源によって生成される粒子ビームがＰＭＬ２システムで使用される。照射光学システムは、対象面に投射されるビームパターンを定義するため、そのビームを一定の開口部列を有するＰＤ手段を照射する広幅ビームに形成する。各開口部では、小ビームが定義され、各ビームの開口部の通過は、対象に向かって各自の開口部を通るビームの粒子の通過を可能にする（「スイッチオン」）あるいは有効に停止させる（「スイッチオフ」）ように制御することができる。開口部列（または、より正確には、スイッチオンされた開口部列）を通過するビームは、開口部の空間配列によって示されるようなパターン情報を保持するパターン粒子ビームを形成する。次に、パターンビームは粒子光学投射システムによって対象（たとえば、半導体基板）に投射され、そこで開口部の像は照射された部分の対象を変更するように形成される。ビームによって形成された像は、各電界上の直線経路に沿って移動し、走査方向に垂直な方向にビームを追加で走査する必要はない（必要に応じ、走査ステージの横走行誤差を補償する場合を除く）。

装置１００の主要な構成要素は、図１の例では下方に垂直に走るリソグラフィビーム１ｂ、ｐｂの方向の順で、照射システム１０１、ＰＤシステム１０２、投射システム１０３、および対象または基板１４を有する対象ステーション１０４である。粒子光学システム１０１、１０３は、静電レンズまたは電磁レンズを用いて実現される。装置１００の電気光学部品１０１、１０２、１０３は、装置の光軸に沿ったビーム１ｂ、ｐｂの妨害のない伝播を確保するため高真空で保持される真空ハウジング（図示せず）に収容される。

照射システム１０１はたとえば、イオン源１１、仮想線源の位置を確定する抽出装置１１ａ、粒子フィルタ１２、および集光レンズシステム１３によって実現される照射光学素子を備える。使用されるイオンは、たとえば、水素イオンまたは重イオン素子であってもよい。この開示の状況では、重イオンとは、Ｏ、ＮなどのＣより重いイオンまたは希ガスＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅを指す。イオンとは別に、粒子は（電子銃から放射される）電子であってもよい。あるいは、一般的には、他の荷電粒子も使用することができる。

イオン源１１は、たとえばΔＥ＝１ｅＶの比較的小さなエネルギー拡散で、通常数ｋｅＶの画定された（運動）エネルギー（たとえばＰＤシステム１０２で５ｋｅＶ）を有するＡｒ^＋イオンなどの、主に特定の種の高エネルギーイオンを放射する。しかし、イオン源は、他の種の荷電粒子も放射することが通常は避けられない。速度／エネルギー依存フィルタ１２は、このような不要な粒子種を除去する役割を果たす。このフィルタについて以下さらに説明する。電気光学集光レンズシステム１３によって、イオン源１１から放射されるイオンは、リソグラフィビーム１ｂとして機能する幅広の実質上テレセントリックなイオンビームに形成される。ビームのテレセントリック性は、ＰＤ装置の位置で光軸から±２５μｒａｄ逸脱する範囲内にある。その結果、２００ｘ低減システムと、ＰＤ装置および基板での等しい粒子エネルギーとを前提とすると、テレセントリック性の範囲は基板の位置で光軸から±５ｍｒａｄの逸脱となる。

次に、リソグラフィビーム１ｂは、その位置を保持するのに必要とされる装置とともに、ＰＤシステム１０２を形成するＰＤ装置を照射する。ＰＤ装置はリソグラフィビーム１ｂの経路の特定位置に保持され、リソグラフィビーム１ｂは、複数の開口部２１によって形成される開口部パターンを照射する。上述したように、各開口部は、ビームレットが各自の開口部を通過して対象に至るように「スイッチオン」すなわち「開放」される（開口部は入射ビームに対して透過であると言われる）。そうでなければ、開口部は「スイッチオフ」すなわち「閉鎖」される。

その場合、各ビームレットのビーム経路は、対象に達することができる前に吸収される、あるいはそれ以外の形でビーム経路から除去されるというような影響を受ける（よって、開口部はビームに対して有効に不透過または不透明である）。これらの開口部は、開口部から生じるパターンビームｐｂに形成されるビーム１ｂに対して透過なＰＤ装置の単に１部であるので（すなわち、図１では、ＰＤシステム１０２の下）、スイッチオンされた開口部のパターンは、基板上に露光されるパターンに従い選択される。ＰＤ装置のアーキテクチャと動作、特にめくら板のアーキテクチャの詳細に関しては、ＵＳ第６、７６８、１２５号を参照されたい。図１では、パターンビームｐｂに５つのみのビームレットが示されており、左から２つ目のビームレットは、吸収板１７に吸収されるとスイッチオフされる。一方のスイッチオンされたビームレットは板１７の中央開口部を通過して、対象に投射される。

次いで、パターンビームｐｂによって表されるパターンは、電気光学投射システム１０３を用いて基板１４に投射され、そこで、スイッチオンされたマスク開口部の像を形成する。投射システム１０３は、たとえば、２００分の１の縮小を実行する。基板１４は、たとえば、フォトレジスト層で覆われたシリコンウェハである。ウェハ１４は、対象ステーション１０４のウェハステージ（図示せず）によって保持され位置決めされる。

図１に示される本発明の実施形態では、投射システム１０３は、クロスオーバーｃ１、ｃ２をそれぞれ有する２つの連続する電気光学投射器ステージから成る。静電撮像システムの技術的実現は、たとえば、出願人のＵＳ第４、９８５、６３４号（＝ＥＰ第０ ３４４ ６４６号）などの従来技術において公知であるので、投射器を実現するために使用される静電レンズ３０は図１に象徴的にのみ示される。第１の投射器ステージは、ＰＤ装置の開口部の面を中間像に撮像し、その中間像が次に第２の投射器ステージによって基板面に撮像される。両ステージは、クロスオーバーｃ１、ｃ２を介した縮小撮像を採用する。

よって、中間像が反転される間、基板上に生成される最終像は垂直（非反転）である。両ステージで縮小率は約１４分の１で、結果的に全体の縮小は２００分の１になる。この桁の縮小は、ＰＤ装置の小型化問題を向上させるため、リソグラフィ構造では特に適切である。

ビームｂｐ自体の横幅より小さい量、像に対する小さな横方向の移動、すなわち光軸ｃｘに垂直な方向の移動を導入する手段として、投射器ステージの一方または両方に偏向手段（図示せず）を設けることができる。上記偏向手段はＵＳ第６、７６８、１２５号に記載されるように、たとえば、多極電極システムとして実現することができる。さらに、必要に応じて、基板面におけるパターンの回転を生成するため、磁気コイルを使用することができる。電気光学レンズは主に静電電極から成るが、磁気レンズも使用可能である。

ＰＤシステム１０２で形成されるパターンを制御することによって、任意のビームパターンを生成して、基板に移送することができる。好適には、基板が入射ビームの下で移動される走査ストライプ露出法が利用されるため、ビーム走査法は不要である。ビーム走査法では、ビームの位置が永続的に変更されるので、ビームが単集束ビームシステムの場合のように（やや止まっている）対象上を有効に走査される。

ウィーンフィルタ（最新技術）
上述したように、粒子ビーム処理装置１００は、ビーム１ｂから不所望の粒子種を除去するための粒子フィルタを備える。最も一般的な種類のフィルタは、以下詳述するように主に粒子速度と比電荷に依存するウィーン型フィルタである。図２に概略的に示される「標準的な」ウィーンフィルタは、ウィーン偏向器２２と画定開口部２５とを備える。ウィーン偏向器２２は、当該空間全体で互いに垂直であると同時に、選択される粒子ビーム（名目粒子）の速度ベクトルＳ＝ｖ・ｅ_ｚに垂直な静磁界Ｂおよび静電界Ｅ（これらの２つの場がベクトル場であることを考慮して）によって実現される。ここで、リソグラフィおよび処理装置に関してはよくあるように、ビームの光軸はｚ軸に沿うと推定される。

図２に示される単純なケースでは、均一静電界Ｅは長さＬの平行に荷電された板によって生成され、均一磁界Ｂは同じ長さの適切な静磁回路（図２には図示せず。図２では、磁界は紙面に垂直である）によって生成される。ビームの角度偏向Δψは、速度の変化Δｖが速度ｖ（Δｖよりずっと大きいと推定されるので、Δψは小さい）の方向と垂直であることを考慮に入れて、
Δψ＝Δｖ／ｖ＝（Ｆ／ｍ）・Δｔ／ｖ＝（ｅ／ｍ）（Ｅ＋ｖＢ）・（Ｌ／ｖ^２）
となる。ニュートンの法則Ｆ＝ｍΔｖ／Δｔ（Δｔ＝Ｌ／ｖは粒子が板機構を通過するのに必要な時間である）と、クーロンの法則Ｆ＝ｅ（Ｅ＋ｖＢ）（ここでは、ベクトル量は適切に方向付けられるため、スカラーバージョンを使用することができる）が使用される。これは、
Δψ＝（ｅ／ｍ）Ｌ（Ｅ／ｖ^２＋Ｂ／ｖ）
と解釈するように再構成することができる。

この関係が実証するように、固定偏向装置を前提とすると、偏向は当該粒子種の２つの特性、（ｉ）速度ｖと（ｉｉ）比電荷ｅ／ｍに依存する。この見解は、電界または磁界のみを有する偏向器、さらには電磁界の非垂直配列を有する偏向器にも適用される。粒子運動量（ｍｖ）と運動エネルギー（ｍｖ^２／２）の速度依存により、速度依存フィルタは、運動量／エネルギー依存フィルタとしても見ることができる。

粒子ビームが速度または運動量／運動エネルギーによって定義される異なる特性の粒子種を含む場合は必ず、偏向器は対応する偏向値に応じた方向にビームを分割することによってビームを分析する。したがって、偏向器２２は、分析手段と呼ぶこともできる。偏向器２２の後には、板２５の開口部を横断する粒子を除くすべての粒子を阻止する画定開口部板２５が設けられる。よって、粒子は、偏移Δψの定義された範囲に画定される。

特定の速度値ｖ_０の粒子を除去する場合、非常に一般的なアプローチは、Ｅ＝ｖ_０Ｂ（負の符号を省略）の関係に応じる場強度Ｅ、Ｂを選択することである。場が速度ｖ_０の粒子に及ぼす効果は正確に相殺し合う。その速度を有する粒子は、他の粒子が偏向される間、軌道を変更せずにフィルタを横断する。偏向は実際の速度ｖよりずっと大きく、名目値ｖ_０から外れる。したがって、それらの粒子は、開口部板２５などのビーム経路を横方向に画定する素子によって粒子を阻止することのできる名目速度（および名目比電荷）を有する粒子の経路から逸れる。

図１を再び参照すると、最新技術のＥｘＢ運動量フィルタ装置は照射光学装置の第１のレンズのような集束素子を有する運動量選択偏向器１２と、パターン定義装置１０２の前の開口部板１５とを組み合わせる。偏向素子１２と画定素子１５とを互いに密接に配置することによって、フィルタリング効果は選択する場の達成可能な強度に大きく左右され、通常はイオン質量の増大に応じて低減する。

分離ウィーンフィルタ
図３は、本発明によるウィーン型フィルタ機構を有するマスクレス粒子ビーム処理装置３００の概略図である。図１の装置１００とは対照的に、速度依存偏向器３２とＰＤ装置１０２の間には画定開口部板が存在しない。偏向器３２では、粒子は速度と比電荷に関して分析され、結果的に運動量／エネルギーに依存して偏向した後、クロスオーバーのうち１つ、この場合、第２のクロスオーバーｃ２に達するまでＰＤ装置１０２および投射システム１０３を通過して伝播する。クロスオーバーｃ２の位置でのみ、偏移する粒子は、本発明による画定素子として機能する吸収板３７によって阻止される。

これを示すため、図３の点線は、質量は偏移するが名目粒子（その軌道は実線で示す）と同じ運動エネルギーを有する特定の種類の粒子の軌道を示す。後者と対照的に、質量の偏移する粒子は、ＰＤ装置１０２と対象１４間に配置される吸収板３７で阻止される。

類似のケースで、すなわち、運動エネルギーの偏移する（質量と電荷は同じ）粒子を図４に示す。異なるエネルギーの結果として、軌道が再び点線として示される「誤った」運動エネルギーのビームレットは、ｚ軸に沿って明らかに位置のずれた焦点位置を形成する。ウィーン偏向器により、ビームレットは横方向に移動させられる。したがって、それらのビームレットの大半は、吸収板３７で阻止される。ごくわずかな部分が板３７を通過し、非常に焦点がぼけたビームとして基板１４に達する。後者は、許容可能である、あるいは既知の「フォギング補正」と類似の方法または電子ビーム直接書込技術での近接補正を採用して、線量補正手順を用いるために補正可能であるわずかなバックグラウンド線量を生じる。

図３および４に示される構成は、ビーム照射経路に１つのクロスオーバーを配置する。その結果、本発明は鏡筒の長さを大幅に低減し、レンズの数も低減される。さらに、吸収板３７は、スイッチオフされたビームレット（図１に示されるのと同じ動作スキームによって）を阻止するだけでなく、汚染ガスなどの名目粒子種（図３および４）に合致しない粒子を除去するのに供するという二重の機能を備える。したがって、吸収素子の数は、図１に示される従来技術の構成と比較して低減される。概して、本発明は、装置の複雑さを明確に低減させる。

好都合なことに、吸収板３７は、粒子ビームの衝撃下で緩やかな侵食速度を示す物質で実現される。適切な材料は、荷電作用を回避するために非導電性である。さらに、二次電子の放出を防止するように、陽電位を吸収板３７に印加することができる。

画定吸収板が容易に置換可能な部分（消耗部）として実現される場合、非常に好都合である。さらに、使用される実際のイオン種に関して適切に選択される、材料または面構造などの異なる特性を有する異なる面を配列することが可能である。よって、異なる質量、つまり、蒸着または撮像のために軽量、スパッタリングおよびエッチングのために重量のイオンを採用して、動作モードを切り換えることができる。

提示される装置は、イオン源と、質量および／またはエネルギー選択偏向器と、高度平行ビームを生成できる集光システムと、個々のビームを偏向するために外部コンピュータ手段によって対応可能に構成されるＰＤ装置と、パターン定義装置によって生成および偏向される個々のビームを阻止することのできる少なくとも１つの吸収板（阻止板または画定板）を有する大幅縮小投射光学装置とを備える直接パターニングが可能な光学スキームを実現する。２００分の１などの大縮小率は、平行均一ビームをビーム列に成形することがタスクのパターン定義装置の開口部板に、基板での最終電流密度よりも相当小さいビーム電流密度を（本例では４０、０００分の１）にさらすという利点を有する。

したがって、大縮小率は、パターン定義装置の寿命限定部品に対して、また現実的な処理量の生産工程において、実行可能なサイクル時間を可能にする。さらに、ナノ構造に対して数マイクロメートルのサイズを有し（たとえば、１５ｎｍの幾何学的なスポットサイズに対して３μｍの開口部）、板の搭載／取外し構成を実行することによって容易に置換可能な板を有するパターン定義装置の構成要素としてＭＥＭＳ構造板を使用することができる。

ＰＤ装置の前の位置で運動量／エネルギー選択素子を、およびＰＤ装置の後で対応する画定素子を使用することによって、（フィルタ処理されていない）粒子スペクトルがＰＤ装置を横断することのできるビーム粒子のフィルタリングが達成される。ＰＤ装置はたとえば、ＵＳ第６、７６８、１２５号でさらに説明されるように、少なくとも開口部板（ビーム制限）および偏向器（めくら板）を備えるいくつかの板の群として達成される。ビーム方向に沿ったＰＤ装置の拡張は非常に小さく、ビーム不純物の実際の偏向は十分わずかであるため、ビームは、わずかに偏向した角度で入射するビーム成分でも、ＰＤ装置内の素子に接触しないし影響も及ぼさない。ビーム粒子にフィルタをかけ、最終的に吸収板でビーム粒子を阻止する必要のある標準的な偏向角は非常に小さく、通常０．２５〜１．０ｍｒａｄの範囲である。フィルタリングのための小さな閾角は、偏向器と吸収板の間の大きな距離によって可能とされる。

ＰＤ装置の位置は、好適には投射光学装置の対象面またはその近傍に選択されることは言及しておく価値がある。名目粒子（粒子源は、ソース技術に応じて通常０．１〜５ｅＶ拡散するエネルギーを常に有する）の角拡散は一次的に、ぶれまたはずれの形で像誤差を含まないことが特に重要である。ＰＤ装置を（投射システムの）対象面またはその近傍に置くと、運動量／エネルギー選択素子は、名目質量粒子に対するＰＤ装置での開口数ＮＡ（局部発散角）をわずかに増大させるだけである（２０ＫｅＶのビームエネルギーと５ｅＶ（ＦＷＨＭ＝半値全幅）のエネルギー伝播を仮定すると、ＮＡの増加は通常±１μｒａｄより小さい）。

本発明の変形では、偏向素子は、図５および６にそれぞれ示されるように、横断電界または横断磁界のみを有することができる。この場合、粒子の名目種に対する偏向作用は相殺されない。むしろ、名目種は特定の量、別の種はより大きいまたは少ない量偏向される。したがって、ビームの経路は直線状の光軸ではなく曲がっており、偏向器を介して湾曲する光路に沿って伝播する。同じことが、電界および磁界が上記の関係にしたがい整合されていない複合電磁偏向器に当てはまる。

図５に示される構成は、すべての粒子が偏向し、偏向量が粒子運動エネルギーに依存する静電偏向素子５２を採用する。点線は１例として、非常にぼけたビームとして、大部分が吸収板３７で阻止され、ごく小数部分のみが基板に達する偏移（低減された）エネルギーの粒子の軌道を示す。

図６に示される変形装置では、粒子運動量に依存するようにすべての粒子を偏向する磁界偏向素子６２が設けられる。図６では、磁界は紙面に直角に走る。場を生成する磁気回路は、明瞭化のため図示しない。点線は、吸収板３７で阻止される、質量は偏移する（大きい）が同一のエネルギーを有する粒子の軌道を１例として示す。

すべての変形では、漂遊場によるフィルタ処理されたビームの角偏向は、図面では明確に示されない多極場（４極、６極）によって補正することができる。好適な変形では、１２個の個々の電極を有する１つの多極が、フィルタリングのための双極場と、それと同時に、漂遊場を補正するための６極場を形成するために使用することができる。

発散粒子ビーム用ウィーン偏向器
上述したように、一般的な粒子ビーム処理装置では粒子ビームは点状仮想線源から逸れる。したがって、図２のものの上の単純な偏向器構造を検討することが、パフォーマンスの向上につながる。以下の説明では、ソース点が座標系の原点に来るように座標系が選択される。ソースから発せられる粒子ビームの主方向がある場合、ｚ軸がその方向と一致するように選択される。次に、粒子の速度ベクトルをすべてＳ＝ｖ・［ｘ、ｙ、ｚ］／ｒによって表すことができる。ただし、ｒは原点から点の距離である（ｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２＋ｚ^２）（ここで、角括弧は、デカルト座標の成分によりベクトル量を表すために使用される）。

電磁界構造は、図２の単純な例よりもさらに一般的である。ベクトル量の配向条件としては、ベクトルＥ＝［Ｅ_ｘ、Ｅ_ｙ、Ｅ_ｚ］、Ｂ＝［Ｂ_ｘ、Ｂ_ｙ、Ｂ_ｚ］、および速度Ｓ＝［Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚ］が相互に直交している。これらの条件と関係｜ｖ｜＝｜Ｅ｜／｜Ｂ｜は、電界および磁界の６つの自由度のうちの４つを固定する。残りの２つの自由度は、適切に選択することができる。技術的に実現しやすい磁界構造を得ることのできる１つの選択は、Ｂ_ｘ＝ｙ／（ｘ^２＋ｙ^２）、Ｂ_ｙ＝−ｘ／（ｘ^２＋ｙ^２）である。この選択の結果、磁界がｙ軸に沿って電流を保持する導体線の磁界に一致する場構造となる。完全な成分は、場の絶対値を定義する適切な定数を有する
Ｅ ＝（Ａ／ｖｒ）［−ｘｚ／（ｘ^２＋ｙ^２）、−ｙｚ／（ｘ^２＋ｙ^２）、１］、
Ｂ＝Ａ［ｙ／（ｘ^２＋ｙ^２、−ｘ（ｘ^２＋ｙ^２）、０］
である。

この構造の電界線および磁界線は、座標の原点を中心に球体上を伸びるものとみなすことができ、網状組織は地球の経度線と緯度線とそれぞれ類似する。磁界線はｙ軸に沿って走る円周で（各円周の埋込面はｘｚ面と平行である）、電界線はそれぞれがｙ軸を通る面を走る（半）円周線である。電界線および磁界線の上記球体の１部が図７ａに示される。技術的実行は粒子ビームに対して限定された立体角のみを要するため、１部のみが必要とされる。この種の電界に近似するのが、二重円錐７ｅ１、７ｅ２として形成される等電位面によって生成される場である。

円錐の頂点がソース点で、正電位が二重円錐のうちの一方の円錐に印加され、逆（負）電位が他方の円錐に印加される。磁界は、（厳密な意味で、あるいは幾何的に延長されたとき）ｙ軸に沿って交差するように配向された２つの平面静磁電極７ｍ１、７ｍ２間に生成される磁界と十分に近似させることができる。場構造の例、すなわち、ｘｚ面の磁界とｘｙ面の電界が、図７ｂおよび７ｃにそれぞれ示される。電極７ｅ１、７ｅ２、７ｍ１、７ｍ２の可能な配列も示す。

発散ビーム用の場構造を実現するため、本発明は、均一場を生成する、すなわち、電位線の方向（結果的に、ビーム方向に沿って）に配向され、適切な電位を印加された多極ロッドを用いる多極機構の使用に類似する方法を活用する。よって、ロッド状の電界電極および／または磁界電極が発散ビームの周囲の適切な形状（たとえば、二重円錐）に沿って使用され、所望の場に十分近似させる適切な静電電位または静磁電位（すなわち、電圧または磁化）が印加される。この場合、特別な磁界構造のため、多電極配列が電界を生成するためにだけ使用されている間、角度を包含するように配向された磁気電極を使用することで十分である。この特別な電極構造は、ここでは「偏移多極」と称する。磁界電極面の想像上の延長は、仮想線源点の位置で交差する。同じことが、電界多極電極面の想像上の延長にも当てはまる。

図８および９は、偏移多極構成の実施形態の縦断面図を出口開口部の図をそれぞれ示す。図８の横軸は光軸で、場構造のｚ軸と一致する。磁界は破線で、電界は点線で示される。この構成では、８個の静電電極８１が、８極構成を形成するために設けられる。電極は全体が、上部と下部が除去された角錐台に似た形状で、ビーム８０は「上」面から入って、「下」面で出る。よって、開口部の半径は、最初の半径Ｒ１から始まり、最終的な半径Ｒ２まで増える。電極は、ビーム８０の開口角α０よりも数倍大きい開口角α１を包含する。電極８１は、対抗する側に位置する２個の磁気電極８２によって囲まれる。電極８２は開口角α２を含み、図９に象徴的に示される静磁回路の１部である。電極用の電源−電極８１用の電圧電源と電極８２を提供する磁気回路用の電流電源−は明瞭化のため図８および９には示さない。電界電極および磁界電極のそれぞれの長さＬ１、Ｌ２（ｚ軸に投射される）は、好ましくは互いにおよそ等しくあるべきである。

多極電極８１を用いるビーム８０に高位の多極場を課すことによって、発散ビームで生じる角度収差を補償することができる。

本発明の別の側面によると、２つ以上の種の粒子を放射する粒子源（たとえば、供給原料ガスの混合で供給されるマルチカスプ源）を使用することができ、それらの粒子種のうちの１つが、選択場の適切な選択によって選定される。選択場を変更することによって、容易かつ迅速に異なるイオン種を名目種として切り換えることができる。異なるイオン種を、異なる構造プロセスおよび／または異なる動作ステップのために使用することができる。可能な用途の１つとして、Ｈｅ＋などの軽イオンは検査および計測のために使用することができ、Ａｒなどの重イオンは対象の実際のパターニング（処理）のために使用することができる。

本発明の別の側面では、偏向ビーム成分の検出による、イオン鏡筒（「ビームロック」）内のビーム配列の測定のために意図的にビーム不純物を使用することができる。たとえば、ナイフエッジを用いて、空間分解能を有する偏向ビーム成分の検出によって実行することが可能である。別のアプローチは、たとえば、配列測定の間のみ、±１００ｅＶの範囲で抽出電圧を変動させることによって、短時間粒子のエネルギーを変更することである。

以下、本発明を以下の図面を参照しつつさらに詳細に説明する。
最先端粒子フィルタ機構を有する処理装置の概略縦断面を示す。 ウィーン型偏向器の動作原理を示す。 ウィーン型偏向器とＰＤ装置の後に配置される対応する画定板を有する本発明の処理装置を示し、点線は多量の不純物を表す粒子の軌道を示す。 図３の処理装置を示し、点線は名目エネルギーから偏移するエネルギーを有する粒子の軌道を示す。 静電偏向器で動作する変形を示す。 静磁偏向器で動作する別の変形を示す。 座標の原点から分岐するビームのためのウィーンフィルタの場構造を示し、図７ａは電界および磁界線のシェルの１例を示す。 座標の原点から分岐するビームのためのウィーンフィルタの場構造を示し、図７ｂはＸＺ面の磁界を示す。 座標の原点から分岐するビームのためのウィーンフィルタの場構造を示し、図７ｃはＸＹ面の電界を示す。 図７ａ−ｃに対応する場構造を実現する「発散多極」ウィーンフィルタの構成原理を示す。 図７ａ−ｃに対応する場構造を実現する「発散多極」ウィーンフィルタの構成原理を示す。

符号の説明

１ｂ 照射ビーム
３２ 速度依存偏向手段
３７ 画定手段
１１ 粒子源
１００ 粒子ビーム装置
１０１ 照射光学システム
１０２ パターン定義手段
１０３ 投射システム
１０４ 対象ステージ手段

Claims (11)

1. 大部分が微小運動エネルギーを有する微小質量の高エネルギー荷電粒子のビームを生成するように構成される粒子源（１１）と、
   前記ビームを光路に沿って略テレセントリック／共心な照射ビーム（１ｂ）に形成する照射光学システム（１０１）と、
   ビームの方向に沿って見ると照射光学システムの後に配置され、照射ビームを複数のビームレットを形成するように構成される複数の開口部を備えるパターン定義手段（１０２）と、
   パターン定義手段から生じるビームレットを開口部の最終像に形成するように構成される投射システム（１０３）と、
   前記最終像の位置に対象を位置決めするように構成される対象ステージ手段（１０４）と
   を備える対象（１４）を照射する粒子ビーム装置（１００）であって、
   照射光学システムは、光路を横断する双極電界および光路を横断する双極磁界のうち少なくとも１つを有する偏向場を形成するように構成される速度依存偏向手段（３２）を備え、偏向場は粒子に作用して各自の名目経路に対してビームレット内の粒子経路の偏移を生じさせるように構成され、前記偏移は粒子の速度に依存し、
   画定手段（３７）はパターン定義手段または投射システムの素子として設けられ、前記画定手段は経路が画定手段の位置でビームレットの経路から偏移する粒子を除去するように構成されることを特徴とする粒子ビーム装置。
2. パターン定義手段は複数の静電ビームレット偏向器を備え、各偏向器は、パターン定義手段の各自の開口部と対応付けられ、ビームレットを経路から偏向させるのに十分な量を含め個々の制御信号に応じた量、各自の開口部を横断するビームレットを偏向させるように構成されることを特徴とする請求項１の装置。
3. パターン定義手段は投射システムの対象面に、またはその近傍に配置されることを特徴とする請求項１の装置。
4. 画定手段が投射システムに形成されるクロスオーバーの近傍に配置され、クロスオーバーの位置を取り巻く開口部を有する吸収板を備え、吸収板の開口部の形状と位置は組み合わされるビームレットの経路と一致するように構成され、組み合わされた経路外に伝播する粒子は開口部板に衝突することを特徴とする請求項１の装置。
5. 速度特定偏向手段は照射光学システムの第１の素子として配置され、照射光学システムの別の素子が粒子光学レンズ素子であることを特徴とする請求項１の装置。
6. 偏向場は、互いに垂直で、１束の放射方向のソース点から逸れる粒子経路に垂直な電界および磁界の組み合わせを有することを特徴とする請求項１の装置。
7. 電界および磁界は、粒子に関し偏向効果が互いに相殺しあうように選択された場強度を有することを特徴とする請求項６の装置。
8. 画定手段はパターン定義手段の後に配置され、速度依存偏向手段は、ビーム粒子が実質上妨害されずにパターン定義手段を横断できるように偏移を生じるよう構成されることを特徴とする請求項１の装置。
9. 速度依存偏向手段は１組の静電電極および／または１組の静磁電極を備え、前記各電極がビームに向かって配向する平面を有し、平面は幾何学的延長が粒子源の仮想線源点と交わるように向いていることを特徴とする請求項１の装置。
10. 粒子源は多数の種類の粒子を備えるビームを生成するように構成され、速度依存偏向手段は、前記多数の種類の一つの粒子として特別に選択する多数の場構造で動作するように構成されることを特徴とする請求項１の装置。
11. 検査および計測のために第１の粒子種を、対象の照射のために第２の粒子種を使用するように構成されることを特徴とする請求項１０の装置。

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