专利名称：多束电子光刻系统的电子柱光学器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及使电子源成像在远端表面上的装置和方法。本发明特别用在电子束光刻系统中。
光刻系统的主要用途之一是在半导体领域中制造集成电路和类似器件。一般，通过在晶片上形成大量相似的集成电路(半导体芯片)，然后将晶片分割成单个芯片加工成完成的半导体晶片。可通过包括光学光刻、X射线光刻、直接写图电子束光刻等各种不同方式在晶片上形成集成电路图形。光学光刻采用受可达到的最小特征尺寸限制的掩模和光栅，并存在一套工艺中每个后续掩模或光栅必须与预先形成图形层准确地对齐的额外缺陷。另外，掩模生成、检验和检修增加了大量费用和延时，由于每一步骤必须用单独的和昂贵的机器完成。
在光刻过程中，晶片被涂覆一层光敏乳胶，一束光(或其它激发粒子)通过该掩模或光栅，然后使晶片上光敏乳胶中的元件、电路、互连线等曝光。例如，在过去，已发现X射线束可用于使小于一微米宽的线曝光。其问题是用单束X射线使许多个芯片中的所有特征曝光需要大量时间。另外，当晶片的尺寸从100mm的直径增加到300mm的直径时，该问题更加严重。
已设计了一些多束电子光刻系统，但这些系统受可被写图的晶片的尺寸限制，即，由于采用产生射束和聚焦装置，可被同时曝光的区域受到限制。通常，由于同时控制所有射束，仅能在晶片上写上单一类型的图形，虽然可同时将该单一类型的图形写在许多集成电路上。另外，在许多实例中，必须为所加工的每种尺寸的晶片提供不同系统。另外，由于射束产生装置和聚焦元件，要限制束斑大小和套刻精度，以致最终的分辨率仅略好于其它方法可产生的分辨率。
在1995年8月8日寄给美国专利局并转让给同一受让人，记载有申请人的审查编号CR95-125，题为″多束电子光刻系统的电子源″的待审申请中公开了一种用于多束电子光刻系统的电子源。由于该新电子源中产生的多射束的尺寸和形状，使电子源在诸如半导体晶片之类的远端表面上成像极为困难。
为多束电子光刻系统和能使诸如上述电子源在远端表面上成像的类似系统提供电子柱光学器件将非常有利。
因此，本发明的一个目的是提供新改进的电子柱光学器件。
本发明的另一个目的是提供新改进的电子柱光学器件，它便于在多束电子光刻系统中使用，以便更准确和多用途地使用这些系统。
本发明的再一个目的是提供新改进的电子柱光学器件，它可与多束电子源结合基本上可在任何尺寸的晶片上使用，并可在电子束光刻系统中使用，以便同时在单晶上写入各种不同的集成电路图形。
本发明的再一个目的是提供使多束电子源在远端表面上成像的新改进的方法。
本发明的再一个目的是提供新改进的电子柱光学器件，它能够减少像散现象并放大电子源的图像，以便在远端表面上提供基本为方形的像素。
采用使电子源在远端表面上成像的电子柱光学器件基本解决了上述和其它问题并可实现上述和其它目的，该光学器件包括一个为接收来自电子源的电子，并用来将电子加速到第一加速度范围而设置的第一电透镜组件，该第一电透镜组件进一步用来基本上补偿由第一加速度产生的像散现象；和一个为接收来自第一电透镜组件的电子，并用来将电子加速到第二加速度范围而设置的第一电透镜组件，与远端表面结合，该第二电透镜组件进一步用来将接收的电子聚焦在该远端表面上。
采用使电子源在远端表面上成像的方法基本解决了上述和其它问题并可进一步实现上述和其它目的，该方法包括下以各步骤提供包括多个像素的电子源，用于产生多个电子束，该多个像素通常定义一个垂直于光轴的短轴，和一个比该短轴长，垂直于该光轴的长轴；以设置在一端的电子源和设置在另一端的远端电子接收表面定义一个光轴，将来自该电子源的电子加速到第一加速度范围并补偿由该第一加速度产生的像散现象，并将处在第一加速度范围内的电子加速到第二加速度范围并将接收的电子聚焦到该远端表面上。
图1是根据本发明的电子柱光学器件的简化剖面图；图2是来自图1所示的电子柱光学器件的电子源的放大顶视图；图3是电子发射极的二维阵列被剖掉一部分并以剖面示出的放大透视图；图4是来自图1所示的电子柱光学器件的第一电透镜组件被剖掉一部分并以剖面示出的放大透视图；图5是在图4所示的结构包含光轴的平面中说明一般尺寸和尺度的剖面图6是图4所示的结构的放大示意图，说明了电势等位线和来自电子源的电子束；图7是来自图1所示的电子柱光学器件的第二电透镜组件被剖掉一部分并以剖面示出的放大透视图；图8是在图7所示的结构在包含光轴的平面的说明一般尺寸和尺度的剖面图；图9是图7所示的结构一部分在包含光轴的平面的放大剖面图，说明了一般尺寸和尺度；图10是图9所示的结构一部分的放大示意图，说明电势等位线和来自电子源的电子束。
现在转向附图，其中相同元件由相同标号表示，图1以简化的剖面图形式说明根据本发明的电子柱光学器件10。光学器件10包括一个电子源12、一个第一电透镜组件13、一个第二电透镜组件14、和一个远端表面15。排列电子柱光学器件10的各个元件形成一个光轴16，电子源12设置在其一端，远端表面15设置在其另一端，第一和第二电透镜组件13和14沿光轴16设置在电子源12和远端表面15之间。
现具体参考图2，该图说明电子源12的放大顶视平面图。对电子源12更完整的描述包含在上述的待审美国专利申请中，其描述收入本文作为参考。电子源12包括一个电子发射极二维阵列20的非正交行-列矩阵。每个阵列20作为单个像素发光器工作，每个发光器使远端表面15的一部分上的像素曝光，发光源12在该远端表面15上聚焦。应该理解，为便于说明，这里采用电子发射极阵列，特别是场致发射的发射极阵列作为发光器，如果需要也可用其它像素发光器替代。
具体参考图3，以透视图说明电子发射极22的二维阵列20，为便于理解，将其截掉一部分并以剖面图示出。在该具体实施例中，阵列20形成在绝缘基片24上，导电材料层25形成在绝缘基片24上，层25作为发射极基板。绝缘层26形成在层25上，第二导电层27形成在绝缘层26的表面上。贯穿层27和26形成多个隔开的圆形开口28，以便向下延伸至并露出导电层25的表面。一个电子发射极22形成在每个开口28的导电层25上。
通常，如所描述的，阵列20可由任何常规装置制造，例如可由1991年4月16日发表的并收入本文作为参考，题为″具有通过基本正常的汽相淀积工艺形成的发射极的非平面场致发射器件″的美国专利No.5,007,873中描述的设备制造。此外，在该具体实施例中采用一般在工业上称为″Spindt极头″的锥形场致发射极头时，应以理解，也可采用许多其它类型的场致发射器件和电子发射极，例如，金刚石和其它低功函数材料型发射极，从下面的说明将会理解。
如在场致发射领域中所理解的，第二导电层27作为阵列20的抽取或控制电极。通常，电子发射极22的极头大致位于第二导电层27的平面内，第二导电层27与每个极头间隔相等距离并围绕在每个极头的周围。由于所有电子发射极22形成在公共导电层25上并与公共导电层25接触并且一个单独的第二导电层27形成阵列20中的每个电子发射极22的公共控制电极，阵列20中的所有电子发射极22为并联并同时激发或停止激发。
当在导电层25和第二导电层27之间施加适当的电势时，在每个极头周围产生很高的电场，使每个极头通过场致发射而发射电子。通常，由于阵列20中的所有电子发射极22合作产生单束电子，一个阵列被看作一个像素。另外，由于所有电子发射极并联工作，则显著地降低了必须由单个电子发射极22产生的电流量(一般低于一微安)并存在一定量的冗余。
通常，已发现当向导电层27(控制电极)施加40伏至100伏范围，比电子发射极形成的电子发射极时，该电势可下降到低达2至5伏。为便于说明和贯穿该讨论，假设导电层27(控制电极)上的电势为100伏高于导电层25上的电势以确保正确操作。另外，为便于说明，假设电子发射极22上的偏置电势在其处在激发时大约为-6000伏，而在其处在停止激发时大约为-5900伏。
再参考图2，行-列矩阵中的阵列20被排列成多个阵列的列组32。在该具体实施例中，总共16个列组32的每一个包含26个分离的电子发射极阵列20。所有16个列组32被安装在一个公共平面上，例如可以全部设置在一个公共支撑基片24上(见图3)。
如即将更详细说明的，沿在图2中水平，或X方向延伸的轴(一般称为行轴)设置阵列20的每个列组32并与相邻的列组32分开。此外，每个列组32与每个列组32中的阵列20沿一个列轴分开排列，与行轴成一角度，以便当阵列20插入行轴方向时被均匀地分开。因此，当每个阵列20的垂直位置改变最大为±1/2列组32的长度(该实施例中为±140μm)时，所有阵列20沿水平行轴等距分开。
应该理解，仅为该说明目的而采用电子源12，并且可采用许多其它电子源，包括上述待审美国专利申请中公开的任何附加实施例，所有这些均收入本文作为参考。
图4所示的是来自电子柱光学器件10的第一电透镜组件13被剖掉一部分并以截面示出的透视放大图。由于如何将电子源12显露给电透镜组件13是其本质，图4中以平板状的矩形说明电子源12。通常，电子柱光学器件10的目的是将电子源12在X方向(矩形源12的长轴)放大小于1倍和在Y方向(矩形源12的短轴)放大小于1倍。在本实施例中，电子源在X方向被放大0.050和在Y方向被放大0.025。现在应理解，该放大率是这种新构形的结果，因此，将电子源12中的每个像素，或阵列制造成高度(Y方向)是其宽度(X方向)的两倍，以便在远端表面15产生方形图像。应该理解，这些量值和放大率仅用于本具体实施例，并可针对不同实施例或用途，以及针对不同源而改变。
透镜组件13的另一个目的是加速电子束，在本实施例中，电子束被从100eV的初始能量加速到6000eV。透镜组件13的再一个目的是在电子源12的短轴(Y方向)和长轴(X方向)两者通过相同的虚拟或视在位置从电子源12向第二透镜组件14输送射线或电子。即，电子源12应该看起来好象位于X-Y平面，在本实施例中略微在实际电子源12之后。另外，构制透镜组件13以便最大数量地截取来自电子源12的电子束，电子束以特大的角度射向光轴16，以使第二透镜组件14的发热降至最小。如即将说明的，从所需的电子源12到第二透镜组件14中的照射孔径的所有射线必须经过透镜组件13发送。
参考图4和5，可以看出，透镜组件13包括一个外壳40，并带有一个下部组件41和一个上部组件42。两个组件互为镜像。组件41和42之间构成一个沿光轴16延伸的矩形光通道，该矩形光通道具有一个入口端43和一个开口端44。组件41和42由垂直于光通道和光轴16延伸的壁45连接，该壁45与入口端43分开的原因将在下面说明。一个一般为矩形的狭缝孔径46形成在壁45中，狭缝孔径46的短尺寸方向与电子源12的短轴(X方向)平行延伸，长尺寸方向与电子源12的长轴(Y方向)平行延伸。由于壁45截取了相当大量的来自电子源12的射线，将水冷管道47形成在外壳40的下和上部组件41和42中。
在外壳40中沿光轴16的位置形成一个二重透镜50以接收来自狭缝孔径46的电子。为形成二重透镜50，构成具有矩形镜像通道51和52的外壳40，该镜像通道51和52设置光通道的相对着的两端面并与光通道和光轴垂直延伸。一对电极55设置在通道51和52中，每个电极与外壳40分离并设置在光通道的相对着的两端面。外壳40在镜像通道51和52的一侧定义一个入口56，并由外壳40在另一侧定义一个与光通道的出口端共同延伸的出口。
在该具体实施例中，外壳40具有施加于其上的近似于零(例如地电位)的电势而电极5具有施加于其上的大约为1100伏至1200伏范围的电势。具体参考图6，示意地说明了透镜组件13中电势的等位线和来自电子源12的电子束。由于电子源12以近似-6000伏工作并且100伏用于发射电子，电子以近似-5900伏的电势和近似100eV的初始能量离开电子源12。邻近光通道入口端43的等位线表示电子从大约100eV加速到大约6000eV。
等位线在入口端43向光通道弯曲产生一种透镜效果，由于光通道的长轴垂直于图6的纸面，是一种柱面透镜效果(即其操作类似于圆柱形光-光学透镜)。在入口端43的透镜效果仅在Y-Z平面聚焦电子束，Z轴与光轴16共线，并且在正交平面(X-Z平面)无第一级光学特性。在X-Z平面，由于电子从100eV加速到6000eV造成射线向Z轴弯曲，其与光轴16的反外推交点(定义该源的视在位置)移动回到电子源12的平面的后面。
Y-Z平面的光学系统比X-Z平面的更复杂，由于必须考虑因电子束加速造成的角度缩小和来自发散狭缝透镜效果的角度放大。由于等位线在入口端43向狭缝区突出造成狭缝透镜在入口端43必须总是发散的(即角度放大)，不可避免地同时产生组合的电子束加速度和发散透镜效果。当Y-Z平面中的射线最初离开电子源12时实质上会″感觉″到与X-Z平面中的射线相同的加速度。然而，由于这些射线靠近外壳40的入口端43，随着轴向速度的增加，其在倾斜下降的程度被发散透镜效果减小。这些射线与Z轴的反外推交点导致一个将出现在实际电子源12前面的虚拟源。虚拟源在X-Z和Y-Z平面的分离导致大规模像散现象，这是不能接受的。
在该具体实施例中，约束电子柱到在X-Y平面上不大于10mm×10mm。透镜组件13在Y方向的长度受该约束的限制，因此将狭缝间隔做成足够小(2.4mm)以使在电子束的边缘场效应降至最小，其相关部分占据该柱中心±1mm的范围。在该±1mm范围外侧无射线通过第二透镜组件14，因此其偏差对光学器件的性能不明显。选择3mm宽的狭缝孔径46以确保来自电子源12外缘的射线正好离开狭缝孔径46的边缘通过，从而避免任何场扰动。0.2mm高(Y方向)的狭缝孔径46足以通过来自电子源12的±150μm的上和下边缘的射线，因为当它们到达狭缝孔径46时，其Y轴位置已经从其初始值减小了约0.5x(电子束宽度在狭缝孔径46处约为±0.075μm)。这样确保在透镜组件13中拦截最大可能的电子束流量，仍发射所需的所有射线以照射第二透镜组件14，如图6所示。
为纠正单个开缝透镜(入口侧43和狭缝孔径46)产生的过度像散现象，装配二重透镜50。二重透镜50的光学效果可从图6看出。当电子束接近入口56时，即第一加速度间隙，由突出的等位线产生聚焦或会聚效应，随后在电子束移入电极55之间的间隙时产生较弱的散焦或发散效果。然后，当电子束接近第二或减速间隙时，出现散焦效果，随后在电子束从出口端44射出时出现更强的聚焦效果。二重透镜50实际上借助净总聚焦透镜效果(net total focusing lens effect)对电子束具有四重组合效果。电子能量的略微变化对二重透镜50中的虚拟源位置略有影响，但该轻微的色差对远端表面15的最终束斑的分辨率没有明显影响。
因此，第一狭缝透镜(入口43和狭缝孔径46)为整个电子束提供从100eV到6000eV的加速，而二重透镜50是一个加速的″单透镜(einzel)″型，电子束在其中经第一次加速，然后在其通过电极55时减速，以与其进入时相同的能量出去。所有单透镜(einzel lenses)具有净会聚效果，而与其中心电极相对于外电极是否为+或-无关。这种情况下，已发现最好在加速模式下使透镜50运作，按此模式电极55相对于外壳40被施加正电压。
在透镜组件13中，存在三种影响Y-Z平面中射线倾斜的因素电子束从电子源12加速进入第一开缝透镜的会聚效果；第一狭缝透镜的发散效果；和二重透镜50的会聚效果。通过正确选择电极55上的偏置电压，已发现可做出反外推射线，以便大致在针对X-Z和Y-Z平面的相同平面从虚拟源进行发射。从而由附加的二重透镜50校正来自第一狭缝透镜的像散现象。另外，Y-Z平面中的角度放大是X-Z平面中角度放大的2x，Y-Z平面中的源放大是X-Z平面中的源放大的0.5x。
第二透镜组件14示于图7和8。组件14包括一个电子束管结构60，具有与光轴16垂直设置的第一板极61和包含一个位于中心的第一孔径62，一个同心地环绕光轴16的电子束管63和一个具有位于中心的孔径65的第二板极64。一个冷却管66附加到结构60上，因为一些电子仍将撞击板极61，产生一些热量。组件14与光轴16同轴设置，以便从第一透镜组件13的出口44接收电子。
第一对Y轴偏转使板70设置在光轴16两侧并与结构60的孔径65隔开，以便当适当地激发时使电子沿Y轴偏转。具有位于中心的孔径72的平板71被设置在邻近Y轴偏转板70的出口，以便限制连续沿光轴16来的任何不定的电子。第二对X轴偏转板73设置在光轴16两侧并与平板71的孔径72隔开，以便当适当地激发时使电子沿X轴偏转。应该指出，所有的孔径62、65、和72基本上都是圆形的，并且所有的平板61、64、和71基本上都为零电势，以便实施正常的光学偏转(无透镜效果)。
第二透镜组件14还包括一个形成在平板81中的末级聚焦透镜80，平板81垂直于光轴16设置并位于偏转板73和设置用来使电子源12在其上成像的表面85之间。在图9中最适合看出，聚焦透镜80包括与入口处开口87和出口处开口88相关的末级孔径86。孔径86以及开口87和88基本上都为圆形，开口88的直径大于孔径86的直径，而开口87的直径大于开口88的直径。例如，在本实施例中，孔径86的直径大约在0.080至0.164mm的范围内，开口87的直径大约为2.0mm，开口88的直径大约为0.8mm。另外，不同类型的开口87和88将提供所需的结果，在本实施例中，开口87和88是从相反侧面形成在平板81中的两个镗孔(counterbore)，孔径86以及开口87和88全部相互并与光轴16同轴形成。
反向散射电子检测器设置在朝向表面85的平板81的表面内。当由电子源12提供电子束时，撞击表面85的电子将产生一些反向散射电子。通过检测该反向散射流可提供表面85上的信息，例如对准标记的位置。检测器90可以是安装在平板81中的固态二极管检测器并与能提供所需的检测器偏置电压和能收集检测器信号电流的外部电路电连接。
透镜组件14的目的是将电子源12中每个有效像素的聚焦图像形成在表面85上，轴向和离轴光偏差最小化到符合表面85上所要求的末级束斑大小的水平。透镜组件14的另一个目的是当与透镜组件13的光学效果组合时提供全部源在Y轴方向放大0.05x，在X轴方向放大0.025x。此外，透镜组件14作为加速浸没静电透镜工作，其被施加60,000伏至70,000伏范围的电势的表面85形成末级电极。
参考图10，该图说明聚焦透镜80以及电势等位线和来自电子源12的电子束的示意图。应该指出，等位线向开口88内突出。由于作用在电子束的力总是垂直于等位线，等位线的弯曲形状说明了透镜80的聚焦效果。如所见到的，从聚焦透镜80到表面85的大部分距离上，电子束通过由所示直的、等间隔的等位线表示的基本为平滑和线性的场梯度。
因此，所公开的新改进的电子柱光学器件能够使诸如如上所述的电子源在远端表面上成像。设计该新电子柱光学器件主要用于多束电子光刻系统和类似系统，本领域技术人员很容易理解，这种新电子柱光学器件可用于许多其它用途。新改进的电子柱光学器件可便于在多束电子光刻系统中使用，以便更准确和多用途地使用这些系统。另外，新改进的电子柱光学器件与多束电子源结合基本上可用于任何尺寸的晶片，并能用于电子束光刻系统以便在单晶上同时写入各种不同的集成电路图形。新改进的电子柱光学器件可减少像散现象并放大电子源的图像，以便在远端表面上提供基本为方形的像素，这些像素非常精确地成像在晶片或其它结构的表面上。
至此我已示出并描述了本发明的具体实施例，对本领域技术人员来说存在其它变化和改进。因此，我希望人们能够理解，本发明不限于所示的特定形式，我的意图是将不脱离本发明精神和范围的所有改进包括在所附权利要求中。
权利要求
1.用于使电子源在远端表面上成像的电子柱光学器件，其特征在于，该光学器件包括一个电子源；一个为接收来自该电子源的电子并用来将电子的第一加速度提供到第一加速度范围而设置的第一电透镜组件，该第一电透镜组件进一步用来基本上补偿由第一加速度产生的像散现象；和一个为接收来自第一电透镜组件的有第一加速度范围的电子，并用来将电子的第二加速度提供到第二加速度范围而设置的第二电透镜组件，与远端表面结合，该第二电透镜组件进一步用来将接收的电子聚焦在该远端表面上。
2.根据权利要求1的述的电子柱光学器件，其特征在于，电子柱光学器件定义一个光轴，电子源设置在一端，远端表面设置在另一端，第一和第二电透镜组件沿光轴设置在电子源和远端表面之间。
3.根据权利要求2的述的电子柱光学器件，其特征在于，电子源包括用于产生多个电子束的多个像素，该多个像素通常定义一个垂直于光轴的短轴，和一个比该短轴长，垂直于该光轴的长轴。
4.根据权利要求3的述的电子柱光学器件，其特征在于，第一电透镜组件包括一个沿该源的长轴平行延伸一般为矩形的狭缝孔径。
5.根据权利要求4的述的电子柱光学器件，其特征在于，一般为矩形的狭缝孔径被施加比从电子源发射的电子的电势相对低的电势。
6.根据权利要求4的述的电子柱光学器件，其特征在于，第一电透镜组件进一步包括沿光轴设置并由被施加第一电势的入口定义的二重透镜，一对定义与电子源的长轴平行延伸并且也沿光轴延伸的通道的隔开的电极，该对电极被施加比第一电势高的第二电势，和一个被施加第一电势的出口，该二重透镜沿光轴设置以便接收来自狭缝孔径的电子。
7.根据权利要求6的述的电子柱光学器件，其特征在于，第二电透镜组件包括定义沿该光轴轴向对准多个分开的孔径的结构。
8.根据权利要求1的述的电子柱光学器件，其特征在于，电子源的每个像素一般以矩形形状形成，每个像素具有一个与电子源的短轴平行的长轴和一个与电子源的长轴平行的短轴，第一和第二电透镜组件具有组合的放大率，以使在远端表面上成像，每个像素基本为方形。
9.根据权利要求8的述的电子柱光学器件，其特征在于，第一和第二电透镜组件的组合放大率小于1。
10.一种使电子源在远端表面上成像的方法，其特征在于，包括步骤提供包括用于产生多个电子束的多个像素的电子源，该多个像素通常定义一个垂直于光轴的短轴，和一个比该短轴长，垂直于该光轴的长轴；以设置在一端的电子源和设置在另一端的远端电子接收表面定义一个光轴；将来自该电子源的电子加速到第一加速度范围并补偿由该第一加速度产生的像散现象；和将处在第一加速度范围内的电子加速到第二加速度范围并使电子源在该远端表面上成像。
全文摘要
电子柱光学器件包括一个为接收来自一个矩形电子源的电子并用来将电子加速到第一加速度范围所设置的第一电透镜组件;该第一电透镜组件进一步用来基本上补偿由第一加速度产生的像散现象;一个为接收来自第一电透镜组件的电子,并用来将电子加速到第二加速度范围所设置的第二电透镜组件,该第二电透镜组件进一步用来将接收的电子聚焦在一个远端表面上。
文档编号H01L21/02GK1172973SQ9612056
公开日1998年2月11日 申请日期1996年11月12日 优先权日1995年11月13日
发明者N·威廉帕克 申请人:离子诊断公司