CN101322218A - 用于在电子柱中聚焦电子束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在产生电子束的电子柱中改善聚焦的方法。根据本发明的用于控制电子束的聚焦的方法减小了当电子束到达试件时该电子束的光斑大小，从而能够提高分辨率并能够减小半导体光刻处理中的图案的线宽，由此能够改善电子的性能。

Description

用于在电子柱中聚焦电子束的方法

技术领域

本发明总体上涉及用于使电子束在生成该电子束的电子柱(electroncolumn)中聚焦的方法，并且更具体地涉及以下方法：该方法用于增大电子束的能量同时在电子柱中聚焦电子束，从而进一步减小了聚焦的电子束的光斑大小，由此能够实现精确的聚焦并且能够调整电子束的能量。

背景技术

图1示出常规微柱(mocrocolumn)、小型电子柱的结构。电子柱包括用于发射电子的电子发射器1、由三个电极层(即提取器电极层3a、加速器电极层3b以及限制孔电极层3c)形成并且被配置为使电子从电子发射器发射并有效地将发射的电子形成为一个束的源透镜3、用于使电子束转向的转向器4、以及用于使电子束聚焦在试件(specimen)上的聚焦透镜6。尽管可以按照需要用各种方式修改透镜和转向器的结构，但是一般使用具有上述结构的电子柱。

在具有上述结构的电子柱中，将负电压施加到电子发射器1。源透镜3的所有电极层可以接地，或者可以将正电压施加到提取器电极层3a，从而可以从电子发射器1平稳地发射电子。此外，可以将大的负电压施加到电子发射器以增大电子束能量。此外，可以将负电压施加到提取器电极层，以适当地维持电子发射器1和提取器电极层3a之间的电压差。根据施加到电子发射器1的电压和施加到提取器电极层3a的电压之间的差所形成的电场来发射电子。发射的电子以类似于束强度分布(a)的方式形成，并穿过加速器电极层3b和限制孔电极层3c，由此被有效地形成为电子束。通常，加速器电极层和限制孔电极用在基态(ground state)中。

源透镜3形成的电子束被转向器4转向，并随后被聚焦到试件上。在电子柱中，单透镜(Einzel lens)被用作代表性的聚焦透镜6。单透镜具有其中分层为三个电极层E1、E2以及E3的结构。

此外，透镜的最后电极层通常用在基态中，从而到达试件的电子束的能量主要由施加到电子发射器的电压决定。即，施加到电子发射器的电压和施加到透镜的最后电极层(聚焦透镜的最后电极层)的电压之间的差对电子柱的电子束能量有决定性的影响。

在上述电子柱的元件中，钨主要被用作电子发射器1的材料，并且具有尖端且半径为几十□的尖顶被用来获得电子束。此外，长的圆柱形尖顶不仅用来获得稳定的电子束，还用来增加尖顶的使用寿命。此外，在微柱中，通过微机电系统(MEMS)处理来制造这些透镜。

由生成电子束的电子柱聚焦的电子束的光斑大小(即探测束大小)是相应柱的性能中的非常重要的因素。电子柱聚焦在样本上的电子束的光斑大小是确定典型的电子显微镜中电子束的分辨率、或者确定电子束光刻中由电子束形成的图案的线宽的重要的因素。

图1示出了小型电子柱的电子光学系统的图。如图1中所示，用高斯分布表示从尖顶发射的电子束的强度，并且电子束以轻微的发散角α_e展宽。在这种情况下，仅包含在该轻微的发散角中的电子穿过限制孔，从而减小了探测束的直径并最优地控制该束。α₀被定义为有效发散角。这是因为已经穿过限制孔的大多数电子到达试件。流过限制孔的电流是从尖顶发射的电流的大约1/10000。这是因为限制孔的半径非常小，大约为几微米。已经穿过限制孔的电子在穿过狭窄空间时具有电子-电子散射，并且因此而发生电子束的能量展宽(energy broadening)。

已经穿过限制孔的电子穿过其中发生转向象差(deflection-aberration)的转向器。由于这种转向象差相对于其他象差来说不重要，所以通常从计算中排除此象差。电子最终穿过单透镜。单透镜用作光学系统中会聚光的凸透镜。因而，已经穿过透镜的电子束到达位于轻微发散角α₁的范围内的样本。在透镜会聚电子束的过程中，因为没有彼此平行地排列静电透镜，所以和光学系统中一样发生色差(chromatic aberration)和球面象差(spherical aberration)，并造成慧差(coma)。

因此，根据每个透镜的收缩而使色差最小化和使探测束的直径最小化是电子柱设计中的主要因素。

必须最小化探测束的直径以使用电子束进行精确处理。然而，由于各种因素而在减小探测束的直径的能力方面存在限制。各种因素中最大的因素是象差，其他因素包括电极之间的电子-电子散射、转向器导致的失真、衍射等。这种象差分为色差、球面象差以及慧差。色差和球面象差由每个透镜产生，这是要提高探测束的性能而必须解决的一个主要问题。

对于上述探测束的特性，电子柱的透镜是重要的。静电透镜按照与影响光路的光学透镜相同的方式来影响电子的移动轨迹。

图2(a)示出了其中由光学凸透镜会聚光的状态，图2(b)示出了其中由静电透镜会聚电子束的状态。在光学透镜的情况下，通过穿过具有不同折射率的媒质而使光折射或会聚。在静电透镜的情况下，通过由相同介质产生的电位差而使电子束折射。光学透镜由具有恒定折射率的单一材料制成并保持光速恒定。相反，静电透镜由于其等电位面的曲率是变化的从而导致在电子穿过透镜时电子的速度连续地变化。

通常，静电透镜包括两个或更多个圆形电极板，并且以如下方式操作：通过将电压施加到电极以在电极板之间形成电场并控制电子束的移动。具体地说，如图2(b)中所示出，在静电透镜包括三个电极并设计为通过将相同电压施加到两个端电极而使进入透镜的电子的能量和穿过透镜的电子的能量保持恒定的情况下，它被称作单透镜。当施加到单透镜的两个端电极的电压为V1，施加到单透镜的中央电极的电压为V2时，如果V1＞V2则透镜进入减速模式(retarding mode)，而如果V1＜V2则透镜进入加速模式。

对于从上述电子柱的静电透镜发射到试件的电子束的光斑大小，聚焦透镜是重要的。

通常，在电子柱中，使用诸如单透镜的聚焦透镜进行聚焦。当在电子柱中使用单透镜时，主要使用减速模式或加速模式来进行聚焦。在单透镜中，其上电极层E1和下电极层E3接地并且电压仅施加到中间电极层E2，由此单透镜进入减速模式或加速模式。因而，在减速模式中，比施加到上电极层E1和下电极层E3的电压低的负电压施加到中间电极层E2。在加速模式中，比上电极层E1和下下电极层E3的电压高的正电压施加到中间电极层E2。

如上面所述，在电子柱内的常规聚焦方法中，上电极层E1和下电极层E3接地并且必须向中间电极层E2施加电压，因此便于电子柱的操作。然而，到达试件的电子束的光斑大小很大，从而该方法的不利之处在于很难将其用于进行高分辨率构图处理或将其用于电子束光刻。

发明内容

技术问题

因此，鉴于现有技术中出现的上述问题而做出本发明，并且本发明的目的是提供以下方法：该方法通过将电压(或浮动电压)施加到由两个或更多个层形成的聚焦透镜的多个电极中的每一个而在增大穿过聚焦透镜的电子束的能量的同时进行聚焦，由此使得能够更精确地聚焦。

技术方案

为了完成上述目的，本发明提供了用于在电子柱中聚焦电子束的方法，该方法包括以下步骤：将正电压施加到聚焦透镜的多个电极层中的每一个；以及向相应的电极层另外施加对于减速模式或加速模式所必需的电压。

根据本发明的方法通过将位于稳定范围内的电压施加到电子柱中的电子发射器并促使从所述电子发射器发射电子束而使电子束能量保持恒定，并通过将适用的高电压施加到所述聚焦透镜的多个电极层中的每一个而使穿过源透镜的电子束具有高能量。此外，由于相同的基本电压(basic voltage)施加到所述聚焦透镜的多个层中的每一个并且由于为所述聚焦透镜另外提供最初所需的电压或电流，因此提高了静电透镜的性能。即，当相同的正电压施加到所述聚焦透镜的多个层中的每一个时，并且用于减速模式或加速模式的能量另外施加到中间电极层的电极时，进一步增大了形成在所述聚焦透镜中的静电(或者电磁)场的强度，从而能够形成恒定的静电场，因此提高了透镜的性能。并且，随着穿过所述聚焦透镜的电子束的能量增大，该电子束受到在所述聚焦透镜中形成的更加恒定的静电场的影响，并且由该静电场导致的移动减小，从而能够更精确地调整聚焦。相同的电压被施加到所述聚焦透镜，从而可以降低由该中间电极层的控制电压而导致的影响，因此能够进行更精确的控制，在所述聚焦透镜中形成的所述静电场保持得更恒定并具有相对小的外部影响。并且，电子束的能量增大，从而中间电极层的电压的影响进一步降低，因此依赖于中间电极层的电压调整的折射角降低，并进行更精确的聚焦。结果，能够降低到达试件的电子束的大小，并能够增大电子束的能量。

即，以如下方式实现该方法：将用于获得所必需的最终能量的电压施加到该聚焦透镜的第一透镜层、第二透镜层以及第三透镜层中的每一个，以自由地调整电子束到达试件时所需的能量，并将用于聚焦的电压另外施加到该第二层。

在该方法中，考虑到电子柱的复杂性和电子束的控制，该聚焦透镜优选地是浮动的。

为了在电子柱中观察到试件，电子束检测器可能是必需的。通常，使用SE检测器、MCP、反向散射电子(BSE)检测器或半导体检测器作为用于检测二次电子和/或BSE的检测器。这种检测器使用高电压，并且以基态发射电子，从而电子束能量会发生变化。当沿着电子柱的横向方向检测电子时，电子检测器对电子束能量有较小的影响。相反，当在非常靠近电子柱的位置处或者沿着与电子柱相同的轴来检测电子时，电子检测器对电子束能量有较大影响。在电子束光刻中，检测器观察电子柱中的试件并从电子柱的轴移动到侧，从而在光刻期间不能改变电子束能量。在这种情况下，与施加到该聚焦透镜的电压相同的电压也被施加到检测器，从而所述聚焦透镜的电位和所述检测器的电位彼此相同或相近，因此可以最小化能量的改变。在这种情况下，可能需要附加的电子控制设备(元件)。

有益效果

当使用根据本发明的用于电子柱的聚焦控制方法时，到达试件的电子束的光斑大小较小，从而有益之处在于，在电子柱用于电子显微镜的情况下提高了分辨率，并且还能够增大工作距离。并且，在电子束光刻中，能够进一步减小图案的宽度，并能够增大图案的深度，因此能够改善构图。

当使用根据本发明的用于电子柱的聚焦控制方法时，可以在不向电子发射器施加附加的高电压的情况下实现期望的电子束能量，从而电子发射器的尖顶不会发生损坏，并且还减小了维护超高真空的成本。

附图说明

图1是示意性示出微柱的结构的截面图；

图2是示出其中由光学透镜来聚集光的状态和其中由静电透镜聚集电子束的状态的示意图；

图3是例示用于根据本发明聚焦电子柱中的电子束的方法的示意性截面图；以及

图4是例示用于根据本发明聚焦电子柱中的电子束的另一种方法的示意性截面图。

具体实施方式

参照下面的附图来描述本发明的实施方式。

图3示出了应用根据本发明聚焦电子束的方法的实施方式，其中将电子束控制在典型的电子柱中。

当范围从几百eV到几KeV的负电压被施加到电子发射器1并且将比施加到电子发射器的电压更高的电压施加到源透镜3的提取器电极层3a时，电子从该电子发射器中发射出来并移动到施加了该高电压的提取器电极层。例如，当-500eV的电压施加到电子发射器1时，按照将比施加到电子发射器的电压更高的电压(例如，-200eV或+200eV)施加到提取器电极层3a的方式从电子发射器1发射出电子。发射的电子被加速器电极3b加速、或者被加速并聚焦，然后穿过限制孔电极层3c，并由此确定电子束的形状。尽管可以根据需要将电压施加到透镜层，但是通常将接地电压施加到透镜层3b和透镜层3c。

已经穿过限制孔电极层3c的电子束被转向器4转向，并被聚焦透镜6聚焦到试件上。通过该电子束，从该试件产生二次电子(secondaryelectron)。通过检测器来检测二次电子和/或反向散射电子。结果，能够获得试件的图像。在这种情况下，尽管检测器可以位于与透镜相同的轴上，但是检测器也可以独立地定位，或者可以根据检测器的特性用各种方式来定位。即，尽管可以使用能够设置在与反向散射电子(BSE)检测器相同的轴上的检测器，但是检测器也可以如微通道板(MCP)或其他检测器那样位于电子束经过透镜所沿着的路径的外侧，或者沿着相对于该路径的横向方向。

到达试件的电子束的能量通常由电子柱的电子发射器1和最后透镜层6c之间的电压差决定。最后透镜层6c接地，即，将0V电压施加到最后透镜层6c。图3示出了其中在聚焦透镜6下方还安装有分离的透镜层或电极层10以施加附加电压的状态。在这种情况下，电极层10与施加到透镜的最后层(例如标号为6c)的电压有关，并且在电子束接近试件的同时必须向电子束提供附加能量时或者必须增大或改变电子束的能量时使用电极层10。根据需要来确定是否使用该电极层。

到达试件的电子束的能量由电子柱的电子发射器与最后透镜层或附加电极之间的电压差决定，并且将范围从几百eV到2KeV的电压施加到电子发射器，从而当0V或高于0V的正电压施加到最后透镜层或附加电极时，可以增大电子束的能量。

在本发明中，电压被分别施加到聚焦透镜6的三个透镜层6a、6b和6c。在图3中，电子束的最终能量可以根据施加到电极层10的电压而改变。如上所述，根据需要使用电极层10，并且通过计算期望的能量来将电压施加到电极层。如果用作电极层10并施加了电压的检测器设置在图3的电极层10的位置，则可以使用该检测器。

在图4中所示的本发明的另一实施方式中，聚焦透镜部分并不单独地存在。当通过将聚焦所必需的电压施加到源透镜部分中的提取器而执行聚焦的同时必须增大电子束的能量时，电压被施加到所有的源透镜层3a、3b和3c，或者有选择地施加到期望的层3b和3c或者施加到期望的层3c，因此能量可以改变。在这种情况下，还可以将所必需的电压施加到转向器。在图4的上述实施方式中，当将相同的高电压另外施加到整个透镜部分并且当源透镜所必需的并用于聚焦的电压施加到各个层时，穿过透镜的电子束的总能量增大，并且由于外部影响相对较小从而用于聚焦的电场保持恒定，因而能够获得与图3的实施方式相同的效果。

即，无论用于聚焦的透镜在何位置，都将相同的正电压另外施加到负责聚焦的透镜的多个层中的每一个，从而用于聚焦的电场能够形成并保持得更恒定，并且还能够增大电子束的能量。如果当聚焦透镜下方存在单独的透镜层或另一元件时另外提供单独的正电压以增大电子束的总能量，则到达试件的电子束的能量增大，因此当在电子束光刻中形成图案时可以获得具有相对较小线宽并且较深的图案。

尽管已经基于单一型(single-type)电子柱做出了以上描述，但是多类型(multi-type)电子柱也可以按相同的方式来调整电子束的能量。

在多类型电子柱的情况下，可以以n×m排列的柱的形式来布置与单电子柱的结构相对应的单元电子柱，并且可以将附加电压施加到必须以与现有的控制方法相同的方式另外提供的电极或透镜(层)。可以用现有的多电子柱控制方法来控制该另外提供的电极以调整电子束能量。

工业适用性

在根据本发明的在电子柱中聚焦电子束的方法中，该电子柱可以用于电子束光刻处理等。

Claims (3)

1.一种用于在电子柱中聚焦电子束的方法，该电子柱具有聚焦透镜，该方法包括以下步骤：

将与从所述电子柱发射的所述电子束的能量相对应的预定电压施加到所述聚焦透镜的多个电极层中的每一个；以及

另外提供对于减速模式或加速模式所必需的电压。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：将电压另外施加到所述多个电极层，从而最终到达试件的所述电子束可以具有期望的能量，以自由地调整所述电子束到达所述试件时所述电子束的所述能量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，该方法还包括以下步骤：另外提供源透镜所必需的电压，从而所述多个电极层还充当所述源透镜。

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