CN101496129B - 多光束带电粒子光学系统 - Google Patents

多光束带电粒子光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多光束带电粒子光学系统，包括具有至少一个电极的静电透镜结构，提供有光圈，其中通过所述电极在所述光圈处实现的透镜视场的有效尺寸被制成最终较小。该系统可以包括发散带电粒子光束部分，其中包含该透镜结构。透镜的外形尺寸被制成最终较小，特别是小于1毫米，更特别是小于几十微米。在进一步的设计中，透镜与限流光圈(CLA)组合，相对于所述结构的透镜对准(排列)，使得通过所述限流光圈在所述透镜中实现的虚拟光圈(VA)位于使总象差最小化的最佳位置。

Description

多光束带电粒子光学系统
发明领域
本发明涉及一种带电粒子光束系统，如电子束曝光系统，扫描和非扫描电子显微镜等。
本发明提供一种微透镜阵列，用于产生多个聚焦子光束(beamlet)或在带电粒子束曝光中聚焦具有不同入射角的光束或进行成像的具有零视场曲率(zero fieldcurvature)并最小化几何象差如彗差和象散现象的装置，包括限流光圈(限流隙，currentlimitingaperture)，产生多个带电粒子子光束，与该限流光圈对准的透镜阵列，用于聚焦所有进入平面成像平面的子光束。本发明解决了在发散光束系统中如在多子光束检查系统中，尤其是在有限光源(limitedsource)到靶的距离处期望的系统如在多子光束、无掩模光刻系统中如何产生多个具有最小象差的聚焦子光束(focussed beamlet)的问题。
背景技术
微电子学、微制造和材料科学中的进展不断增大地要求提高空间分辨率以及在带电粒子束光刻和检查中的通量。传统单光束系统的问题是库仑模糊(coulomb blur)和低通量。以多光束、多列和/或多源为特征的多带电粒子光束系统正在开发，以解决这种矛盾性要求。然而，为了提高带电粒子光束系统的通量并避免库仑模糊，需要大辐照场(exposurefield)，这要求不仅要使用从带电粒子发射源发射的发散光束的轴上光束，而且要使用它的偏轴光束。通过引入能够产生多个聚焦光束，即能够聚焦具有不同入射角的光束的透镜阵列，就能够避免库仑模糊，如下文引述的申请人早期专利公开所披露的。同时，偏轴象差的严密控制也是需要的。
在JP60031225、JP60039828和J.Vac.Sci.Technol.B 4(5)，Sep/Oct1986中，公开了具有减小象差的电子矩阵透镜，其中限流光圈的中心从与所述光圈相关的透镜的光轴移到最佳位置。对限流光圈(在一个独立板中制造)的位置进行选择，以使沿光轴对称的虚拟光圈处于这样的位置，其使得偏轴透镜的总象差最小。专利公开JP60042825披露了一种用于对每一透镜的视场曲率的校正措施，通过使用校正透镜矩阵来改变焦点。然而，随着入射角增大而象散现象变大显著，并最终将最大入射角限制为小于30mrad，因此该系统的通量就受到限制。这种系统的通量由于透镜所容许的填充因子(线圈间隙因数，fillingfactor)较小而也受到限制。
在以本申请人名义的专利WO2004/081910中，披露了由发散宽光束形成多个聚焦子光束的透镜阵列。它的图10A披露了该透镜阵列的一个实例的示意图，但是没有指出电极的位置必须是相对于光束的什么位置。为了减少象差，在一个具体实施方式中，透镜相对于光源凹入，以使偏轴子光束能够沿着光轴通过透镜。在这种技术方案中，透镜片的曲率导致不期望的设计挑战。而且，其缺点包括对于所有子光束的成象平面出现在相对于光源的凹入面上。另外，透镜阵列和“空间滤光片”之间的对准(排列，align)也存在困难，实际上在该专利公开中，认为限流光圈结构初中平坦表面上。
发明内容
本发明的一个特定目的是实现一种如在后一个所述WO公开中构思性地公开的微透镜结构。
本发明进一步的目的是实现一种替代结构，尤其是相对于如在第一所述JP公开中披露的透镜结构的改进透镜结构。
本发明另一个目的是对位于发散光束中的微透镜产生一个平面象平面。
本发明的进一步目的是使所实现的透镜阵列的成像象差最小。
本发明的另一目的是改善偏离具有至少一个发散带电粒子光束的光源的带电粒子光束系统的分辨率。
本发明的另一目的是改善这种带电粒子光束系统的通量。
本发明的另一目的是控制光束的均匀性。
为了满足这些目的的至少一部分，本发明涉及如权利要求1所限定的带电粒子光学系统。利用根据本发明的这种措施，有效电场高度的尺寸相对于现有技术的微透镜结构减小上千的因子(系数)，导致子光束有效穿过相对于成像象差具有严重不最理想条件的透镜部分(部件)的机会大大降低。尽管最优化根据本发明的措施或许是可能的，这将通过尺寸化具有在新型透镜级别内的变化和有效视场大小的透镜来实施，即，保持在所要求的最终微小级别内，在效果和基本原理上完全不同于本发明采取的措施。
本发明在其进一步的设计中还涉及一种设备(或装置)，用于产生多束聚焦带电粒子子光束或聚焦带电粒子光束系统中具有不同入射角的光束，包括：
a)位于透镜阵列之前或之后的限流光圈阵列，用于将发散带电粒子光束分成多个带电粒子子光束；
b)包括将具有不同入射角的这些子光束聚焦到一个平面上的多个透镜的透镜阵列；
c)以上所述限流光圈与用于具有特定入射角的子光束的透镜阵列中的透镜对准，以使虚拟光圈沿着光轴是对称的并相对于产生象差最优化地位于透镜中，例如尽管不是必需的，通过中心定位。
以这种方式，通过最大程度地利用从靶表面每单位面积上具有足够子光束的光源发出的发散电流(diverging current)而可以改善通量。另外，根据本发明所教导的内容和目的，通过最小化每个透镜的象差而可以使每个子光束具有足够大的电流。已经最小化的总象差允许增大子光束的开度角，这有利于增大电流。而且，子光束的均匀性依据象差和电流能够通过调节透镜阵列中的透镜的参数而控制。
在一个实施方式中，限流光圈与透镜阵列中的每一个透镜对准。根据本发明，限流光圈优选制作在与开始(第一个)或最后(一个)透镜电极相同的平面上，但是可以在单独的面板上。限流光圈位于无场区域，同时限流光圈的直径，更通常是使用表面面积的尺寸、大小或幅度(量级，magnitude)，可以因为光束电流的均匀性而进行变化，特别是作为其到透镜阵列中心的距离的函数而变化。
在进一步的设计(方式)中，透镜阵列包括两个平面电极，它们的间隔小于几十微米。该两个电极相对于彼此对准(排列)。两个电极中的孔径(通常为孔尺寸)是相同的，并且小于电极的厚度，以限制透镜视场深深渗入到透镜孔内，可替代地表示透镜光圈。透镜尺寸(在圆筒形开口的具体实施方式中是直径)对于用于视场曲率校正的偏轴透镜加以增大。
在另一个实施方式中，透镜阵列包括单个平面电极，具有至少两个，优选三个面对透镜孔的微距电极(宏电极，macro electrode)。第一电极具有与光圈透镜电极相同或更高的电势，而第二电极具有高于第一电极的电势，且第三电极具有低于第二电极的电势。所述光圈透镜的直径小于所述透镜电极的厚度以限制透镜视场深深渗入到透镜孔内。在进一步的设计中，已经实现了从微距电极渗入(穿入)的视场在光圈透镜孔中形成光圈透镜效应，光圈透镜阵列中的偏轴光圈透镜的强度，通过使所述光圈透镜前方的视场弱于中心透镜的视场而制成更弱。以这种方式，通过在偏轴透镜处使用更大的焦距，视场曲率被校正，即，象平面就变成平面表面。透镜直径优选对于用于视场曲率校正的偏轴透镜加以增大。
在另一个实施方式中，透镜阵列包括三个平面电极，并且开度角受限光圈(theopening angle limiting aperture)制作在单独的面板上。三个电极以具有特定入射角的光束中心穿过每一个电极中心的方式对准(排列)。透镜孔横截面的尺寸，例如以直径表示，优选对于用于偏轴透镜的视场曲率校正制成较大。
在另一个实施方式中，不管任何具体实施方式，透镜孔都制成椭圆形，以用于象散性的校正。在这方面应该注意到，原则上，可以组合如本文献中的实施方式所描述的或未描述的大多数(如果不是全部)特征。
针对高生产率和更佳的透镜性能，对于每一种类型的透镜阵列，已经开发了不同的微制造工艺流程，其具体细节在此不进行描述。另外，本发明也可以可替代地限定如下分段的定义。
具有有限透镜视场的微透镜阵列：在两个电极透镜阵列的情况下，两个电极之间的间隔小于几十微米，并且透镜孔直径，在椭圆形的情况下是最小直径，小于透镜电极的厚度；在光圈透镜阵列的情况下，透镜直径小于电极的厚度。以这种方式，第三阶象差(thethird order aberration)，特别是彗差和象散性，对于偏轴子光束而言都将会被最小化。
由于偏轴子光束较长的物镜(目标)距离，第一阶视场曲率通过增大偏轴透镜孔的半径而得到补偿，使得透镜阵列的每一个透镜都在同一象平面上聚焦子光束。
对于光圈透镜阵列而言，可替代地，视场曲率能够通过增加三个面对透镜光圈的微距电极而进行校正，第一微距电极的电势与光圈透镜阵列的电势相同或更高。这种构造导致在光圈透镜阵列前方产生弯曲等电势平面。该等电势平面的曲率导致偏轴透镜的光圈透镜强度小于中心透镜，并且以这种方式，视场曲率能够被校正。
以上提及的设备可以是具有移位限流光圈(shifted currentlimitingaperture)的光圈透镜、SOI晶片制成的双电极微透镜阵列或通过粘结两个晶片的双电极微透镜阵列。
可替换地，三电极透镜阵列可以用于产生多个子光束或聚焦具有不同入射角的光束，其中透镜电极以一种方式偏斜(不对称)而使得光束的中心穿过每一个电极的中心。视场曲率可以通过增大透镜阵列中的偏轴透镜的透镜半径而得到校正。椭圆形透镜孔可以用于校正象散。在这种情况下，限流光圈制作在单独的面板上。
在以上定义中所提到的限流光圈以及开始或最后(一个)透镜电极都由单片晶片制成，采用光刻技术进行对准。在以上定义中所提及的限流光圈通过限制透镜孔直径小于电极厚度而处于无场区域中。限流光圈的直径可以进行变化用于子光束电流的均匀性。
附图说明
通过举例的方式，本在以下根据本发明的带电粒子光学系统的实施方式中进一步阐释发明，其中：
图1是带电粒子或光(光学)束穿过具有透镜和光束限流孔(开口)的透镜系统的示意图；
图2图示说明了双电极微透镜，这里通过粘结两个晶片形成，并示出了移位光圈(shifted aperture)；
图3表示图2的实施方式的一个替代方式，具有SOI晶片制成的电极；
图4示意性地图示说明了两个具有移位限流光圈的等价集成光圈透镜；
图5和图6图示说明了组合有三个微距透镜(macro lens)的光圈透镜阵列的实施方式，因而图6图示说明了等电势线的工作方式，以及对于在透镜阵列位置处考虑它的要求；
图7图示说明了具有移位电极的微单透镜(micro-einzel-lens)；
图8图示说明了具有视场曲率校正装置的显微单透镜；
图9图示说明了现有技术的透镜和根据本发明的透镜之间在尺寸和设计结构上的差异。
在这些图中，相应的结构特征，即至少在功能上，通过相同的标号标记。
具体实施方式
图1示出了限流光圈CLA和透镜2的对准(排列)，通常是这样的光圈CLA阵列的部分并包含在光圈面板AP中。透镜的限流光圈CLA处于这样的位置，对于光束3，例如带电粒子光束，具有一定的入射角度α，虚拟光圈VA位于透镜2的中部，并且沿着透镜的光轴OA对称。这里，中部，即透镜的中心是指透镜的几何中心。在双电极透镜的情况下，透镜中部处于两个电极的中部，在三电极透镜的情况下，透镜中部处于中电极的中部，并且在光圈透镜的情况下，透镜中部处于光圈的端平面。图象进一步显示了成像平面IP。
在图2和3中，双电极透镜阵列的两个实例以透镜结构5、6的形式表示出，简而言之表示透镜。与填充因子通常为10％的传统带电粒子透镜相比，本发明双电极透镜的填充因子能够为85％并且甚至更高，同时没有显著增加彗差、象散性和视场曲率。这些透镜结构以光圈面板AP开始，其在这里与一个电极集成，由此形成了所谓的集成光圈透镜阵列。在该透镜结构中，两个电极彼此相互对准。透镜显示出圆柱形孔H1，其直径d1小于第一电极的厚度De。这种措施的作用就是防止了如图9所示的透镜的有效电场Ef深深渗入到透镜孔H1中。限流光圈CLA制作在第一透镜电极上，并且位于无场区域中。偏轴透镜孔H1的半径增大，以校正第一阶视场曲率，而令人惊讶的是，该半径变化看起来对透镜强度有很大的影响，足以超过校正第一阶视场曲率的影响。通过这样做，由透镜阵列形成的图象的尺寸彼此相等，并且没有诱导进一步的象差。
在图4中，示出了光圈透镜的示意图，其中具有限流光圈CLA和透镜孔H1的光圈面板AP由单片晶片制成。限流光圈CLA处于这样的位置，其使得虚拟光圈VA在电极E的端平面处并且沿着光学轴对称。透镜孔径d1小于电极的厚度，以限制相关的透镜视场Ef深深渗入到透镜孔H1中。图4右侧表示一种等价形式，其中透镜开口或电极和限流光圈阵列的顺序相对于入射子光束方向相反。
在图5中，示出了一个光圈透镜阵列的实例，这里是一个集成光圈透镜阵列IAL，具有三个面向光圈透镜的微距电极ME1、ME2和ME3，即，所有通过光圈透镜阵列的光束都从其中心穿过这组微距电极ME1、ME2和ME3。第一电极ME1与在光圈透镜IAL处的电势V0具有相同或更高的电势V1，即VO≤V1，而第二电极ME2的电势V2高于V1，即V2＞V1。第三电极ME3的电势V3小于ME2的V2，即V3≤V2。图中标出了该替代实施方式的等电势线EPL。这里光圈透镜在孔或透镜孔H1下端处形成。由图示清楚可见，随着等电势线局部地相互靠近并靠近光圈透镜AL，中心光圈透镜，或在更大实施方式情形中的透镜，相对地分别比偏轴光圈透镜更强。因此，中心光圈透镜比偏轴透镜更强，这里，这种现象用于视场曲率校正。事实上，在偏轴透镜孔处增大的焦距使通常为弯曲象平面至少虚拟地变平坦。可替代地和另外地，如果需要，视场曲率也采用增加透镜尺寸进行校正，这里，对于偏轴光圈透镜AL，具有圆形光圈，具有增大的半径d1。由本发明光圈透镜阵列IAL形成的图象投影到平的象平面FIP上。
图6提供了很大程度上相反布置的功能等价的实例，其中根据子光束3主方向，限流光圈位于微距透镜ME1-ME3下方，并具有适当调节的电压。其中图5的实例提供了微距透镜对子光束的校准作用，在该实例中，布置可以设置成零强度模式和非零强度模式操作。这里图示说明了非零模式，并提供用于如图5布置的相应聚焦作用，而在未描述的零强度模式下，单独施加视场以产生具有视场曲率校正功能的多束聚焦光束。因为象差与透镜的折射功率成比例，因此当微距透镜以零强度模式工作时，象差，特别是视场曲率和色度偏差较小，即零强度微距透镜不会引入额外的象差。
此外，图6稍微更详细地图示说明了在所述三微距透镜结构中的等电势线效应，并且还示出了微距透镜ME1-ME3的电场效应。该图尤其图示说明了等电势线在中心透镜孔中如何最大地相互接近，而在偏轴透镜孔处相互之间如何稍微远离。
图7示出了3-电极透镜，包括在单独光圈面板AP上制成的限流光圈CLA，以及3个电极Es1-Es3。限流光圈CLA与三电极Es1-Es3以这样的一种方式对准，其使得虚拟光圈VA处于中间电极的中部，并且沿着每一个透镜的光轴对称。三个电极E1-E3以这样的一种方式偏斜，其使光束的中心穿过每一个电极孔H1的中心。
在图8中示出了3-电极透镜阵列，其中偏轴透镜的透镜半径增大，以校正视场曲率。每一透镜的成像通过这种透镜结构投影到平的成像平面上。除了这种设计方式外，根据本发明，椭圆形透镜孔H1也可以用于校正其余的象散。
图9提供了相对于根据本发明的结构(在圈住的图部分中按比例表示并在下图部分以分解图提供)，现有透镜结构例如在前面引述的文献J.Vac.Sci.Technol.B 4(5)，Sept/Oct 1986中的(在上图部分中)的尺寸和构造的差异的图示说明。而且，从本发明的结构图明显地，在透镜孔H1横截面中的最大尺寸d1是等同的，并优选小于透镜电极的厚度，同时透镜视场限定在电极的厚度范围内。
除了在以上内容描述的构思和所有相关细节，本发明涉及所附一套权利要求中限定的所有特征以及附图中的所有细节，因为这本技术领域的技术人员都可以直接地且毫无疑义地推出。在所附一套权利要求中，并非孤独前述术语的含义，附图中对应于结构的任何标号用于帮助理解权利要求，仅包括用于表示前述术语的示例性含义并因此包括在括号内。

Claims (15)

1.具有至少两个电极的静电透镜结构，所述至少两个电极的每一个电极提供有多个透镜光圈，其中所述至少两个电极(E1，E2)彼此以小于所述透镜光圈的直径(d1)的距离整合，其中，所述透镜光圈包括圆柱形孔，所述圆柱形孔的直径(d1)小于所述透镜电极的厚度(De)，使得在使用期间，所述电极(E1，E2)在所述透镜光圈处实现的透镜视场的有效尺寸被制成最终较小。
2.一种多光束带电粒子光学系统，包括用于产生发散带电粒子光束的带电粒子源以及根据权利要求1所述的静电透镜结构，其中，所述静电透镜结构被包括在所述光束内。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述电极之间的距离小于1mm。
4.根据权利要求2所述的系统，其中透镜视场被限制在所述电极的厚度内。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述静电透镜结构的透镜的填充因子为至少85％。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述静电透镜结构包含在发散光束中，用于将多个聚焦子光束聚焦到平面象平面中。
7.根据权利要求2所述的系统，其中所述静电透镜结构的设置有透镜光圈的透镜的外形尺寸被制成小于1mm。
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述静电透镜结构的透镜与限流光圈(CLA)组合，相对于所述结构的透镜对准，使得虚拟光圈通过所述限流光圈在所述透镜中部实现，该虚拟光圈处于使总象差最小化的位置。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述虚拟光圈位于所述透镜视场的中心。
10.根据权利要求2所述的系统，其中与所述透镜视场有关的透镜光圈的直径随着所述透镜光圈到所述电极的中心点的距离的函数增加。
11.根据权利要求2所述的系统，其中所述静电透镜结构与限流光圈(CLA)面板组合，其中在所组合的透镜光圈的轴投影的约束条件内，所述限流光圈的位置是所述透镜光圈到组合的静电透镜结构和光圈面板的中心点的距离的函数，
其中随着所述限流光圈与组合的静电透镜结构和光圈面板的中心的距离增大，所述限流光圈相对于所述透镜光圈中心朝向组合的静电透镜结构和光圈面板的所述中心点被偏置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述限流光圈面板与所述静电透镜结构形成集成结构。
13.根据权利要求2所述的系统，包括两个电极，由在绝缘晶片(SOI)上的硅制成或通过粘结两个晶片的双电极微透镜阵列制成。
14.根据权利要求2所述的系统，其中如以顶视图或相对于入射光束的主方向的剖视图截取的，所述透镜光圈的形状是椭圆形。
15.一种使用有至少两个电极的静电透镜结构的聚焦带电粒子光束的方法，所述至少两个电极的每一个电极提供有多个透镜光圈，其中所述至少两个电极(E1，E2)彼此以小于所述透镜光圈的直径(d1)的距离整合，其中，所述透镜光圈包括圆柱形孔，所述圆柱形孔的直径(d1)小于所述透镜电极的厚度(De)，使得在使用期间，所述电极(E1，E2)在所述透镜光圈处实现的透镜视场的有效尺寸被制成最终较小。
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