CN102067272A - 投影透镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用多个子束(21)对目标(11)进行曝光的带电粒子多子束系统，该系统包含带电粒子源(1)、孔径阵列(4)、子束操纵器、子束阻断器(6)以及投影透镜系统的阵列。该带电粒子源(1)配置成产生带电粒子波束(20)。该孔径阵列(4)配置成从产生的波束定义分离的子束(21)。该子束操纵器配置成将多组子束汇聚向每一组的公共汇聚点。该子束阻断器(6)配置成可控地阻断子束组中的子束。最后，该投影透镜系统的阵列(10)配置成将子束组的未被阻断的子束投射到目标(11)的表面。该子束操纵器还将每个子束组汇聚向对应于投影透镜系统之一的点。

Description

投影透镜装置

技术领域

本发明涉及用于诸如带电粒子多子束光刻(lighography)系统或检查系统(inspection system)之类的带电粒子多子束系统的投影系统，以及用于这种投影系统的末端模块。

背景技术

当前，大多数商业光刻系统使用掩膜作为用具来存储和再现用于对诸如具有光刻胶涂层的晶片这样的目标进行曝光的图案数据。在无掩膜光刻系统中，带电粒子的子束用于将图案数据写到目标上。子束例如通过单独开启或关闭而单独控制，以产生所需的图案。对于设计为以商业可接受的生产能力操作的高分辨率光刻系统，这种系统的尺寸、复杂度和成本变成障碍。

例如，在第5,905,267号美国专利中示出用于带电粒子多子束系统的一种设计，其中，电子波束被扩展、准直，并通过孔径阵列分裂成多个子束。获得的图像然后通过缩影电子光学系统缩小且投射到晶片上。缩影电子光学系统将所有的子束一同聚焦和缩小，使得整个子束组被成像并且在尺寸上被减小。此设计中，所有子束在公共交叉点处相交，引起了失真和分辨率的降低，这归因于子束中带电粒子之间的相互作用。

没有这样的公共交叉点的设计也已经被提出，其中子束被单独地聚焦和缩小。然而，当这样的系统被构造成具有大量的子束时，为单独地控制各子束而提供多个透镜变得不现实。大量单独受控的透镜的构造增加了系统的复杂性，并且透镜之间的节距必须足够大以便能为各透镜的必要组件留下空间，和使单独的控制信号能访问各透镜。这种系统的较大光柱(optical column)高度导致了若干缺点，诸如增加需维持的真空的体积，并且子束的过长路径增大了例如由子束的偏移引起的对准错误(alignment error)的影响

在专利公报US 2001/0004185中公开了一种用于对目标进行曝光的带电粒子多波束曝光设备。照明系统调适为产生电子波束且使之形成为照射元素电子光学系统阵列的远心光束，其中元素电子光学系统阵列包括孔径阵列、阻断器阵列(blanker array)和停止器阵列(stopper array)。电子沿着分离的路径传播经过元素电子光学系统。投影光学系统将所得的子束投射到目标。照射系统和投影光学系统使用粒子光学透镜，该粒子光学透镜具有对于多于一个的电子子束公用的透镜元件，即所谓的宏(macro)光学元件。

根据本领域的现有状态的设备典型地包含两个所谓的对称磁偶极子序列，这两个对称磁偶极子产生对于一组远心光束或子束内的子束公共的两个交叉点。尽管原则上，可以并排使用上述类型的多个柱以增加容量，但这种类型的系统中包括的透镜系统的尺寸使得这种解决方案不切实际。

从用于带电粒子系统的这些早先设计得知的宏光学元件的使用不允许子束在整个带电粒子柱中始终直线传播，且使得对多个子束的一致控制更加困难。对于使用大量粒子子束的系统，考虑到诸如重叠和缝接的操作的极高精确度要求，这种设计因而被认为不是最优的。应用用于单独调节大量子束的元件更被认为是过于复杂的。

为了满足更小节点的需求(下一节点定义为因子1.4或2次根的较小尺寸)，这要求带电粒子系统中的斑点尺寸减小1.4倍，且使得系统中的总电流翻倍。当使得斑点尺寸减小1.4倍时，需要带电粒子子束的较小的点扩展函数(point spread function，PSF)来维持曝光宽容度。假设每波束电流由系统常数C、源亮度以及PSF的四次幂限定，由于较小的PSF，每个子束的电流下降4倍。目标(在很多情况中是晶片)上的总电流应翻倍以限制散粒噪声，使得每平方临界直径的电子数目保持相同，而光刻胶灵敏度翻倍，例如从每平方厘米30μm变为60μm。总之，为了维持生产能力，实现带电粒子光刻中下一技术节点需要的附加电流量要求系统常数C、系统中的波束数目以及源亮度的组合效果增加8倍。尽管系统常数和源亮度可以发生改变的程度有限，但系统中子束的数目可以增加得相当多。在处理作为目标的晶片且例如至少实现每小时10个晶片的生产能力的实际实现中，需要的子束的数目是万到十万的量级。

从本申请人名下的专利US 6,958,804中可了解到一种系统，该系统解决了关于子束的巨大数量(每平方表面上的子束)的这种需求，且还解决了如在现有技术中在公共交叉点遭遇的偏差所遇到的困难。该专利定义的光刻系统通过基本在包括投影部件的整个带电粒子系统中应用阵列式带电粒子光学组件，诸如静电元件，而允许包括被保持在分离路径上(即，没有公共交叉点)的大量子束。这种系统对带电粒子柱布局的原理性不同使得能对系统中所有子束进行适当控制，且不需要响应于宏组件(诸如现有技术所要求的宏偏转器)的横截面上强场差异而进行特定调适。而且，阵列元件的应用至少更容易允许应用高频切换，而这对于诸如宏偏转器的宏组件，即使可能，也是十分困难的。然而该技术在最终微型化和每平方表面的透镜系统的紧密分布方面仍要面临每平方表面的投影透镜系统数目的限制，在带电粒子柱中后续投影透镜的电场击穿中遇到实际的问题。

现有带电粒子束技术适合用于形成图像的粗略的图案的光刻系统，例如实现90nm或更大的临界尺寸，对于改善的性能存在持续的需求。希望在维持足够的晶片生产能力(例如每小时10至60个晶片)的同时，实现小得多的临界尺寸(例如22nm)。

发明内容

本发明目标在于提供一种多子束带电粒子光刻系统，其能在维持足够的晶片生产能力(例如，每小时10至60个晶片)的同时实现较小的临界尺寸(例如22nm)。本发明意识到，通过显著减小斑点尺寸同时显著增加系统中产生的电流，可以在多子束带电粒子系统中获得较高的分辨率。

为实现所希望的性能，不仅需要减小斑点尺寸，还需要减小子束的点扩展函数以维持足够的曝光宽容度。足够的曝光宽容度要求由子束在目标上造成的峰值曝光水平与通常由相邻子束的外围高斯部分导致的基本曝光水平或背景曝光水平的比率较高。然而，设计产生具有较小点扩展函数的子束的系统显著减小了可由每个子束应用于目标的带电粒子电流。

减小斑点尺寸、增加电流以及减小点扩展函数的要求暗示着系统中子束数目的显著增加。由于多子束系统中投影光学装置的有限物理尺寸，这导致问题，该有限物理尺寸通常受到与被曝光的模具(die)的尺寸相对应的尺寸的限制。利用已知技术可在这种尺寸内构建的投影透镜的数目明显小于在给定上述要求条件下实现希望的晶片生产能力所需的子束的数目。

本发明通过在系统中提供阵列操纵器解决该问题，其可以采用诸如集群偏转器阵列、聚光透镜阵列或孔径阵列的各种形式，用于将多个子束成组地引导向单个投影透镜。该措施允许系统中子束数目的显著增加，而无需设计和制造被微型化到如阵列操纵器中执行的极端程度的透镜。本发明因而教导了：即使由于电场强度的大小、节距、垂直接近度和电场强度的水平，投影柱内的区域进一步微型化，也避免在已经暴露明显问题的操作中的电跳火以及由此导致的透镜系统的损坏的风险。相反，由于缺少在投影透镜系统遇到的大场强，子束操纵器的区域的微型化不产生这种操作影响，也不产生不能克服的制造问题(例如，使用更少或更多MEMS制造技术来制造这些组件造成的问题)。本发明的另一见解在于，源于汇聚方向的子束的投影实际上与垂直子束的偏转相同。这暗示着根据本发明的措施不引入或要求从现有技术已知的现有最终投影透镜系统的原理性重复设计。本发明的第三见解在于，仅汇聚子束组避免了整个系统中所有子束(即，其中的所有带电粒子电流)的公共交叉点的存在。因而，由汇聚点处的像差导致的不利影响将是有限而受控的影响。本发明的第四见解在于阻断经过单个投影透镜的子束组内的子束的能力导致“图案化的子束”被投射到目标上。

本发明提供一种使用多个子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统，该系统包含：至少一个带电粒子源，用于产生带电粒子波束；孔径阵列，从产生的波束定义分离的子束或分波束；子束操纵器，用于将子束组汇聚向每个组的公共汇聚点；子束阻断器，用于可控地阻断子束组中的子束；以及投影透镜系统的阵列，用于将子束投射到目标表面，其中子束操纵器用于将每个子束组汇聚向对应于投影透镜系统之一的点。

子束操纵器可以包含集群偏转器阵列，且集群偏转器阵列优选地包含分组式布置的偏转器元件，各个偏转器元件具有不均匀偏转行为。每个组中的未被阻断的子束优选地偏转到单个汇聚点，且每个子束组被引导向不同的汇聚点。集群偏转器阵列可以与子束阻断器集成，且集成的组偏转器/子束阻断器用于将每组中的未被阻断的子束汇聚到公共点，且不将被阻断的子束汇聚到公共点。集群偏转器阵列可以包含其中形成有孔径和与每个孔径相关的电极的板，电极接收用于偏转通过孔径的子束的电信号。

系统还可以包括用于使子束成形的成形孔径阵列。孔径阵列用于定义分波束，且成形孔径阵列用于从分波束(分子束)生成子束，孔径阵列和成形孔径阵列可以集成到单个单元中。集群偏转器阵列和成形孔径阵列也集成在单个单元中。

子束操纵器备选地可以包含聚光透镜阵列和成形孔径阵列。聚光透镜阵列优选地用于将每个分波束聚焦到对应于一投影透镜系统的点。成形孔径阵列优选地包含用于从每个聚焦的分波束产生多个子束的孔径，多个子束的未被阻断的子束汇聚于对应于一投影透镜系统的点。孔径阵列优选地用于定义分波束，且成形孔径阵列优选地用于生成子束，孔径阵列和成形孔径阵列优选地集成到单个单元中。

子束操纵器还可以包含第一和第二聚光透镜阵列和成形孔径阵列。第一聚光透镜阵列优选地用于将分波束聚焦到第二聚光透镜阵列之前公共平面，且第二聚光透镜阵列用于将每个分波束聚焦到对应于投影透镜系统之一的点。成形孔径阵列优选地包含用于从第二聚光透镜阵列聚焦的每个分波束产生多个子束的孔径，多个子束的未被阻断的子束汇聚到对应于投影透镜系统之一的点。

系统中产生的子束的数目优选地大于投影透镜系统的数目，且系统可以包含至少10,000个投影透镜系统。系统中产生的子束的数目优选地至少是投影透镜系统的数目的三倍，且可以是投影透镜系统数目的10至200倍。

根据本发明的另一方面，提供一种使用多个子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统，该系统包含：至少一个带电粒子源，用于产生带电粒子波束；第一孔径阵列，用于从产生的波束生成分波束；聚光透镜阵列，用于聚焦分波束；第二孔径阵列，用于从每个聚焦的分波束生成多个子束；子束阻断器，用于可控地阻断子束组中的子束；以及投影透镜系统的阵列，用于将子束投射到目标表面，其中聚光透镜阵列用于将每个分波束聚焦到对应于投影透镜系统之一的点。

根据本发明的另一实施例，提供一种使用多个子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统，该系统包含：至少一个带电粒子源，用于产生带电粒子波束；第一孔径阵列，用于从产生的波束生成分波束；第二孔径阵列，用于从每个聚焦的分波束生成多个子束；聚光透镜阵列，用于聚焦子束；子束阻断器，用于可控地阻断子束组中的子束；以及投影透镜系统的阵列，用于将子束投射到目标表面，其中聚光透镜阵列用于将从每个分波束形成的子束聚焦到对应于投影透镜系统之一的点。

第一和第二孔径可集成到单个单元中。第一孔径阵列优选地包含较大的孔径，且第二孔径阵列优选地包含与第一孔径阵列中的每个大孔径相对应的一组较小孔径，大孔径的壁从第二孔径阵列的平面向上延伸。大孔径的壁优选地包围容纳第二孔径阵列的那组小孔径的区域，且大孔径的壁优选地向上延伸到与第二孔径阵列的厚度相比相当大的程度。第二孔径阵列还可以与子束阻断器结合。

根据本发明的另一方面，提供一种使用多个子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统，该系统包含：至少一个带电粒子源，用于产生带电粒子波束；孔径阵列，用于从产生的波束生成分离的子束；子束阻断器，用于可控地阻断子束；以及投影透镜系统的阵列，用于将子束投射到目标表面，其中子束阻断器包含分组形式布置的偏转器的子阵列。

子束阻断器优选地包含其中形成有多个孔径的板，子束阻断器的每个偏转器包含与用于偏转经过孔径的子束的孔径相关的切换电极。一组偏转器的切换电极优选地连接到以单线取向布置的电学控制线，且一组的两个部分其中每一个的控制线优选地指向相反的方向。每个偏转器优选地设置有用于控制偏转器的切换电极的存储单元，且每个存储单元优选地电学连接到两个控制线，每个控制线共同连接到一组的存储单元的行或列。

对于一组子束中的不同子束，子束被偏转以阻断子束的方向优选地是不同的。阻断方向优选地选择为使得，在波束停止阵列的位置处多个被阻断的子束的中心基本与所述位置处未被阻断的子束的位置相同。被阻断的子束的偏转方向还可以动态地变化，使得在波束停止阵列的位置处多个被阻断的子束的中心基本与在所述位置处未被阻断的子束的位置相同。

根据本发明的又一方面，提供一种用多个子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统，该系统包含：一个或多个板，其中形成有用于形成子束的孔的阵列；以及投影透镜装置，其包含一个或多个板以及一个或多个投影透镜阵列，每个板具有形成于其中的孔径阵列，投影透镜在孔径的位置处形成，该一个或多个投影透镜阵列形成投影透镜系统的阵列，每个投影透镜系统包含在一个或多个投影透镜阵列的相应点处形成的一个或多个投影透镜，其中投影透镜系统的数目小于子束的数目，使得每个投影透镜系统将多个子束投射向目标。

附图说明

将参考附图中示出的实施例进一步解释本发明的各个方面，附图中：

图1是带电粒子多子束光刻系统的示例的简化示意图；

图2是图1的光刻系统的末端模块的侧面图形式的简化示意图；

图3是包括组偏转阵列的光刻系统的简化示意图；

图4是进一步包括成形孔径阵列的图3的系统的简化示意图；

图5是包括两个聚光器阵列和成形孔径阵列的备选实施例；

图6是包括单个聚光器阵列和成形孔径阵列的另一实施例；

图7是包括组偏转阵列的简化实施例；

图8至图10是用于每投影透镜单子束的图4的实施例的备选实施例；

图11A和图11B是说明每投影透镜多子束的概念的概念图；

图12、图12A和图12B说明本发明的第二简化实施例；

图13A和图13B说明每投影透镜装置多子束的优点；

图14和图15是允许使用未经修改或相对简单的源和投影透镜系统的其他实施例；

图16是示出子束阻断器阵列6的可能布局；

图17说明与子束阻断器阵列6结合的孔径阵列；

图18A和图18B是用于集群偏转器阵列或波束阻断器阵列的偏转器的实施例的示意图；以及

图19A和图19B是用于集群偏转器阵列或波束阻断器阵列的偏转器的备选实施例的示意图。

具体实施方式

下面是仅通过举例的方式参考附图给出的本发明的各种实施例的描述。

图1示出带电粒子多子束光刻系统的实施例的简化示意性图示，该带电粒子多子束光刻系统基于没有所有电子子束的公共交叉点的电子波束光学系统。这种光刻系统例如在转让给本发明的所有人的美国专利第6,897,458号、第6,958,804号、第7,084,414号和第7,129,502号中有所描述，此处通过引用的方式并入以上专利的全部内容作为参考。在图1所示的实施例中，光刻系统包含用于产生均匀的、扩展的电子波束20的电子源1。波束能量优选地维持在约1至10keV的较低范围内。为此，加速电压优选为较低的，电子源优选地相对于接地电势的目标保持在约-1至-10kV之间，不过也可以使用其他设置。

来自电子源1的电子波束20经过双八端网络2，随后经过用于使电子波束20准直的准直透镜3。随后，电子波束20撞击到孔径阵列4上，该孔径阵列阻挡部分波束，且允许多个子束21穿过孔径阵列4。孔径阵列优选地包含具有通孔的板。因而，产生多个平行电子子束21。系统产生大量子束21，优选地约10,000至1,000,000个子束，不过当然可以使用更多或更少的子束。注意，也可用其他已知方法产生准直子束。

多个电子子束21经过聚光透镜阵列5，该聚光透镜阵列5将每个电子子束21聚焦到子束阻断器阵列6的平面内。该子束阻断器阵列6优选地包含多个阻断器，每个阻断器能够偏转电子子束21其中的一个或更多个。稍后将更详细描述聚光透镜阵列5和子束阻断器阵列6。

随后，电子子束21进入末端模块7。末端模块7优选地构造成包括不同组件的可插入、可替换的单元。在此实施例中，末端模块包括波束停止阵列(beam stop array)8、波束偏转器阵列9和投影透镜装置10，但是并非所有这些都需要被包括在末端模块中且它们可以按不同方式布置。除了其他功能，末端模块7还将提供约25至500倍、优选地50至200倍的缩小。在产生形成图案的子束的系统中需要稍微少些的缩小。末端模块7优选地按以下方式偏转子束。在离开末端模块7之后，子束21撞击位于目标平面处的目标11的表面。对于光刻应用，目标通常包含配备有带电粒子敏感层或光刻胶层的晶片。

在末端模块7中，电子子束21首先经过波束停止阵列8。此波束停止阵列8很大程度上决定了子束的开度角(opening angle)。在此实施例中，波束停止阵列包括用于允许子束通过的孔径阵列。波束停止阵列的基本形态包括设置了通孔的基板，该通孔通常为圆孔，但也可采用其他形状。在一个实施例中，波束停止阵列8的基板由具有规则间隔的通孔阵列的硅晶片形成，且可以覆盖有金属表面层以防止表面充电。在一个实施例中，金属是不形成天然氧化表层的类型，诸如CrMo。

在一个实施例中，波束停止阵列8的通道与子束阻断器阵列6的元件对准。子束阻断器阵列6和波束停止阵列8一起工作，以阻挡子束21或允许子束21通过。如果子束阻断器阵列6偏转子束，则子束不通过波束停止阵列8中的相应孔径，而是被波束停止阵列8的基板阻挡。但是如果子束阻断器阵列6不偏转子束，则子束将通过波束停止阵列8中的相应孔径，且然后被投影成目标11的表面上的一个斑点。以这种方式，各个子束可以有效地接通或关断。

接下来，子束经过波束偏转阵列9，其为每个子束21提供在X和/或Y方向上的偏转，X或Y方向基本上垂直于未经偏转的子束21的方向。接下来，子束21经过投影透镜装置10，被投影到目标平面上的目标11上，目标11通常为晶片。

为了在目标上的投影斑点内以及在投影斑点之间电流和电荷的一致性和均匀性，并且因为波束停止板8在很大程度上决定了子束的开度角，在波束停止阵列8中的孔径的直径优选地小于当子束到达波束停止阵列时子束的直径。在一个实施例中，波束停止阵列8中的孔径的直径在5μm至20μm的范围，而在所述实施例中撞击到波束停止阵列8上的子束21的直径典型地约在15μm至75μm的范围

本实例中波束停止板8中的孔径的直径将子束的横断面限制成直径的范围在5μm至20μm内的上述值，并且更优选地范围在5μm至10μm内，而如果不受限制该子束的横断面的直径值将在30μm至75μm的范围内。这样，只有子束的中心部分才被允许通过波束停止板8，投影到目标11上。子束的这个中心部分具有相对均匀的电荷密度。由波束停止阵列8对子束的外围部分的这种切割也在很大程度上决定了系统末端模块7中子束的开度角，以及在目标11处的电流量。在一个实施例中，波束停止阵列8中的孔径是圆的，导致了各子束具有基本一致的开度角。

图2更详细地示出了末端模块7的实施例，示出了波束停止阵列8、偏转阵列9和投影透镜装置10，将电子子束投影到目标11上。子束21被投影到目标11上，优选地导致直径约为10纳米至30纳米，更优选地约为20纳米的斑点几何尺寸，这种设计的投影透镜装置10优选地提供约100至500倍的缩小。在此实施例中，如图2中所示，子束21的中心部分首先通过波束停止阵列8(假设子束没有被子束阻断器阵列6偏转过)。然后，子束经过波束偏转阵列9的偏转器或者按顺序布置从而形成偏转系统的偏转器组。子束21随后通过投影透镜装置10的电光系统，最终撞击到目标平面上的目标11。

在图2中示出的实施例中，投影透镜装置10具有按顺序布置、用于形成静电透镜阵列的三个板12、13和14。板12、13和14优选地包括其中形成有孔径的板或基板。孔径优选地形成为穿过基板的圆孔，但其他形状也可被采用。在一个实施例中，基板由采用半导体芯片工业中熟知的处理步骤处理的硅或其他半导体形成。例如利用半导体制造工业中已知的光刻和蚀刻技术可以方便地在基板中形成孔径。所采用的光刻和蚀刻技术优选地被充分精确地控制，以确保孔径的位置、尺寸和形状的均匀性。这种均匀性允许消除对单独控制每个子束路径和聚焦的需求。

基板的表面上孔径的定位的均匀性，即，孔径之间的均匀距离(节距)以及孔径的均匀布置，允许具有密集子束的系统的构建，该密集子束在目标上生成均匀栅格图案。在孔径之间的节距处于50至500微米的范围的一个实施例中，节距的偏差优选地是100纳米或更小。而且，在使用多个板的系统中，每个板中的相应孔径对准。板之间孔径的不对准可引起沿着不同轴的焦距的不同。

孔径尺寸的均匀性使在孔径位置处形成的静电投影透镜能够具有均匀性。透镜尺寸的偏差将导致聚焦的偏离，使得一些子束聚焦在目标平面上而其他子束则不聚焦在目标平面上。在一个实施例中，孔径尺寸在50微米至150微米的范围内，尺寸的偏差优选地为100纳米或更少。

孔径形状的均匀性也是很重要的。在使用圆孔的情况下，孔的圆度的均匀性导致产生的透镜的焦距在两个轴上是相同的。

基板优选地被涂上导电涂层，以形成电极。导电涂层优选地在各基板上形成单个电极，在孔径周围以及孔的内侧覆盖板的两个表面。优选地，例如钼(molybdenum)的具有导电自然氧化物的金属被用于电极，采用例如在半导体制造工业中熟知的技术将该金属沉积在板上。将电压施加到各电极，以控制在各个孔径位置处形成的静电透镜的形状。对于整个阵列，每个电极被单个控制电压控制。因而，在具有三个电极透镜的所示实施例中，对于所有成百上千个透镜仅存在三个电压。

图2示出的板12、13和14具有分别施加到它们的电极上的电压V1、V2和V3。板12和13之间以及板13和14之间的电极之间的电压差，在板中的每个孔径的位置产生静电透镜。这在孔径阵列中相互对准的各个位置处产生“垂直”静电透镜组，生成了投影透镜系统的阵列。每个投影透镜系统包含在每个板的孔径阵列的相应点处形成的静电透镜组。形成投影透镜系统的每个静电透镜组可被当作单个有效投影透镜，其聚焦和缩小一个或多个子束，且具有有效焦距和有效缩小。在仅使用一个板的系统中，可以结合接地平面使用单个电压，使得在板的每个孔径的位置处形成静电透镜。

孔径的均匀性的变化将导致在孔径的位置处形成的静电透镜的变化。孔径的均匀性导致均匀的静电透镜。因而，三个控制电压V1、V2和V3生成了聚焦且缩小大量电子子束21的均匀静电透镜阵列。静电透镜的特性由三个控制电压控制，使得所有子束的聚焦和缩小的量可通过控制这三个电压控制。以这种方式，单个公共控制信号可用于控制用于缩小和聚焦极大量电子子束的整个静电透镜阵列。公共控制信号可以针对每个板提供或者作为两个或更多板之间的电压差提供。在不同投影透镜装置中使用的板的数目可以变化，且公共控制信号的数目也可以变化。在孔径具有足够均匀的布局和尺寸时，这使得能够用一个或多个公共控制信号实现电子子束的聚焦以及子束的缩小。在图2的实施例中，包含三个控制电压V1、V2和V3的三个公共信号因此被用于聚焦和缩小所有的子束21。

投影透镜装置优选地形成用于将子束聚焦到目标表面上的所有聚焦器件。这是由投影透镜的均匀性实现的，这些投影透镜提供对子束的足够一致的聚焦和缩小，使得不需要对各个电子子束的聚焦和/或路径进行修正。这通过简化系统构造、简化系统的控制和调节，显著减少了整个系统的成本和复杂度，并极大地减小系统的尺寸。

在一个实施例中，形成投影透镜处孔径的布置和尺度控制在一容差内，该容差足以使利用一个或多个公共控制信号对电子子束进行的聚焦能够实现焦距均匀性优于0.05％。各投影透镜系统被间隔开额定间距，并且各电子子束被聚焦，在目标表面上形成斑点。在板上的孔径的布局和尺度优选地被控制在一容差内，该容差足以实现在目标表面上斑点空间分布的变化小于额定节距的0.2％。

投影透镜装置10包括放置成彼此靠近的板12、13、14，使得尽管在电极上使用相对低的电压(与电子波束光学装置中一般使用的电压相比)，可以产生极高的电场。这些高电场生成具有小焦距的静电投影透镜，这是因为对于静电透镜，焦距可被估计成与被电极之间的静电场强度分割的波束能量成正比。就这方面而言，当可以实现原先的10kV/mm时，本实施例优选地在第二板13和第三板14之间应用25至50kV/mm的电势差。电压V1、V2和V3优选地设置为使得第二和第三板(13和14)之间的电压差大于第一和第二板(12和13)之间的电压差。这导致在板13和14之间形成更强的透镜，使得每个投影透镜系统的有效透镜平面位于板13和14之间，如图2中在透镜开孔中板13和14之间用弯曲的虚线示出的那样。这使得有效透镜平面更靠近目标，且使得投影透镜系统具有较短的焦距。还应当注意，尽管为简单起见，图2中的子束示为从偏转器聚焦，如追踪射线所示，子束21的聚焦的更精确表达将指示透镜系统10的实际透镜平面位于板13和14之间。还应当注意，最下面的板14和目标平面11之间的距离d3在此设计中应非常小，以允许产生短焦距。

电极电压V1、V2和V3优选地设置为使得电压V2比电压V1更接近电子源1的电压，引起子束21中带电粒子的减速。在一个实施例中，目标处于0V(接地电势)且电子源相对于目标约为-5kV，电压V1约为-4kV且电压V2约为-4.3kV。电压V3相对于目标约为0V，避免了在板14和目标之间产生强电场，这种强电场在目标的拓扑不平坦的情况下可造成子束的干扰。板(以及投影系统的其他组件)之间的距离优选很小。使用这种布置，实现聚焦和缩小的投影透镜，以及在子束中引出的带电粒子的速度的降低。利用约-5kV的电压的电子源，带电粒子被中心电极(板13)减速，随后被具有接地电势电压的底部电极(板14)加速。这种减速允许在电极上使用更低的电场，同时对于投影透镜装置仍能实现期望的缩小和聚焦。使用具有控制电压V1、V2和V3的三个电极而不仅是如前述系统中使用的具有控制电压V1和V2的两个电极的优势在于，将对子束的聚焦的控制与对子束加速电压的控制之间的相互影响消除到一定程度。对相互影响的这种消除是因为可通过不改变电压V1而只调整电压V2和V3之间的电压差来调整投影透镜系统。因此电压V1和源电压之间的电压差很大程度上未改变，使得加速电压基本保持恒定，降低了柱(column)的上部中对准的重要性。

图2还示出偏转阵列9对子束21在Y方向上的偏转，该偏转在图2中被示为从左到右的偏转。在图2的实施例中，偏转阵列9中的孔径被示为用于使一个或多个子束通过，在孔径的对面提供电极，电极配备了电压+V和-V。在电极上提供电势差引起子束的偏转，或经过孔径的子束的偏转。对电压(或电压正负号)的动态改变将使子束能以扫描方式，这里是在Y方向上摆动。

如Y方向中的偏转所述相同的方式，也可来回执行X方向上的偏转(在图2中，X方向是进入和退出纸的方向)。在所述实施例中，为在基板表面上扫描子束可使用一个偏转方向，同时通过使用扫描模块或扫描阶段在另一个方向上平移基板。平移方向优选地横切于Y方向并与X方向一致。

如所述，末端模块7的偏转器和透镜相对于彼此的布置与粒子光学领域中所普遍预期的不同。典型地，偏转器被定位在投影透镜之后，使得首先实现聚焦，然后偏转被聚焦的子束。如图2和3中的系统，先偏转子束、然后聚焦子束，导致子束脱离轴线地且相对于投影透镜的光轴成一定角度地进入投影透镜。对于本领域技术人员显而易见的是，后一种布置可显著增大偏转子束的离轴像差(aberration)。

在用于光刻的投影系统的应用中，子束应以超高的精确度被聚焦和定位，使斑点的尺寸为几十纳米，尺寸的精确度为纳米级，并且定位的精确度为纳米级。发明者认识到将经聚焦的子束偏转，例如将其偏离子束光轴几百纳米，将很容易导致失焦的(out-of-focus)子束。为了满足精确度要求，这将严格地限制偏转量，否则子束将迅速在目标11的表面上变得失焦。

如上面所讨论，为了实现投影透镜装置在光刻系统中使用时的目标，投影透镜系统的有效焦距短，且投影透镜系统的透镜平面十分靠近目标平面。因而，在投影透镜和目标平面之间几乎不留有用于子束偏转系统的空间。发明人意识到，焦距应在这样有限的量级上：任意偏转器或偏转器系统应布置在投影透镜之前，而不管使用这种布置容易发生离轴像差。

上游的偏转阵列9和下游的投影透镜装置10的图1和2所示的布置进一步能使子束21发生强聚焦，尤其在每个投影透镜系统仅聚焦一个子束(或者少量子束)的系统中允许子束的尺寸减小(缩小)至少约100倍且优选地约350倍。在每个投影透镜系统聚焦一组子束(优选地10至100个子束)的系统中，每个投影透镜系统提供至少约25倍且优选地约50倍的缩小。这种高度缩小具有另一优势：对于投影透镜装置10之前(上游)的孔径和透镜的精确度的要求大为减小，由此能以减小的成本实现光刻设备的构建。该布置的另一优势在于，整个系统的柱长度(高度)可以大为减小。在此方面，还优选地使得投影透镜的焦距小且使得缩小系数大，从而实现有限高度(优选地，从目标到电子源小于1米，且更优选地高度介于约150至700mm之间)的投影柱(projection column)。使用短柱的这种设计使得光刻系统更容易安装和收纳，并且还减少了分离的子束偏移的影响，这归因于有限圆柱体高度和更短的子束路径。更小的偏离减少了子束对准问题，并使得能够使用更简单和成本更低的设计。然而，这种布置对末端模块的各种组件提出额外的要求。

使用位于投影系统上游的偏转系统，偏转的子束将不再在其光轴上经过投影系统。因而，聚焦在目标平面上的未偏转子束在偏转时将在目标平面失焦。为了限制由于子束偏转导致的失焦影响，在一个实施例的末端模块中，偏转阵列9被布置成尽可能地靠近投影透镜阵列10。以这种方式，偏转的子束将在经过投影透镜阵列时仍较靠近其未偏转的光轴。优选地，偏转阵列布置在与投影透镜阵列10相距0至5mm的位置，或者优选地，在维持与投影透镜相隔离的同时尽可能地靠近。在实际的设计中，为了容纳布线，可以使用0.5mm的距离。

使用如上所述的布置，投影透镜系统10的主透镜平面优选地位于两个板13和14之间。如上所述，根据上述实施例的系统中的带电粒子的总能量保持较低。对于电子波束，例如能量优选地在上至约10keV的范围内。这样，减小了目标处的热产生。然而，使用这种低能量的带电粒子，系统中的色差增加。这需要特定措施来补偿这种有害影响。措施之一是已经提及的投影透镜装置10中的相对高的静电场。高静电场导致形成具有低焦距的静电透镜，使得透镜具有低色差。

色差通常与焦距成正比。为了减少色差和提供适当的电子波束投影到目标平面上，光学系统的焦距优选地限制为一毫米或更小。此外，依据本发明的透镜系统10最终板14被制成非常薄，以使得焦点平面不在透镜内部的情况下焦距能够很小。板14的厚度优选地在50um至200um范围之内。

由于上述原因，希望将加速电压保持成相对低，以获得相对强的缩小，且将偏差维持成尽可能地低。为了满足这些相互矛盾的需求，构想出了将投影透镜系统的透镜布置成彼此靠近的装置。该新概念要求投影透镜的下电极14优选地尽可能地靠近目标平面，其效果是偏转器优选地布置在投影透镜之前。另一种减小由末端模块7的布置导致的像差的措施，是以最小相互距离布置偏转器9和投影透镜装置10。

如上所述，透镜阵列中的相互距离是被高度微型化的属性。在这方面，板12、13和14之间的相互距离与板13的厚度处于相同的量级。在优选实施例中，这些相互距离处于约100至200μm的范围。最后的板14到目标平面的距离优选地小于板间距离，以允许短的焦距。然而，在板14的下表面和晶片的表面之间需要有最小距离，以允许晶片的机械移动。在本示例性实施例中，最终板14到目标平面的距离约为50至100μm。在一个实施例中，板13和14之间的距离约为200μm，且板14和目标平面之间的距离约为50μm。这些距离与电压V1、V2和V3以及板12、13和14的透镜的孔径18的尺寸相关，以在聚焦一个或多个子束的同时允许偏转的子束通过。

如所示的末端模块7的设计中，板12、13和14的透镜的孔径的直径比波束停止阵列8的同轴对准孔径的直径大许多倍，该波束停止阵列8的同轴对准孔径优选地具有约5至20μm的直径。孔径的直径优选地在约50至150μm的范围内。在一个实施例中，该直径约为100μm，而波束停止阵列的孔径直径约为15μm。

而且，在本设计中，板13的中央基板的最大厚度优选地在约50至500μm范围。用于板12的基板的厚度相对较小，优选地约为50至300μm，且用于板14的基板的厚度相对最小，优选地约为50至200μm。在一个实施例中，用于板13的基板的厚度约为200μm，用于板12的基板的厚度约为150μm，用于板14的基板的厚度约为150μm。

为达到特定的生产能力(即每小时曝光特定数量的晶片)所需的子束的总电流，取决于所需的剂量(dose)、晶片的面积和开销时间(例如，将新晶片移动到曝光位置的时间)。在这些散粒噪声(shot noise)受限系统中所需的剂量，除取决于其他因素外，还取决于所要求的特征尺寸和均匀性，以及波束能量。

为了使用电子波束光刻在光刻胶中获得某一特征尺寸(临界尺度或CD)，需要某一分辨率。该分辨率由三个因素决定：波束尺寸、光刻胶中电子的散射以及与酸扩散相结合的辅助电子平均自由径。这三个因素以二次方关系叠加起来，决定总的斑点尺寸。在这三个因素中，波束尺寸和散射取决于加速电压。为解决光刻胶中的特征，总斑点尺寸应该与所需特征尺寸(CD)具有相同的量级。不仅CD而且CD均匀性对于实际应用都很重要，且后一要求将决定实际需要的斑点尺寸。

对于电子波束系统，最大单束电流由斑点尺寸决定。对于小的斑点尺寸，电流也很小。为获得良好的CD均匀性，所需要的斑点尺寸将把单束电流限制成比获得高生产能力需要的电流小得多。因此需要大量的子束(典型地对于每小时10晶片的生产能力需要多于10,000个子束)。对于电子波束系统，通过一个透镜的总电流被电子之间的库伦相互作用(Coulomb interaction)所限制，使得有限数目的子束可被发送通过一个透镜和/或一个交叉点。这因此意味着在高生产能力系统中透镜数目也需要是很大的。

在优选实施例中，实现大量低能子束的极密集布置，使得多个子束可以汇聚到尺寸与典型晶片的曝光场的尺寸可比的区域中。

投影透镜的板12、13和14中的孔径的节距优选地尽可能地小，以尽可能地在小区域中生成更多的静电透镜。这实现了高密度子束。以高密度布置的方式将大量子束间隔密集地布置在一起还减小了在目标表面上必须扫描的子束的距离。然而，对于给定的孔径钻孔尺寸，节距中的减小受限于由于孔径间的小距离使板变得太脆弱而引起的制造和结构问题，还可能受限于由相邻透镜的边缘场引起的像差。

多子束带电粒子系统设计为在显著增加系统中产生的电流的同时显著减小斑点尺寸。为此，其还通过增加系统中的电流实现，目标上的总电流也增加以限制散粒噪声的发展。然而，同时，撞击到每平方临界尺寸(每单位面积的CD平方)的目标表面上的电子的数目应该维持恒定。这些需求使得必须按下面详细讨论的方式修改带电粒子系统的设计，且为了最佳性能，需要目标具有较高灵敏度的光刻胶，例如，典型地从当前实际使用的30μm/cm_²到该值的两倍。此时注意，实际上，斑点尺寸对应于“点扩展函数”，作为较容易理解的术语，在本文的剩余部分中使用斑点尺寸来代替“点扩展函数”。根据本发明的概念的另一实际方面在于斑点尺寸与CD尺寸处于同一量级。

为实现所需性能，不仅需要减小斑点尺寸，还需要减小子束的点扩展函数来维持足够的曝光宽容度。足够的曝光宽容度要求由子束为目标带来的峰值曝光水平与通常由相邻子束的外围高斯部分导致的曝光的基本或背景水平之间的比率较高。然而，设计系统以产生具有较小点扩展函数的子束显著减小了可由每个子束应用于目标的带电粒子电流。不管所用的带电粒子源的亮度如何，减小的斑点尺寸、增加的电流以及减小的点扩展函数的前述要求暗示着：与相同晶片生产能力的临界尺度的减小相比，系统中子束数目远非线性地增加。

由于多子束光刻系统的投影光学装置的物理尺寸有限，对系统中子束数目的显著增加的需求产生实际问题。这种系统中的投影光学装置的尺寸通常受限制，以适应例如将被系统曝光的目标的场。在实际设计中，对于在投影光学装置即末端透镜模块可以占用的相对较小区域中可以物理实现的透镜数目存在限制。在需要实现的减小的临界尺寸，可以使用已知技术在这些尺寸内构建的透镜的数目比实现所需晶片生产能力需要的子束的数目要小很多。

一种解决方法是使用聚光透镜或一系列聚光透镜减小孔径阵列4的图像，由此也减小了子束的节距。然而，这种解决方法典型地导致所有子束有公共交叉点，这导致相当大的像差。尤其在考虑当前需求时，这是不希望的，并且为补偿这种像差，将进一步使系统复杂化。本发明通过将孔径阵列4的图像所需的减小分割在多个交叉点之上，因而限制每个交叉点的能量，避免子束的公共交叉点且因而避免了该缺点。这具有比成比例地限制系统中的像差量更好的效果。这通过向系统添加阵列操纵器，例如，用于将多个子束引导向单投影透镜系统以便于投射到目标的集群偏转器阵列或聚光透镜阵列来实现。

在下文中将参考各个示例说明在前述段落中介绍的原理性解决方法。该解决方法允许使用与图1的概念中应用的技术相对应的技术，且在允许系统中子束数目不成比例地增加的同时，最小化系统中的像差。在认识到以下事实之后找到在每个投影透镜使用多个子束的该原理性解决方法：使用末端模块7中的偏转器阵列9的偏转行为，会产生被偏转的子束的原点的虚拟点，使得会猜想到有一个虚拟子束。这种认识导致这一想法：这种虚拟子束也可以由真实子束或多个真实子束代替。实际上，尤其在系统的全部子束分布在多个投影透镜系统的情况中，通过单个投影透镜系统的多个真实子束的应用看上去是可能的，而无需干扰像差量。

因为被指引通过每个投影透镜系统的部分或者全部的子束在操作中可在任意点被及时阻断，因此根据本发明的系统也被称为图案化(patterned)子束系统。该图案化子束系统还可以被认为是并排布置的多个微型化成像系统。

图3说明根据本发明的设计的一个实施例，其用于实现系统中的子束数目增加，使晶片的电流增加或使斑点尺寸减小或者使这两者均发生。在该实施例中，集群偏转器阵列6G布置在图1的系统中的子束阻断器阵列6上方，位于聚光器透镜阵列5和子束阻断器阵列6之间，不过集群偏转器阵列6G也可以布置在阵列6下方。集群偏转器阵列6G包含偏转元件阵列，该偏转元件阵列将子束成组地偏转向末端模块(投影模块)7，使子束通过波束停止阵列8中的开孔且通过在每个开孔下形成的相应投影透镜系统。

集群偏转器阵列6G优选地包含一个或更多板，该一个或更多板具有在与孔径阵列4、聚光透镜阵列5和子束阻断器阵列6中的孔径相对应的位置形成的孔径的阵列。如图18和图19更详细示出，在每个孔径的位置形成电极。组偏转器6G的每个元件进行工作，以将一个或多个子束21偏转向末端模块7的阵列投影透镜系统中的特定投影透镜。图3示出三组三个子束，这些子束被偏转器阵列6G偏转，使得三个子束被指引通过末端模块7中的每个投影透镜系统。因而在该实施例中孔径阵列4、聚光透镜阵列5、集群偏转器阵列6G和子束阻断器阵列6中的孔径的数目三倍于末端模块7中形成的投影透镜系统的数目。

尽管图3中示出每个投影透镜系统三个子束，但也可以采用每个投影透镜系统其他数目的子束的情形，且高达100个的多组子束可以被指引通过每个投影透镜系统。在优选实施例中，7×7阵列形式的49个多组子束可以被偏转通过每个投影透镜系统。

尽管图3示出阵列4、5、6G和6的尺寸与末端模块7几乎相同，但它们可以更大，尤其对于每个投影透镜系统具有大量子束的设计，这种设计必须使得阵列4、5、6G和6中的孔径的数目比末端模块7更大。

优选地，定义波束开度角的波束停止阵列8孔径在如果仅限制单个子束的情况下较小。较大的孔径将要求较大的偏转路径，对于由仅对经阻断的子束进行部分阻断导致的“尾巴(tail)”效应更加敏感，且将进一步减小波束停止阵列8上可用于阻断子束的有限空间。

原则上，每组子束可以在波束停止阵列8的相关孔径处或者在相关投影透镜系统的有效透镜平面处被集中(即，被引导到它们相交或交叉的单个点)。实际上，集中将位于这两点(尽管在图中没有清晰示出)之间的某一位置，因为将子束集中在波束停止阵列处将产生透镜误差，而将子束集中在投影透镜的有效透镜平面处将导致剂量误差。

在该设计中，因为每个投影透镜系统有多个子束通过，带电粒子光学狭缝不是由子束的规则阵列组成，而是由子束组的规则阵列组成。注意，子束还可以在通过集群偏转器阵列6G之后由子束阻断器阵列6偏转。在任意时刻，组中的一些波束可以被引导通过波束停止阵列8的相应开孔且投射到目标上，且其他子束被子束阻断器阵列6偏转一个附加量。这种附加偏转导致这些子束错过波束停止阵列8中的开孔，使得它们不能达到目标，且由此如前所述被阻断或“关断”。因而，每组子束曝光由波束阻断器阵列6决定的图案，每一组可以被认为是单个图案化的(patterned)子束。

图11A和图11B是末端模块7中子束路径的示意图，说明子束分组的概念和见解。图11A示出每个投影透镜系统具有单个子束的系统。单个子束21穿过波束停止阵列8中的孔径，被偏转器阵列9偏转，且被投影透镜装置10聚焦。被偏转的子束可以被认为是从与实际子束21不同的原点以倾斜角到达的单独的“虚拟”子束。例如，当子束21向左偏转时，它可以被认为是来自子束21的实际原点的右边的位置的虚拟子束21V，并且类似地当子束21向右偏转时，它可以被认为是来自子束21的实际原点的左边的位置的虚拟子束21V。图11B示出每个投影透镜系统具有三个子束的系统，每个子束源于分离的点且以不同角度穿过投影透镜系统。实际结果与单个偏转子束相同，只不过图11B的系统中的电流大3倍。偏转器阵列9上方的孔径板8可以包含多个如图所示的孔径23，或者具有单个较大孔径，或者是具有特定形状的图案化开孔，以适应多个子束。

图13是一示意图，说明了每个投影透镜系统有多个子束的所述布置的优点。图13A示出幅度(magnitude)为Wd的方形偏转场，该幅度实际上通常约为2μm，典型高斯子束斑点16A的几何斑点直径为10nm。使用这种子束斑点来曝光偏转场，在任意时间仅曝光约百万分之二十的偏转场。

图13B示出使用本发明的设计的偏转场，用图案化的子束16B曝光的偏转场。理论上可以通过图案化的子束同时曝光高达20％的偏转场。实际上，如图13B示意性示出，可以获得高达200倍的改进。在该示例中，示出16×16较小斑点的阵列(为清晰起见，在附图中，阵列的表达看上去不成比例地大)。可以由一个投影透镜同时写出的子束数目与改进的波束强度的乘积，导致例如在投影中通过临界尺寸的测量表示的明显改进的技术节点处维持均匀增加的系统生产能力。

图18A和图18B是用于图3的集群偏转器阵列6G和/或波束阻断器阵列6的偏转器的一个实施例的示意图。形成穿透板的孔径的阵列，该孔径优选地为圆孔。在一个实施例中，板由使用半导体工业中公知的工艺步骤加工的硅或其他半导体材料形成。例如，可以使用半导体工业中公知的光刻和蚀刻技术形成孔径。类似于投影透镜装置10的板，所用的光刻和蚀刻技术优选地被充分精确地控制，以确保孔径的位置、尺寸和形状的均匀性。图18A示出包含波束阻断器阵列6或集群偏转器阵列6G的一个元件的单个偏转器30A。

偏转器3A在Wo×Wo尺寸的预算方形区域中形成。偏转器元件包含布置在通孔33周围的切换电极32和接地电极34，偏转的子束可以穿过该通孔。在此实施例中，所示电极为简单矩形形状，切换电极32是直条元件而接地电极34形成为U形。然而，与通孔33的形状一致的圆形或至少凹入形状是优选的。这种圆形边缘设计允许更紧凑的设计，且有利于偏转器元件以阵列方式布置，且还有利于包括可以在一些实施例中使用的切换电子电路。

切换电极22接收电信号，该电信号产生电磁场，该电磁场足以偏转经过孔径33的子束，使得子束通过波束停止阵列8中的相应孔径，且然后通过相应的投影透镜系统(除了波束阻断器阵列6也偏转子束使得子束错过波束停止阵列8中的孔径且被阻断的情况以外)。

在另一实施例中，两个电极设计为两个相同的镜像电极，且与切换电子电路一起使用，以使得两个电极其中任一个设置为切换电极，而另一个电极作为接地电极工作。这在利用结合起来的组偏转器和波束阻断器阵列的实施例中是尤其有利的，其中在一些情况中，它可以有益于“后向”偏转而不是“进一步前向”偏转。两类偏转器例如可以与为子束阻断而“进一步前向”偏转的组偏转器/波束阻断器阵列中的中央组以及用于阻断的“后向”偏转的外围组混合。

图18B示出偏转器元件30A的阵列的一部分的示意图。针对每个偏转器元件的每个切换电极32形成各自的电学连接。这些布线连接例如可以通过使用常规的光刻或蚀刻技术形成作为集群偏转器阵列的板的表面上的导电结构的电学控制线35制成。在所示示例中，7×7的偏转器组将需要49个电学控制线35。如图所示，控制线优选地向偏转器组的相对一侧延伸。

图19A和19B是图3的集群偏转器阵列6G和/或波束阻断器阵列6的备选实施例的示意图。图19A示出包含波束阻断器阵列6或集群偏转器阵列6G的一个元件的单个偏转器30B。在该实施例中，尺寸Wo×Wo的界限内的可用空间用于形成控制线36A和横切取向的控制线36B。存储单元31优选地在这些控制线的交叉点处形成。存储单元可使用各种已知结构，且可使用半导体工业中公知的技术形成。存储单元连接到切换电极32，使得存储在存储单元中的电信号只要保留在存储单元中就被应用于切换电极。

图19B示出偏转器元件30B的阵列的一部分。控制线作为竖直和水平的传导总线延伸，优选地使用常规光刻和蚀刻技术形成在分组的偏转器6G的板的表面上。在所示示例中，7×7的偏转器组将需要7×7个控制线的栅格，总计为14条控制线。控制线36优选地在朝向偏转器组的相关侧面的横切方向上延伸。可通过使用如在DRAM中使用的位线和字线寻址方法或者其他半导体存储器技术，向相应行和列的总线应用电信号来寻址阵列中的每个存储单元。因而存储在每个存储单元中的信号将控制穿过与存储单元对应的孔径33的子束的偏转。

集群偏转器阵列6G采用具有不均匀偏转行为的各个偏转器元件的分组式布置。当摆动或扫描偏转器阵列9或子束阻断器阵列6时，在单个方向中子束并不被均匀偏转。每一组中的子束被偏转到单个汇聚点，且各组指向不同的汇聚点。

在备选实施例中，集群偏转器阵列6G和波束阻断器阵列6可以结合成单个集成单元。在此实施例中，结合起来的组偏转器/阻断器进行工作，以将每组中的未被阻断的子束偏转到波束停止阵列8的特定开孔，而更强(或者更弱或以交替的方向)地偏转每组中的要被阻断的子束使得它们优选地在子束组的相关开孔附近撞击波束停止阵列8。组偏转器/阻断器可被设置为，使得它在不应用信号时阻断子束，而在应用信号时将子束汇聚向末端模块。然而，这将需要维持结合起来的组偏转器/阻断器的信号线上的某一电势，以维持子束组的连续偏转。因而，优选的是使集群偏转器阵列6G和波束阻断器阵列6构造为分开控制的阵列，但是它们优选地布置为彼此相邻。这允许存在这种布置：在波束阻断器的控制线上应用容易维持的接地电压，以便使得子束通过(即，“常关”波束阻断器阵列)，且组偏转器被维持在特定单个电压，以维持通过投影透镜系统的子束组的偏转。

图4说明图3的实施例的备选方式，其包括集群偏转器阵列6G，还额外包括成形孔径阵列18。成形孔径阵列18优选地包含一个或多个板或基板，该板或基板在其对应于阵列4、5、6G和6的孔径的位置处形成有成形孔径。类似于其他阵列，成形孔径阵列18优选地由硅或其他半导体材料制成，且孔径优选地用光刻和蚀刻技术形成，这些技术优选地被充分精确地控制，以确保孔径的位置、尺寸和形状中的均匀性。成形孔径阵列18中的孔径可以是圆形、方形或其他形状。成形孔径阵列18可以覆盖有金属表面层以防止表面充电，且在一个实施例中，该金属是不形成自然氧化表层的类型，诸如CrMo。

这些孔径进行工作，以通过截断冲击孔径的子束的外围部分来使每个子束成形。所得的成形子束将呈现更加均匀的剂量分布(dose distribution)。成形孔径阵列18允许孔径的成像而不允许波束源1的虚拟图像的成像。使用这种附加，系统变得较不依赖于通过将子束聚焦到波束阻断器阵列6的平面上产生的斑点的位置和数量。这导致系统较不易于受到波束阻断器阵列之前的透镜系统阵列的变化或错误的影响。然而，系统由此变得易于受到子束的剂量的变化的影响。

成形孔径阵列18优选地布置在波束阻断器阵列6附近，或者在阵列6之前或者优选地在阵列6之后，且它可以在没有集群偏转器阵列6G的系统中使用。

图5说明利用与图3和图4的系统相同的原理的另一实施例。在该实施例中，孔径阵列4被制造为产生更大的分波束20A。分波束20A被第一聚光透镜阵列5A缩小，该第一聚光透镜阵列5A将分波束聚焦到公共平面19上，并在平面19处产生每个分波束的交叉点。优选地仅靠在平面19后方的第二聚光透镜阵列5B产生向末端模块7聚焦的聚焦分波束20B。应当注意，如电子光学装置领域的技术人员所知晓，任意一个实施例中的各种聚光透镜阵列可以包含单个聚光透镜阵列或者包括聚光透镜阵列集合。

分波束20B被成形孔径阵列18拦截，在该实施例中，该成形孔径阵列18从每个分波束20B产生多个投影子束21。这些子束21穿过子束阻断器阵列6，被阻断的子束被波束停止阵列8阻挡。每一组中未被阻断的子束通过波束停止阵列8中的相应开孔，随后被投影透镜装置10投射到目标上。

图5中示出的实施例具有这一优点：透镜5A和5B的组合可以是相当弱的透镜(允许聚光透镜阵列5B和末端模块7之间的距离较长)而透镜5A和5B分别可以很强。例如当子束能量在聚光器透镜阵列5B和末端模块7之间减小时，这对于子束阻断器6的强度有利，透镜5A和5B很强。在另一实施例中，孔径的阵列布置在平面19处，以提供又一自由度来控制子束20B的开度角。

图6示出另一实施例，其是图5的系统的变型，其中分波束20A被聚光器透镜阵列5直接聚焦向末端模块7。与图5的实施例相比较，本实施例具有组件较少(省略了额外的聚光透镜阵列5B)、柱长度稍短以及由于不存在分波束20A的交叉点导致的色差较少的优点。然而，该实施例没有图5的实施例那样判断分波束的开度角时的自由度增加的优点。

图7说明系统的更加简化的版本，其包含孔径阵列4，紧随其后是集群偏转器阵列6G和子束阻断器阵列6，或反之亦然。

图8至图10说明具有未图案化的子束的各种备选实施例，即每个投影透镜系统单个子束。图8包含如图1所述的系统，添加有布置在子束阻断器阵列6附近(之前或之后)的成形孔径阵列18。图9包含图5所示的系统，具有分别聚集分波束20A和20B的两个聚光器透镜阵列5A和5B。然而，成形孔径阵列18从每个分波束20B仅形成单个子束21。图10包含图6中示出的系统，具有将分波束20A聚焦到末端模块7的单个聚光透镜阵列5。然而，成形孔径阵列18从每个分波束20A仅形成单个子束21。

图12说明具有用于产生分波束20A的孔径阵列4A和用于产生子束21的孔径阵列4B的另一实施例。聚光透镜阵列5(或聚光透镜阵列的集合)被包括在分波束产生孔径阵列4A之后，用于将分波束20A聚焦向末端模块7的波束停止阵列8中的相应开孔。子束产生孔径阵列4B优选地与子束阻断器阵列6相结合，即，子束阻断器阵列6与阵列4B紧密相邻地布置在一起，而阵列4B位于阵列6之前或位于阵列6周围的其他位置。

如图12A单独示出，聚光透镜或多个透镜5将分波束20A聚焦在或聚焦向末端模块7的波束停止阵列8中的相应开孔。在该示例中，孔径阵列4B从分波束20A产生三个子束，它们在相应开孔处撞击波束停止阵列8，使得三个子束被末端模块7中的投影透镜系统投射到目标。实际上，孔径阵列4B可以为末端模块7中的每个投影透镜系统产生更大数目的子束。在实际的实施例中，典型地约50个子束可以被指引通过单个投影透镜系统，且这可以增加到200个或更多。如图12B所示，子束阻断器阵列6可以在某些时间偏转子束组中的各个子束21以阻断它们。这通过阻断子束22示出，其被偏转到波束停止阵列8上开孔附近但不在开孔的位置。

在图12的实施例的非示意变型中，孔径板4A和4B优选地集成在孔径板4AB中，用于产生子束21的组。聚光透镜阵列5优选地位于集成孔径板4AB后面。这种设计有利地提供用于实现每个投影透镜系统多个子束的简单且经济的方法。

图14和15是设计为减小准直器3的色差问题的系统的示意图。一种解决方法是应用如本专利的申请人的出版的美国专利申请2004/232349所公开的技术，本文中通过引用该专利申请全部内容作为参考。根据该解决方法，透镜阵列包括在系统中，位于源1和准直器3之间，用于将分波束聚焦在准直器3的主平面中。该措施的第一效果是准直器的色差不导致虚拟源的模糊。而是，“顶环(top hat)”开度角被盘绕以偏差角。第二效果是如果分波束以足够的缩小倍率被成像在准直器主平面中，则开度角大，且因而偏差角与开度角相比则小。不可用或至少不合宜的角度可以通过下游的孔径去除。

图14说明一种解决方法，其中通过使用单个聚光透镜阵列5，虚拟源在目标上成像。该聚光透镜阵列5被包括在分裂波束部分内，靠近且位于第一孔径阵列4A后方。这样产生的聚焦分波束被投射到准直器阵列15的主平面，分波束从此处以准直的方式被发散到第二孔径阵列4B，这些分波束具有平行的中央轴线。第二孔径阵列4B构建和/或布置为截去准直分波束的外围部分。这些准直分波束的中央部分，绝大部分具有均匀的电流分布，继续达到第三孔径阵列4C，该第三孔径阵列4C最后产生投射到目标11上的子束21(除了子束被子束阻断器阵列6阻断除外)。集群偏转器阵列6G和子束阻断器阵列6如前所述那样位于最终孔径阵列4C后方，用于将最终孔径阵列产生的子束组引导向末端模块7。

图15说明图14的备选方式，包括使用两个聚光器阵列(5C和5)和两个准直器阵列(15A和15B)但是改进了整体传输性能的更复杂布置。对应于图14相应部分的上部系统部分产生的子束随后被准直器阵列15B准直，使得最终孔径阵列4C产生的多个子束21变得平行，即，子束的中央轴变得平行。最终孔径阵列4C和准直器阵列15B产生的被准直的子束被优选地位于准直器阵列15B后方的聚光透镜阵列5聚焦。子束阻断器阵列6之前或之后的集群偏转器阵列6G位于聚焦和准直子束的聚焦平面内或该平面附近。

在图16和17中说明在前述实施例中使用的阵列的某些附加方面。图16是示出子束阻断器阵列6的可能布局的视图，该布局具有阵列孔径的偏移行或三角形布置。在各个实施例中，聚光透镜阵列和集群偏转器阵列中的孔径也可以遵循相同的布置，这直接对应于或者镜像所谓的系统投影狭缝中末端模块7中的投影透镜系统的布置。

示出子束阻断器阵列6的偏转器区域17，示出与例如图12所示的阻断器阵列之前或之后的相对于聚光透镜阵列5的孔径的位置。因为在本实施例中，聚光透镜此处典型地布置为具有约为80％的极高填充因子(filling factor)，如图12、图12A和图12B中的孔径阵列4A的分波束孔径或者如图17的集成孔径阵列4D的圆形开孔的尺寸，应仅比此处与阻断器阵列6结合投影的聚光透镜直径Dc稍小。在该示例中，聚光透镜开孔具有100μm的直径。该布置中的最大偏转器区域7由56μm×56μm的边S决定，导致大约79μm的直径或围绕测量Ds。对于22nm的技术节点，用于布置系统斑点的虚拟栅格中的像素的合理数目应为49，或者7×7，而斑点尺寸的几何直径应为24nm，且根据此处示意的实施例，在末端模块7的投影透镜系统处的典型的缩小量应为因子100。在系统中利用子束的三角形布置，用于布置例如阻断器偏转器的可用区域的节距典型地是W1×W2的面积，其中在该示例中W1是130μm且W2是150μm。可替换地指示斑点或分子束的每透镜子束的实际数目应为200或更多。实际上该数目是196个子束，布置成14×14的子束的阵列的形式。

图17说明集成孔径阵列4D与子束阻断器阵列6的优选组合。图17的上部示出集成孔径阵列4D的俯视图。集成孔径阵列设计为与图16的子束阻断器阵列6具有相同的尺寸限制，具有尺度为W1×W2的场。每个场包含以7×7的组的形式示意性表示的49个子束孔径的场。图17的下部示出集成孔径阵列4D和子束阻断器阵列6的侧视图。集成孔径阵列4D和子束阻断器阵列6都是根据更进一步的优选方式，利用为每组子束提供单个大孔径的厚板以及为每组中每个单独子束提供多个较小孔径的薄阵列板构建的。这些厚板和薄板可以是两个分离的、连接的板，也可以是首先形成大孔径然后形成小孔径的单个板。大孔径优选地形成环绕较小孔径组的垂直壁Vc，大孔径和较小孔径组优选地如图所示那样布置成同轴的。

用于子束阻断器阵列6的薄阵列板包括切换或阻断器电极。阵列4D的子束呈现孔径稍小于子束阻断器阵列6的孔径。根据本发明的另一实施例，孔径阵列4D和子束阻断器阵列6集成在单个阵列中。这种进一步的集成具有进一步减小系统柱内光学元件的数目的优点，但是也具有更加难以在维持集成孔径阵列的高精确度和高均匀孔径的同时进行制造的缺点。

本发明的附加方面进一步在使用多个子束对目标进行曝光的无掩膜光刻系统中限定，所述系统包含：子束产生器，用于产生多个子束；子束阻断器，用于可控地阻断子束；投影透镜系统的阵列，用于将子束投射到目标的表面，其中子束产生器包含：至少一个用于产生带电粒子束的带电粒子源；分波束产生器，从带电粒子波束产生多个分波束；以及子束产生器，其从每个分波束产生一组独立的子束。无掩膜光刻系统还可以包含用于影响所述分波束的分波束操纵器阵列。分波束操纵器阵列可以是用于截去分波束的第一部分且使得分波束的第二部分继续行进的分波束修截器(truncator)阵列。修截器可以截断分波束的外围部分，而分波束的中央部分继续行进。分波束操纵器阵列可以包含用于准直分波束的准直器的阵列。该系统可以包含分散到准直器阵列的波束和分波束。

系统还可以包含用于准直子束的附加准直器阵列。分波束操纵器阵列可以包含聚光透镜阵列，阵列中的每个聚光透镜影响其中一个分波束。聚光透镜可以操纵分波束，以将分波束汇聚向公共汇聚点。分波束可以在分裂为子束之后朝对应于投影透镜系统之一的点汇聚。分波束操纵器阵列可以被调适为将源于分波束的子束组朝每组的公共汇聚点汇聚，公共汇聚点可选地是对应于投影透镜系统之一的点。从波束产生的分波束的数目可以处于5,000至50,000的范围。从分波束产生的子束的数目可以处于2至10,000的范围。投影透镜系统可以位于目标表面附近，使得投影透镜系统的源侧与子束产生器之间的距离大于源侧和目标表面之间的距离。孔径阵列可用于产生分波束和产生子束。

本发明还包含使用多个子束对目标进行曝光的方法，该方法包含：产生多个子束；可控地阻断子束；将子束投射到目标的表面，其中子束的产生包含：产生带电粒子波束；从带电粒子波束定义多个分波束；以及从分波束定义各个子束组。该方法还包含可选地操纵分波束的步骤。光学操纵可以包括将分波束汇聚到汇聚点。汇聚点可以位于在将分波束分裂成各个子束之后的点，汇聚点可以是从分波束产生的子束组的公共汇聚点，且可选地是对应于投影透镜系统之一的点。该方法还可以包含以分组方式操纵从单个分波束生成的子束的步骤。

本发明还可以包括使用多个子束对目标进行曝光的方法，该方法包含：产生带电粒子波束；从产生的波束定义分离的子束和分波束；将子束组汇聚向用于每一组的汇聚公共点；可控地阻断子束以产生图案化的子束；以及将图案化的子束投射到目标的表面；其中每一个子束组汇聚向与用于将图案化的子束投射到目标表面的投影透镜系统对应的点。

已经参考上面讨论的某些实施例描述了本发明。应当意识到，这些实施例可以具有本领域技术人员公知的各种修改和变型形式而不背离本发明的精神和范围。因此，尽管描述了特定实施例，但这些特定实施例仅是示例且并不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (46)

1.一种使用多个子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统，该系统包含：

至少一个带电粒子源，用于产生带电粒子波束；

孔径阵列，从所述产生的波束定义分离的子束；

子束操纵器，用于将多组子束汇聚向每一组的公共汇聚点；

子束阻断器，用于可控地阻断所述多组子束中的子束；以及

投影透镜系统的阵列，用于将所述多组子束中的未被阻断的子束投射到所述目标的表面，

其中所述子束操纵器用于将所述多组子束中的每一组，朝向与所述投影透镜系统中的一个相对应的点汇聚。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述子束操纵器包含集群偏转器阵列。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述集群偏转器阵列包含分组式布置的偏转器元件，具有不均匀的偏转行为。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其中每组子束中的所述未被阻断的子束被偏转到单个汇聚点，且每组子束被引导向不同的汇聚点。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的系统，其中所述集群偏转器阵列与所述子束阻断器集成，且所述集成的集群偏转器/子束阻断器用于将每组子束中的未被阻断的子束汇聚到公共点，且不将被阻断的子束汇聚到所述公共点。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的系统，其中所述集群偏转器阵列包含其中形成有孔径并具有与每个孔径相关联的电极的板，该电极接收用于偏转通过所述孔径的子束的电信号。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的系统，还包含用于使所述子束成形的成形孔径阵列。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的系统，所述孔径阵列包含用于使所述子束成形的成形孔径阵列，所述孔径阵列用于定义分波束，且所述成形孔径阵列用于从所述分波束产生子束，所述孔径阵列和所述成形孔径阵列集成到单个单元中。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的系统，其中所述子束操纵器包含集群偏转器阵列，且所述集群偏转器阵列和所述成形孔径阵列集成在单个单元中。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述子束操纵器包含聚光透镜阵列和成形孔径阵列。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述聚光透镜阵列用于将每个分波束聚焦到对应于投影透镜系统的点。

12.根据权利要求10或11所述的系统，其中所述成形孔径阵列包含用于从每个聚焦的分波束产生多个子束的孔径，所述多个子束的未被阻断的子束汇聚到对应于投影透镜系统的点。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的系统，其中所述孔径阵列用于定义分波束，且所述成形孔径阵列用于产生子束，所述孔径阵列和所述成形孔径阵列集成到单个单元中。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述子束操纵器包含第一和二聚光透镜阵列以及成形孔径阵列。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一聚光透镜阵列用于将所述分波束聚焦到所述第二聚光透镜阵列之前的公共平面，且所述第二聚光透镜阵列用于将每个分波束聚焦到与所述投影透镜系统中的一个相对应的一个点。

16.根据权利要求14或15所述的系统，其中所述成形孔径阵列包含的孔径用于从所述第二聚光透镜阵列聚焦的每个分波束产生多个子束，所述多个子束的未被阻断的子束汇聚到与所述投影透镜系统中的一个相对应的点。

17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统中产生的子束的数目大于所述投影透镜系统的数目。

18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统包含至少10,000个投影透镜系统。

19.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统中产生的子束的数目至少是所述投影透镜系统的数目的三倍。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述子束的数目是所述投影透镜系统的数目的10至200倍。

21.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述子束阻断器设置成用于单独阻断一组子束的子束。

22.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中单个投影透镜系统用于将一组子束的所有未被阻断的波束投射到所述目标上。

23.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述子束阻断器包含阻断偏转器阵列和波束停止阵列，该波束停止阵列用于阻挡被所述子束阻断器偏转的子束。

24.根据权利要求1-23中任一项所述的系统，其中所述子束阻断器包含阻断偏转器阵列和波束停止阵列，该波束停止阵列用于阻挡没有被所述子束阻断器偏转的子束。

25.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中用于定义所述子束的阵列的孔径小于所述波束阻断器中的孔径。

26.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中孔径阵列和阻断器的偏转器阵列中的任意一个或者两者设置有从所述阵列的平面向上延伸的壁。

27.一种使用多个子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统，该系统包含：

至少一个带电粒子源，用于产生带电粒子波束；

第一孔径阵列，用于从所述产生的波束生成分波束；

聚光透镜阵列，用于聚焦所述分波束；

第二孔径阵列，用于从每个聚焦的分波束生成多个子束；

子束阻断器，用于可控地阻断子束；以及

投影透镜系统的阵列，用于将子束投射到所述目标的表面，

其中所述聚光透镜阵列用于将每个分波束聚焦到与所述投影透镜系统中的一个相对应的点。

28.一种使用多个子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统，该系统包含：

至少一个带电粒子源，用于产生带电粒子波束；

第一孔径阵列，用于从所述产生的波束生成分波束；

第二孔径阵列，用于从每个聚焦的分波束生成多个子束；

聚光透镜阵列，用于聚焦所述子束；

子束阻断器，用于可控地阻断子束；以及

投影透镜系统的阵列，用于将子束投射到所述目标的表面，

其中所述聚光透镜阵列用于将从每个分波束形成的所述子束聚焦到与所述投影透镜系统中的一个相对应的点。

29.根据权利要求28所述的系统，其中所述第一和第二孔径阵列集成到单个单元中。

30.根据权利要求29所述的系统，其中所述第一孔径阵列包含较大的孔径，且所述第二孔径阵列包含一组较小的孔径，与所述第一孔径阵列中的每个大孔径相对应，所述大孔径的壁从所述第二孔径阵列的平面向上延伸。

31.根据权利要求30所述的系统，其中所述大孔径的壁包围容纳所述第二孔径阵列的所述组小孔径的区域。

32.根据权利要求30或31所述的系统，其中所述大孔径的壁向上延伸到与所述第二孔径阵列的厚度相比相当大的程度。

33.根据权利要求27至32中任一项所述的系统，其中所述第二孔径阵列与所述子束阻断器相结合。

34.一种使用多个子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统，该系统包含：

一个或多个板，其中形成有用于形成子束的孔的阵列；

投影透镜装置，包含一个或多个板以及一个或多个投影透镜阵列，每个板具有形成在其中的孔径阵列，带有形成在所述孔径的位置处的投影透镜，所述一个或多个投影透镜阵列形成投影透镜系统阵列，每个投影透镜系统包含形成在所述一个或多个投影透镜阵列的相应点处的一个或多个投影透镜，

其中所述投影透镜系统的数目小于子束的数目，使得每个投影透镜系统将多个子束投射向所述目标。

35.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中在从源到目标的方向上所述子束阻断器布置在所述子束操纵器之后。

36.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述子束阻断器和所述子束操纵器被设置成彼此靠近，从而实现未被阻断的子束的即时汇聚。

37.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述子束阻断器和所述子束操纵器集成到单个单元中。

38.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所有子束产生于单一源。

39.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中每组子束的汇聚点位于包含波束停止器的透镜系统内。

40.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中每组子束的汇聚点位于投影系统的有效透镜区域内。

41.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中每组子束的汇聚点位于投影系统的有效平面透镜处。

42.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中每组子束的虚拟汇聚点位于投影系统的有效平面透镜处。

43.根据权利要求41或42所述的系统，其中所述子束通过透镜系统投射到所述目标，该透镜系统用于将所述子束投射到其聚焦平面。

44.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中用于影响各组子束的子束的电子光学元件具体实现为对于所述系统的所有子束和所有组子束公共的静电组件。

45.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中多组子束产生于单一源。

46.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统包含多个使用公共静电电子光学组件的源。

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