CN102105960B - 成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带电粒子多子束系统，用于使用多个子束对目标(11)进行曝光。该系统包括用于生成带电粒子波束(20)的带电粒子源(1)、用于定义来自所生成波束的多组子束(23)的子束孔径阵列(4D)、包括了用于可控地阻断子束(23)的阻断器的阵列的子束阻断器阵列(6)、用于阻断由阻断器偏转的子束(23)的波束终止阵列(8)，该波束终止阵列(8)包括孔径阵列，每个波束终止孔径对应于一个或多个阻断器，以及用于将子束投影到目标表面上的投影透镜系统的阵列(10)。该系统使源(1)成像到波束终止阵列(8)的平面上、投影透镜系统的有效透镜平面处的平面上、或在波束终止阵列(8)和投影透镜系统(10)的有效透镜平面之间的平面上，并且该系统将子束孔径阵列(4D)成像到目标(11)上。

Description

成像系统

技术领域

本发明涉及成像系统，并且尤其涉及带电粒子多子束光刻(lighography)系统或检验系统。

背景技术

目前，大多数商用光刻系统使用了掩模(mask)作为器件用于存储和复制对例如具有抗蚀涂层的晶片的目标进行曝光的图案数据。在无掩模的光刻系统中，带电粒子的子束被用于将图案数据写到目标上。该子束被单独地控制，例如通过单独地将它们开启或关闭，以生成所需要的图案。对于被设计成以商业可接受的生产能力操作的高分辨率的光刻系统，这样的系统的尺寸、复杂度和成本成为了障碍。

例如第5,905,267号的美国专利中示出了一种被用于带电粒子多子束系统的设计。其中电子波束通过孔径阵列被扩展、准直和分裂成为多个子束。所获得的图像于是通过缩小电子光学系统被缩小并被投影到晶片上。缩小电子光学系统将所有子束一起聚焦并缩小，使得整组子束被成像，并在尺寸上被缩小。在这种设计中，所有子束在公共的交叉处穿过，由于在子束中带电粒子之间的相互作用引起了失真和分辨率的降低。

没有这样的共同交叉的设计也已经被提出，其中子束被单独地聚焦并缩小。然而，当这样的系统被构造成具有大量子束时，为了单独地控制各子束而提供多透镜变得不现实。大量被单独地控制的透镜的构造为系统增加了复杂性，并且在透镜之间的节距(pitch)必须足够大以便能为各透镜的必要组件留下空间，并允许单独控制的信号访问各透镜。这样的系统的光学柱体的较大高度导致了若干缺陷，例如被保持真空的容积增加了，并且子束的长路径使例如由子束偏移引起的对准误差影响增加了。

而且，现有的带电粒子束技术适合于光刻系统图像成形的相关过程，例如获得90nm或更高的临界尺寸。然而，对于改善的性能存在着日益增长的需求。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

本发明提供了能够达到例如22nm的更小临界尺寸的多子束带电粒子光刻系统，同时保持了例如在每小时10至60个晶片的晶片生产能力。本发明意识到，通过显著减小斑点尺寸(spot size)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。

本发明通过提供具有每个投影透镜多子束的成像系统来解决这样的问题。在本发明的一方面提供了具有在成像系统中元件数量减少的系统，从而产生复杂度较低且成本较低的系统。在其它方面，本发明提供了具有较短的投影柱体、减少了带电粒子偏移的效果并减小了系统外壳的尺寸的系统。

在本发明的一方面，提供了使用多个的子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统。该系统包括用于生成带电粒子束的带电粒子源、用于定义来自所生成波束的多组子束的子束孔径阵列、包括用于可控地阻断子束的阻断器的阵列的子束阻断器阵列、用于阻挡由阻断器偏转的子束的波束终止阵列，该波束终止阵列包括孔径阵列，每个波束终止孔径对应于一个或多个阻断器，以及用于将子束投影到目标表面上的投影透镜系统的阵列，其中，该系统将源成像在波束终止阵列处的平面上、在投影透镜系统的有效透镜平面处的平面上、或者在波束终止阵列和投影透镜系统的有效透镜平面之间的平面上，并且该系统将子束孔径阵列成像在目标上。

源可使用聚光透镜阵列被成像在波束终止阵列处的平面上、投影透镜系统的有效透镜平面处的平面上、或者波束终止阵列和投影透镜系统的有效透镜平面之间的平面上，并且该聚光透镜阵列优选地位于子束孔径阵列的上游，因此使柱体长度减少。在另一方面，子束阻断器阵列平面被成像在目标上而不是如现有系统那样成像在波束终止阵列的平面上。该系统可还包括次波束(sub-beam)孔径阵列，用于定义来自所生成波束的次波束，其中子束孔径阵列定义了来自次波束的多组子束。该次波束通过聚光透镜阵列被优选地聚焦在波束终止阵列的平面上、投影透镜系统的有效透镜平面处的平面上、波束终止阵列与投影透镜系统的有效透镜平面之间的平面上，并且该聚光透镜阵列优选地位于次波束孔径阵列和子束孔径阵列之间。

在另一个方面，本系统还提供了使用多个子束对目标进行曝光的带电粒子多子束系统。该系统包括用于生成带电粒子束的带电粒子源、用于定义来自所生成波束的多组子束的第一孔径阵列、第二孔径阵列、包括用于可控地阻断子束的阻断器的阵列的子束阻断器阵列、用于阻断由阻断器偏转的子束的波束终止阵列，该波束终止阵列包括孔径阵列，每个波束终止孔径对应于一个或多个阻断器，以及用于将子束投影到目标表面上的投影透镜系统的阵列，其中系统将源成像在子束阻断器阵列的平面上，并且该系统将子束阻断器阵列成像到目标上。源可通过第一聚光透镜阵列经由在子束阻断器阵列处的平面被成像到目标上。这种设计的另一个方面是，第一孔径阵列被成像在波束终止阵列的平面上。

该系统可还包括第二聚光透镜阵列，其用于将多组子束汇聚到波束终止阵列处的平面上、投影透镜系统的有效透镜平面处的平面上、或者波束终止阵列和所述投影透镜系统的有效透镜平面之间的平面上。每个聚光透镜阵列的透镜优选地将一组子束聚焦到波束终止阵列中的相应孔径上。备选地该系统可包括用于将多组子束向每个组的公共汇聚点汇聚的子束操控器，来代替第二聚光透镜阵列。每组子束的公共汇聚点优选地在波束终止阵列上的相应的孔径处，并且子束操控器可包括子束组偏转器。

在又另一个方面，本发明提供的系统包括至少一个用于生成带电粒子束的带电粒子源、用于从所生成的子束生成次波束的第一孔径阵列、用于聚焦次波束的聚光透镜阵列、用于从每个聚焦的次波束产生一组子束的第二孔径阵列、用于可控地阻断多组子束中的子束的子束阻断器，以及用于将子束投影到目标表面上的投影透镜系统的阵列，此处聚光透镜阵列被用来使每个次波束聚焦在对应于投影透镜系统中的一个的点处。

附图说明

本发明的不同的方面将通过参考附图中示出的实施例被进一步地解释，其中：

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是图2的投影透镜的透镜阵列的基板的透视图；

图4是包括被分组的子束的带电粒子多子束光刻系统实施例的简化示意图；以及

图5是包括从次波束形成子束的带电粒子多子束光刻系统实施例的简化示意图。

具体实施方式

以下是对本发明的各种实施例的描述，仅通过例子并参考附图给出。

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中示出的实施例中，光刻系统包括用于产生均匀的、扩展的电子束20的电子源1。注意该电子的出现将发源于源上方的点，即，在源1上方的虚拟源，此处将有电子的虚拟交叉，正如在第6,897,458号美国专利所描述的那样。波束能量优选地被相对低地保持在约1至10keV的范围内。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的电子束20经过准直透镜3产生准直的电子束21，该准直的电子束21撞击孔径阵列4，孔径阵列4阻挡部分波束并容许多个子束22通过该孔径阵列。孔径阵列4优选地包括具有通孔的板(plate)。因此产生了多个平行电子子束22。该系统生成大量的子束22，优选地约10,000至1,000,000个子束，尽管当然也可能使用更多的或更少的子束。注意其它公知的方法也可被用来生成准直的波束21，并且其它公知方法也可被用来生成子束22。

多个电子子束22经过将电子子束22聚焦在子束阻断器阵列(beamletblanker array)6的平面上的聚光透镜阵列5。通过这种方法，源1被成像到子束阻断器阵列6上。聚光透镜阵列5优选地被构造成类似以下描述的投影透镜系统的阵列，并优选地包括具有在其上形成孔径的板或基板。尽管在图1中示出了三个基板，但是更少的或更多的基板也可被使用，优选地使用尽量少的基板来减少系统的复杂度和成本。孔径被优选地形成为经过基板的圆孔，尽管其它形状也可被使用。在一个实施例中，该基板由硅或其它公知的使用在半导体芯片工业中处理步骤处理的半导体形成。孔径可使用例如在半导体制造工业中公知的光刻和蚀刻技术在基板上方便地形成。所使用的光刻和蚀刻技术被优选地控制为足够精确以保证在孔径的位置、尺寸和形状上一致。该基板优选地被涂在导电涂层上以形成电极。该导电涂层优选地在各基板上形成单电极，以覆盖孔径周围和孔内部的板的两个表面。例如钼的具有天然导电氧化物的金属优选地被用于该电极，该金属使用例如在半导体制造工业内公知的技术被沉积(deposite)到基板上。各电极被施加了电压以在各孔径位置处生成静电透镜，透镜的强度取决于所使用的电压。各电极通过用于整个阵列的单控制电压被控制。因此，在示出的具有三个电极的实施例中，对于全部上千个聚光阵列的透镜将只有三个电压。

应该注意到聚光透镜阵列(在任意的实施例中)可包括单个聚光透镜阵列或一组聚光透镜阵列，正如光电本领域技术人员公知的。

这种子束阻断器阵列6优选地包括各自能够将一个或多个子束22进行偏转的多个的阻断器。该子束阻断器阵列6在下面被详细地描述，并且子束阻断器阵列的细节和用于控制子束阻断器阵列的数据路径也在第6,958,804号和第7,019,908号美国专利，和第2007/0064213号美国专利申请中被公开，并且在第61/045,243号共同未决的美国专利申请系列中被提供。

随后，子束22进入末端模块7。该末端模块7被优选地构造成包括各种组件的可插入、可替换单元。在这种实施例中，该末端模块包括波束终止阵列8、波束偏转器阵列9和投影透镜装置10，但是并非所有这些组件都需要被包括在末端模块中，并且这些组件可按着不同方式布置。除了其它功能，末端模块7将提供约25至500倍、优选50至200倍的缩小。在生成组成图案的子束的系统中需要在25至100倍的范围内的稍微更小的缩小，如在以下对于图4和5中的系统进行的描述。如下所述，该末端模块7优选地偏转子束。离开末端模块7之后，该子束22撞击位于目标平面处的目标11的表面。对于光刻应用，该目标通常包括具有带电粒子感光层或抗蚀层的晶片。

在末端模块7中，非偏转电子子束22首先通过波束终止阵列8。这种波束终止阵列8很大程度上确定了子束的开度角(opening angle)。在这种实施例中，波束终止阵列包括用于容许子束通过的孔径阵列。该波束终止阵列，在其基本形式中，包括设置了通孔的基板，这些通孔典型地为圆孔，但是其它形状也可被使用。在一个实施例中，波束终止阵列8的基板是由具有规则空间阵列的通孔的硅晶片形成，并且可被涂上金属表面层以防止表面带电。在一个实施例中，金属是不会形成自然氧化表层的类型，例如CrMo。

在波束终止阵列8上的各开口或孔径对应子束阻断器阵列6的一个或多个元件。在一个实施例中，在波束终止阵列8上的开口与子束阻断器阵列6的元件对准。该子束阻断器阵列6和波束终止阵列8一起操作以阻挡或允许子束22通过。如果子束阻断器阵列6使子束偏转，则子束不能通过波束终止阵列8上相应的孔径，而是子束将被波束终止阵列8的基板阻挡。但是如果子束阻断器阵列6未使子束偏转，则子束将通过波束终止阵列8上相应的孔径，然后被投影在目标11的表面上成为斑点。通过这种方法，单独的子束可被有效地接通或切断。

接下来，子束通过波束偏转器阵列9，波束偏转器阵列9提供了在X和/或Y方向上的各子束21的偏转，X和/或Y方向基本垂直于未偏转子束22的方向。此处晶片被支撑在提供X方向上的机械移动的平台上，在X方向上的偏转可以很小并被用于对平台上进行定位中的误差校正，而在Y方向上的偏转较大，优选地在2μm范围内。对于在各方向上的偏转可提供分开的偏转器，并且Y方向上的偏转可使用多于一个的偏转器阵列。然后，子束22通过投影透镜装置10，并且被投影到典型地为晶片的目标平面的目标11上。

为了在目标上的投影斑点内和投影斑点之间的电流和电荷的一致性和均匀性，并且由于波束终止板8在很大程度上确定子束的开度角，在波束终止阵列8上的孔径直径优选地小于当子束到达波束终止阵列8时子束的直径。在一个实施例中，波束终止阵列8上的孔径具有在5μm至20μm范围内的直径，同时所述实施例中撞击波束终止阵列8的子束22的直径一般在15μm至75μm的范围内。

在本例中的波束终止板8上的孔径直径将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被容许通过波束终止板8，以投影到目标11上。这种子束的中心部分具有相对均匀的电荷密度。这样被波束终止阵列8对子束的以环状截面的切断也在很大程度上确定了系统的末端模块7中的子束开度角，以及在目标11处的电流量。在一个实施例中，波束终止阵列8中的孔径为圆形，导致子束具有基本一致的开度角。

图2详细地示出了末端模块7的实施例，示出了波束终止阵列8、偏转阵列9和投影透镜装置10，该投影透镜装置10将电子子束投影到目标11上。子束22被投影到目标11上，优选地导致了直径为约10纳米至30纳米、并更优选地约20纳米的几何斑点的尺寸。投影透镜装置10在这样的设计中优选地提供了约100至500倍的缩小。在本实施例中，如图2所示，子束21的中心部分首先经过波束终止阵列8(假设还未被子束阻断器阵列6偏转)。然后，该子束经过按顺序布置从而形成偏转器系统的偏转器或偏转器组，如波束偏转器阵列9所示。该子束21随后经过投影透镜装置10的电子光学系统并最终撞击到目标平面上的目标11。

投影透镜装置10，在图2所示的实施例中，具有按顺序布置的三个板12、13和14，被用于形成静电透镜阵列。板12、13和14优选地包括其中形成有孔径的板或基板。这些孔径优选地形成为通过基板的圆孔，但是其它形状也可被采用。在一个实施例中，基板由硅或其它使用半导体芯片工业中公知的处理步骤处理的半导体形成。该孔径可使用例如在半导体制造工业中公知的光刻和蚀刻技术在基板中方便地形成。所使用的光刻和蚀刻技术优选地被控制成足够精确以保证孔径在位置、尺寸和形状上的一致性。这种一致性允许消除单独地控制各子束的聚焦和路径的要求。

基板优选地被涂上导电涂层以形成电极。该导电涂层优选地在各基板上形成单电极，覆盖孔径周围和孔内部的板两个表面。例如钼的具有天然导电氧化物的金属优选地被用于该电极，该金属使用例如在半导体制造工业内公知的技术被沉积到板上。各电极被施加了电压以在各孔径位置处生成静电透镜，透镜强度取决于所使用的电压。各电极通过对于整个阵列的单控制电压被控制。因此，在示出的具有三个电极的实施例中，对于全部上千个透镜将只有三个电压。

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。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。

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。

用于生成静电投影透镜的高电场可导致板12、13、14突起变形或弧形弯曲。因为紧密度宽容度(tight tolerance)的存在，需要对投影透镜进行定位，即使很少量的板突起变形也可能是有损害的。穿过板表面并被附着到板表面的支柱可被用于使板变坚固以减少这种问题。这些支柱优选地由绝缘材料制成，以进一步电隔离板，并进一步防止带电粒子的闪路(flash-over)或短路。

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。

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。

发明人认识到焦距应具有有限的量级，以使得任意偏转器或偏转系统应被定位在投影透镜以前，尽管随着这样的布置明显出现了轴外像差(off-axisaberrations)。

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)的如图4图5所示的系统中，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较大，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。末端模块和投影透镜装置布置的额外细节在第61/031,573和61/045,243号共同未决的美国专利申请中被提供。

图3是板12、13或14的其中之一的透视图，该板优选地包括基板，优选地由例如硅的材料制成，配备了孔18。这些孔可布置成三角形(如图所示)或方形或其他适宜的形状，相邻孔的中心之间的相互距离P(节距)为孔18的直径d7的一倍半。依据一个实施例的板的基板可约为20-30mm²，优选地设置成在它们的整个面积中都保持恒定的相互距离。在一个实施例中，基板约为26mm²。

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(overhead time)(例如将新的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。

为通过使用电子波束光刻在光刻胶(resist)中获得特定的特征尺寸(临界尺度或CD)，需要特定的分辨率。该分辨率由三个方面的影响确定：波束大小、阻剂中的电子散射以及与酸性扩散相结合的二次电子平均自由路径。这三方面的影响以平方关系叠加起来，确定总的斑点大小。在这三方面的影响中，波束大小和散射取决于加速电压。为了解决光刻胶中的特征，总斑点大小应该与预期的特征大小(CD)在同样的数量级上。不仅CD，还有CD的均匀性对于实际应用都很重要，对后者的要求将决定实际需要的斑点大小。

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/cm²到该值的两倍。

斑点尺寸优选地与期望临界尺寸(CD)具有相同的数量级。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。被采用的方案是加入一组偏转器阵列或聚光透镜阵列，用于将一组子束指引向用于投影到目标上的每个单投影透镜系统。这种系统中最小的像差同时容许了系统中子束数量的不成比例的增加。

由于指引向各投影透镜系统的多个子束的部分或全部可在操作过程中的任意时间点处被阻断，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4说明了依据本发明的设计的一个实施例，为使系统中的子束数量能够增长，允许晶片上的电流增长或斑点尺寸减小或这两种现象同时发生。除了子束被布置成组使得多子束可通过单投影透镜系统被聚焦以外，在图4中示出的实施例通常被构造成如图1所描述的系统。在该实施例中，孔径阵列4A从被准直的波束21产生子束22。该子束22通过第二孔径阵列4B的平面上的聚光透镜阵列5A被聚焦，结果源1被成像到子束阻断器阵列6上(并且当孔径阵列4B和子束阻断器阵列集成时也成像在孔径阵列4B上)。该源1在准直透镜3的焦点平面上，准直透镜3产生了在被准直的波束21中的平行波束，并且由被准直的波束21产生的子束22然后被聚焦在孔径阵列4B的平面上。

子束22被布置成组，并且第二聚光透镜阵列5B将各组子束大致聚焦到波束终止阵列8的平面上，并且接近波束终止阵列8上相应的孔径。因此子束被聚焦在目标11的前面。原则上各组子束可被汇聚(即被指向它们相交或交叉的单个的点)在波束终止阵列8的相关孔径或在相关投影透镜系统的有效透镜平面处。实际上优选的是将子束汇聚到这两个点之间的某处。将子束汇聚在波束终止阵列处可能增加透镜的误差，同时将子束汇聚在投影透镜的有效透镜平面处可引起剂量的误差。备选地，一组偏转器阵列5B可被提供，代替第二聚光透镜阵列，向各子束提供偏转器。偏转器组偏转子束使得各组子束向波束终止阵列8的平面上的交叉点、或者相关投影透镜系统的有效透镜平面、或者这两点之间大致地汇聚。

子束阻断器阵列6被定位在孔径阵列4B之后。注意子束阻断器阵列6可备选地被定位在孔径阵列4B之前，或者子束阻断器阵列6可与第二孔径阵列4B集成在一个组件中，起到第二孔径阵列和子束阻断器阵列两种作用。子束阻断器阵列6如在图1中的系统中那样操作使子束偏转，使得被偏转的子束被子束终止阵列8阻挡。

未被阻断(即未被子束阻断器阵列6偏转)的子束将落到波束终止阵列8的相应的孔径上，并且未阻断的子束的中心部分将经过孔径并将通过偏转阵列9被偏转，并且通过投影透镜装置10被聚焦到目标11上。这导致了子束阻断器阵列6(以及孔径阵列4B，当其与子束阻断器阵列被集成在一起时)被成像到目标11上。这在系统中具有稳定性更强的好处，因为在透镜、孔径和孔径阵列4B的上游系统其它元件的尺寸和定位上的误差将被减少，或者不撞击孔径阵列4B的下游系统。

图4示出了三组通过聚光阵列5B偏转的三个子束，使得三个子束被指引经过末端模块7中的各投影透镜系统。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4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个或更多子束的组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个子束的多组子束可以被偏转通过每个投影透镜系统。尽管图4示出了阵列4A、5A、5B、4B和6具有与波束终止阵列8和末端模块7的其它组件大概相同的尺寸，但是它们也可能更大，尤其对于每个投影透镜系统具有大量子束的设计，这种设计使得相比末端模块7，在阵列4A和5A中需要大量的孔径。

优选地，定义波束开度角的波束终止阵列8的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终止阵列8上可用于阻断子束的有限空间。

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终止阵列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终止阵列8中的相应开孔，使得它们不能达到目标，且由此如前所述被阻断或“关断”。通过这种方法，子束被调整，并且每个子束组曝光由波束阻断阵列6确定的图案，并且每个组可被考虑成单个的图案化子束。

当图4的系统提供了每投影透镜系统多子束时，也导致了需要两组聚光透镜阵列5A和5B的更复杂的系统，并且在实施例中示出的总共6个组件中，每个聚光透镜阵列包括三个基板。这种结构还导致了更大的透镜柱体长度(从源到目标的更长距离)，这是不希望的。该系统典型地在真空腔中操作，并且更长的柱体需要更大且更昂贵的腔。更长的柱体还增加了子束的路径长度，增加了子束偏移的影响。图5说明了减少系统复杂性和柱体长度的系统的备选布置。

图5的系统包括孔径阵列4C以产生更大的次波束(sub-beam)25。该次波束经过聚光透镜阵列5C，聚光透镜阵列5C将次波束大概地聚焦到波束终止阵列8的平面上和在波束终止阵列8中相应的开口处。基本上每个次波束可被聚焦到波束终止阵列8的平面上或相应的投影透镜系统的有效透镜平面处，或者在这两个平面之间的某处。这导致了源1被成像到该平面上(即子束终止阵列8或投影透镜系统的有效透镜平面或它们之间的平面)。

次波束25撞击在孔径阵列4D，该阵列包括每个次波束路径中的许多孔径，因此由每个次波束25产生了一组子束23。由次波束形成的多组子束也被聚焦在波束终止阵列8处的平面中或投影透镜系统的有效透镜平面中或它们之间的平面中，并且每组子束被指引向波束终止阵列8上的相应的开口。

备选地，可在孔径阵列4D之后提供一组偏转器阵列，代替聚光透镜阵列5C，为各子束23提供偏转器。该组偏转器阵列使子束偏转，使得每组子束大概汇聚到波束终止阵列8的平面处的交叉点上，或者相关投影透镜系统的有效透镜平面上或这两个点之间。

这些子束23于是经过如前面描述的那样操作的子束阻断器阵列6。未被阻断(即未被子束阻断器阵列6偏转)的子束将落到波束终止阵列8中相应的孔径上，并且未被阻断的子束中心部分将经过孔径并将被偏转阵列9偏转，并通过投影透镜阵列10被聚焦在目标11上。这导致孔径阵列4D被成像在目标11上。这在系统中具有稳定性更强的好处，因为在透镜、孔径和孔径阵列4D的上游系统其它元件的尺寸和定位上的误差将被减少，或者不撞击孔径阵列4D的下游系统。

在图5示出的例子中，孔径阵列4D由每个次波束25产生了三个子束23的组。如果未被波束阻断器阵列6阻断，则该组子束在相应开口处冲击波束终止阵列8，使得三个子束通过投影透镜系统10被投影到目标上。实际上，对于每个投影透镜系统10可产生更大数目的子束。在实际的实施例中，50个子束这样多的子束可被指引经过单个投影透镜系统，并且还可被增加到200个或更多。

如图5所示，子束阻断器阵列6可偏转一组子束中单独的子束23特定次数，以便将它们阻断。这在图5中通过左边的次波束25被说明，其中中间的子束23已经被偏转向波束终止阵列8上靠近但不在开口上的位置，使得该子束被阻断。在中间的次波束25中，右手的子束23已经被偏转并被阻断，并且在右手的次波束25中没有子束被偏转并被阻断。

图5的实施例中实现的优点是每个投影透镜具有多个子束的系统，同时还减少了需要生成和聚焦子束的组件数量。对比图4的系统，图5的系统只需要一个聚光透镜阵列(或备选地需要一组偏转器阵列)并且在所示出的实施例中将聚光透镜组件的数量从六个减少到三个。更少的组件允许投影柱体长度的减少，减少了系统的尺寸和成本以及安放系统的真空腔，并且减少了子束偏移的影响。

当与图4的系统比较时的缺点是在目标上的较低的总电流。图4直接地生成了来自被准直的波束21的子束，并且包括将子束聚焦到孔径阵列4B上的附加的聚光透镜阵列5A。图5中的系统使用孔径阵列4B从次波束生成了子束，并省略了聚光透镜阵列5A，导致了被准直的波束21到目标的更低的透射(transmission)。但是，在具有大量子束的系统中，这种缺点被减少了。在优选的实施例中，图5的系统生成了大约13,000个次波束和大约一百万个子束。

本发明已经通过参考以上讨论的特定实施例被描述。应该承认这些实施例对于本领域的技术人员易于具有各种变化和备选形式，而不背离本发明的精神和范围。因此，即使特定实施例已经被描述，但是这些只作为例子而并不对本发明的范围构成限制，本发明的范围在随附的权利要求书中被限定。

Claims (9)

1.一种带电粒子多子束系统，其用于使用多个子束对目标（11）进行曝光，该系统包括：

带电粒子源（1），用于生成带电粒子波束（20）；

次波束孔径阵列（4C），其用于从所生成的波束定义次波束（25）；

子束孔径阵列（4D），其用于从所述次波束定义子束或多组子束（23）；

子束阻断器阵列（6），其包括用于可控地阻断子束的阻断器的阵列；

波束终止阵列（8），其用于阻断由所述阻断器偏转的子束，该波束终止阵列包括孔径阵列，每个波束终止孔径对应一个或多个阻断器；以及

投影透镜系统的阵列（10），其用于将子束投影到所述目标的表面上，

其中所述系统将所述子束孔径阵列成像在所述目标上，并且

其中，所述系统用于将源成像到所述波束终止阵列处的平面上、所述投影透镜系统的有效透镜平面处的平面上、或者所述波束终止阵列和投影透镜系统的有效透镜平面之间的平面上。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统包括聚光透镜阵列，所述聚光透镜阵列位于所述子束孔径阵列的上游。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述聚光透镜阵列，用于将所述次波束聚焦到所述波束终止阵列处的平面上、所述投影透镜系统的有效透镜平面处的平面上、或者所述波束终止阵列和所述投影透镜系统的有效透镜平面之间的平面上。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述系统包括聚光透镜阵列，所述聚光透镜阵列位于所述次波束孔径阵列和所述子束孔径阵列之间。

5.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中每组子束被指引向波束终止阵列上的相应的开口。

6.如前述权利要求1-4中的任一项所述的系统，其中所述子束孔径阵列和所述子束阻断器阵列被集成在一起。

7.如前述权利要求1-4中的任一项所述的系统，其中所述波束终止阵列的孔径限定所述子束的开度角。

8.一种带电粒子多子束系统，其用于使用多个子束对目标进行曝光，该系统包括：

带电粒子源，用于生成带电粒子波束；

第一孔径阵列，用于从所生成的波束产生次波束；

聚光透镜阵列，用于聚焦次波束；

第二孔径阵列，用于从每个被聚焦的次波束产生一组子束；

子束阻断器，用于可控地阻断在多组子束中的子束；

波束终止阵列（8），其用于阻断由所述阻断器偏转的子束；以及

投影透镜系统的阵列，用于将子束投影到所述目标的表面上，

其中所述聚光透镜阵列被用于将每个次波束聚焦到相应投影透镜系统的有效透镜平面处的平面上。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述第二孔径阵列与所述子束阻断器阵列集成在一起。

Images