CN112074926B - 空间电荷不敏感的电子枪设计 - Google Patents

Abstract

本发明揭示具有特定内部宽度尺寸、扫掠电极或特定内部宽度尺寸与扫掠电极的组合的电子枪系统。所述内部宽度尺寸可小于在束限制孔径下游的通道中的次级电子的拉莫尔半径的值的两倍，且所述次级电子的拉莫尔时间可大于1ns。所述扫掠电极可在漂移区中产生电场，所述电场可增大所述通道中的次级电子的动能。

Description

空间电荷不敏感的电子枪设计

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2018年5月29日提出申请且经指定为美国申请案第62/677,616号的临时专利申请案的优先权，上述申请案的揭示内容特此以引用的方式并入。

技术领域

本发明涉及电子枪系统。

背景技术

半导体制造业的演进对合格率管理且确切来说对计量及检验系统提出越来越较高的要求。临界尺寸不断缩小，但业界需要缩短时间以达成高合格率、高价值生产。将从侦测到合格率问题到解决所述问题的总时间最小化决定了半导体制造商的投资回报率。

制作半导体装置(例如，逻辑及存储器装置)通常包含使用大数目的制作工艺来处理半导体晶片以形成半导体装置的各种特征及多个层级。举例来说，光刻是涉及将图案从倍缩光罩转印到布置在半导体晶片上的光致抗蚀剂的半导体制作工艺。半导体制作工艺的额外实例包含但不限于化学机械抛光(CMP)、蚀刻、沉积及离子植入。可在单个半导体晶片上按照一定布置制作多个半导体装置且接着将所述多个半导体装置分离为个别半导体装置。

高电压电子枪在各种领域中是已知的。举例来说，电子枪可在电子束光刻(例如，用于半导体掩模的制作)中用作电子源。电子枪还可用于扫描电子显微镜、集成电路的电子束测试及在半导体行业中使用的线宽度计量测量装备。这些电子枪也应用在半导体行业之外，例如用在扫描电子显微镜中。

举例来说，图1展示电子枪的束漂移区的尺寸标注。电子枪系统100包含引导初级电子束102的电子源101。板103界定束限制孔径111。初级电子束102投射穿过束限制孔径111。紧挨板103的通道105具有内部宽度尺寸106。次级电子104会干扰来自初级电子束102的电子。

因此，需要改进电子枪设计。

发明内容

在第一实施例中，提供一种电子枪系统。所述电子枪系统包括：电子源，其引导初级电子束；板，其界定束限制孔径；磁场源，其产生磁场；电压源，其连接到所述磁场源；及通道，所述初级电子束在投射穿过所述束限制孔径之后投射穿过所述通道。所述初级电子束投射穿过所述束限制孔径。所述通道具有与投射所述初级电子束的方向垂直的内部宽度尺寸。所述内部宽度尺寸小于或等于所述通道中的次级电子的拉莫尔半径的值的两倍。所述次级电子的拉莫尔时间大于1ns。所述内部宽度尺寸可以是直径。

所述内部宽度尺寸可为2mm到5mm。在例子中，所述内部宽度尺寸为2mm到3mm。

所述电子枪系统可进一步包含在漂移区中产生电场的扫掠电极。所述电场增大所述通道中的次级电子的动能。在例子中，所述电子枪系统进一步包含连接到所述扫掠电极的第二电压源。所述扫掠电极可相对于投射所述初级电子束的所述方向定位在所述束限制孔径下游6mm处。所述扫掠电极可在-100V到+100V的电压下操作。

在第二实施例中，提供一种电子枪系统。所述电子枪系统包括：电子源，其引导初级电子束；板，其界定束限制孔径；磁场源，其产生磁场；通道，所述初级电子束在投射穿过所述束限制孔径之后投射穿过所述通道；扫掠电极，其在漂移区中产生电场。所述初级电子束投射穿过所述束限制孔径。所述电场增大所述通道中的次级电子的动能。

所述电子枪系统可进一步包含连接到所述扫掠电极的电压源。

所述扫掠电极可相对于投射所述初级电子束的所述方向定位在所述束限制孔径下游6mm处。

所述扫掠电极可在-100V到+100V的电压下操作。

在第三实施例中，提供一种方法。所述方法包括利用电子源产生初级电子束。所述初级电子束投射穿过束限制孔径。所述初级电子束接着投射穿过在所述束限制孔径下游的通道。所述通道中的所述次级电子被限制到一个轨道或不到一个轨道。所述通道中的所述次级电子具有拉莫尔半径及拉莫尔时间。所述通道具有与投射所述初级电子束的方向垂直的内部宽度尺寸。所述内部宽度尺寸小于或等于所述拉莫尔半径的值的两倍。所述次级电子的所述拉莫尔时间大于1ns。所述内部宽度尺寸可以是直径。

所述内部宽度尺寸可为2mm到5mm。在例子中，所述内部宽度尺寸为2mm到3mm。

附图说明

为更全面地理解本发明的性质及目标，应结合附图参考以下详细说明，在附图中：

图1是展示先前系统中的束漂移区的尺寸标注的框图；

图2是展示根据本发明的束漂移区的尺寸标注的框图；

图3图解说明漂移空间中15eV电子的拉莫尔半径对残余磁场的关系；

图4图解说明针对15eV电子完成一个轨道的时间(拉莫尔时间)对残余磁场的关系；

图5是根据本发明的方法的实施例的流程图；

图6是具有扫掠电极的实施例的框图；

图7是在不具有电场的情形下束限制孔径区中的空间电荷密度；

图8是在具有20V/cm电场的情形下的空间电荷密度；

图9到11展示改变内部宽度尺寸对空间电荷模糊的效应；

图12展示在具有无场区及圆柱形提取器的设计中的空间电荷；

图13展示在具有负场的情形下漂移区中的空间电荷；且

图14展示在具有正场的情形下漂移区中的空间电荷。

具体实施方式

尽管将依据某些实施例描述所主张的标的物，但其它实施例(包含不提供本文中所陈述的全部益处及特征的实施例)也在本发明的范围内。可在不背离本发明范围的情形下做出各种结构、逻辑、工艺步骤及电子改变。因此，本发明的范围仅参考所附权利要求书来界定。

可通过调整拉莫尔半径及/或使用磁场来改进电子枪的光学性能。此可通过调整漂移区的尺寸或通过添加额外磁场来实现，此可减少次级电子的轨道数目。

图1是展示将束漂移区尺寸标注以利用拉莫尔半径的框图。对位于束限制孔径之后的束漂移区进行尺寸标注可缩短在束限制孔径处发射的次级电子的驻留时间。通过缩短驻留时间，可使次级电极与初级电子束之间的相互作用减少。此减轻次级电极所致的负面效应。

电子枪系统107包含电子源101，其引导初级电子束102。板103界定束限制孔径111。初级电子束102投射穿过束限制孔径111。紧挨板103的通道105具有内部宽度尺寸110。相对于初级电子束102的路径来说，通道105位于具有束限制孔径111的板103下游。

磁场源108在通道105中产生磁场。电压源109与磁场源108电子通信。浸没式磁场可用以改进电子枪系统107的光学性能(例如，亮度及光斑大小)。举例来说，漂移区中的残余磁场强度是约100高斯。

初级电子束102投射穿过可位于电子枪系统107的束漂移区中的通道105。初级电子束102中的束电流是由束限制孔径111形成，束限制孔径111阻挡初级电子束102的一部分。散射在束限制孔径111处的所得电子产生随机分布的低能量次级电子104，低能量次级电子104被存在于束限制孔径111处的残余磁场约束在初级电子束102周围。所产生的次级电子104的约束由拉莫尔半径及其驻留时间(也即，完成一个轨道的时间乘以轨道数目)表征。如果次级电子104的驻留时间大于初级电子束102的穿流时间，那么所得随机改变的电荷分布可使电子枪系统107的分辨率及亮度降级。性能降级的机制是图像平面的随机束偏转及随机移位。此效应发生在电子束柱的漂移区中，在所述漂移区中电场是零，且磁场可仍是显著的(例如，100高斯)。

拉莫尔半径是带电粒子(例如，电子)在存在均匀磁场的情形中沿循着移动的圆的半径。系统的磁矩可表示为带电粒子在磁场中旋转的结果。拉莫尔时间是完成一个轨道所需的时间。

通道105具有与投射初级电子束102的方向的垂直内部宽度尺寸110。内部宽度尺寸110(其可以是直径或其它宽度)小于或等于通道105中的次级电子104的拉莫尔半径的值的两倍。与图1的设计相比，内部宽度尺寸110小于内部宽度尺寸106。

可通过调整将驻留时间维持成可与穿流时间相当的漂移空间的内部宽度尺寸110来减轻亮度降级。可使每一次级电子104处在一个或不到一个轨道(例如，围绕起点而小于或等于360°轨道)中。通道105中的漂移空间的内部宽度尺寸110是与15eV电子(次级电子发射的平均能量)的拉莫尔半径的宽度相关。图3图解说明漂移空间中15eV电子的拉莫尔半径与残余磁场的关系。在残余磁场为100高斯的情形下，拉莫尔半径是约1.5mm。因此，具有3mm直径的漂移空间可将次级电子104驱迫到一个或更少轨道，从而使得拉莫尔时间等于或小于驻留时间(轨道数目<～1)。图4图解说明针对15eV电子完成一个轨道的时间(拉莫尔时间)与残余磁场的关系。图4展示此时间是约3.5ns，此可与高能量束(30keV)的典型1ns穿流时间相当。在这些条件下，预期不会发生亮度及分辨率的降级。

次级电子104的拉莫尔时间可大于1ns。小于1ns的次级电子104的轨道的时间可防止对初级电子束102的效应。

拉莫尔半径及拉莫尔时间可取决于磁场源108的磁场。举例来说，磁场越大，则拉莫尔半径可越小且拉莫尔时间可越短。

在磁场已给定的情况下，内部宽度尺寸110可取决于次级电子104的半径。举例来说，内部宽度尺寸110可为0.2mm到5mm，包含在0.2mm到5mm之间相差0.01mm的所有值及范围。在例子中，内部宽度尺寸110是大约2mm到大约5mm，包含在2mm到大约5mm之间所有的范围及相差0.1mm的值。在特定实例中，其中内部宽度尺寸110为2mm到3mm。残余磁场越高，则需要的漂移区可越窄。这些内部宽度尺寸110提供本文中所揭示的拉莫尔半径益处及经改进结果。

图9到11展示改变内部宽度尺寸110对空间电荷模糊的效应。在图9到11中，束限制孔径与闸门阀之间的距离是10mm。图9展示10mm的内部宽度尺寸。图9包含80nm的随机偏转。图10展示5mm的内部宽度尺寸。图10包含20nm的随机偏转。图11展示3mm的内部宽度尺寸。图11包含15nm的偏转。因此，较窄的内部宽度尺寸可由于会对次级电子所形成的空间电荷产生效应而改进束质量。

在例子中，只有致使拉莫尔时间大于1ns的磁场才可与本文中所揭示的设计及内部宽度尺寸110配置相关联。次级电子的拉莫尔时间可需要小于漂移区中的初级束的穿流时间。否则，次级电子104可能不会显著影响初级电子束102。因此，在磁场大于大约400高斯的情况下，不可按照本文中的揭示来配置内部宽度尺寸110。

图5是方法200的实施例的流程图。在201处，利用电子源产生初级电子束。在202处，将初级电子束投射穿过束限制孔径。在203处，将初级电子束投射穿过在束限制孔径下游的通道。所述通道具有与投射初级电子束的方向垂直的内部宽度尺寸。通道中的次级电子具有拉莫尔半径及拉莫尔时间。内部宽度尺寸(例如，直径)小于或等于拉莫尔半径的值的两倍，且次级电子的拉莫尔时间大于1ns。在204处，通道中的次级电子被限制到一个轨道或不到一个轨道。拉莫尔半径及拉莫尔时间可取决于磁场源的磁场。

图6是具有扫掠电极301的电子枪系统300的实施例的框图。图6的电子枪系统300可包含与图2的电子枪系统107相同的组件中的一些组件。初级电子束102在投射穿过板103中的束限制孔径111之后投射穿过通道105。扫掠电极301在通道105的漂移区中产生电场。所述电场增大加通道105中的次级电子104的动能。电压源302可与扫掠电极301电子通信。扫掠电极301可是具有供初级电子束102穿过的孔径的经加偏压板。扫掠电极301也可以是安置在于通道105中的一或多个电极。

扫掠电极301可减少或防止漂移区中次级电子104的聚束。由扫掠电极301产生的场可移除次级电子104。在例子中，由扫掠电极301产生的场可充当斜坡以将次级电子104扫掠远离初级电子束102。

扫掠电极301可定位在漂移区或无场区的中间。在实例中，扫掠电极301相对于投射初级电子束102的方向定位在具有束限制孔径的板的下游6mm处。然而，扫掠电极301的确切位置可有所变化。

扫掠电极301可产生-100V到+100V的电压。此电压的强度可不足以影响初级束，但可影响次级电子104。

施加到扫掠电极301的电压可经配置以减小或防止初级电子束102的像差。

可通过将小电场引入通道105的漂移区中以增大次级电子104(例如，缓慢电子扫掠电极)的动能且因此缩短次级电子104的驻留时间来减小对电子枪系统300的亮度及分辨率的空间电荷统计效应。图7展示在不具有扫掠电极的情形下(左)及在具有扫掠电极的情形下(右)的漂移区中的瞬时空间电荷分布(或统计样本)。可见，此空间电荷密度在无场情形中具有较大广度及强度。

图7是在不具有电场的情形下束限制孔径区中的空间电荷密度，且图8是在具有20V/cm电场的情形下的空间电荷密度。图7到8中的单位是cm及esu/cmA³。

图8具有在-100V下的扫掠电极。此引入仅20V/cm的场且减少统计空间电荷对光学性能的效应。在此情形中预期对亮度及分辨率没有负面效应。

图12展示在具有无场区与圆柱形提取器的设计中的空间电荷。空间电荷积累在无场区中，其中缓慢的三级电子长时间停留。此可在图像平面处形成随机偏转。在此情形中，对亮度的影响是约500％。

图13展示在具有负场的情形下漂移区中的空间电荷。通过引入静电场，三级电子具有短得多的穿流时间，从而使空间电荷更少。在此情形中，对亮度的影响是约30％。所述场将三级电子及次级电子推向束限制孔径。图13使用与图12相同的单位及刻度。

图14展示在具有正场的情形下漂移区中的空间电荷。通过引入静电场，三级电子具有短得多的穿流时间，从而使空间电荷更少。在此情形中，对亮度的影响是约15％。所述场将三级电子及次级电子推离束限制孔径。图14使用与图12相同的单位及刻度。

在图9到14中，MLA是指微透镜阵列。

图5中所图解说明的扫掠电极301可与图2的内部宽度尺寸110配置组合。如果真空要求不适应特定内部宽度尺寸110配置，那么还可使用扫掠电极301而非改变内部宽度尺寸110。

尽管已关于一或多个特定实施例描述本发明，但应理解可在不背离本发明的范围的情形下做出本发明的其它实施例。因而，认为本发明仅受随附权利要求书及其合理阐释限制。

Claims (16)

1.一种电子枪系统，其包括：

电子源，其引导初级电子束；

板，其界定束限制孔径，其中所述初级电子束投射穿过所述束限制孔径；

磁场源，其产生磁场；

电压源，其连接到所述磁场源；

通道，所述初级电子束在投射穿过所述束限制孔径之后投射穿过所述通道，其中所述通道具有与投射所述初级电子束的方向垂直的内部宽度尺寸，其中所述内部宽度尺寸小于或等于所述通道中的次级电子的拉莫尔半径的值的两倍，且其中所述次级电子的拉莫尔时间大于1ns；以及

扫掠电极，所述扫掠电极在漂移区中产生电场，其中所述扫掠电极是跨越所述通道放置的经偏压板，所述经偏压板具有供所述初级电子束穿过的孔径。

2.根据权利要求1所述的电子枪系统，其中所述内部宽度尺寸是直径。

3.根据权利要求1所述的电子枪系统，其中所述内部宽度尺寸为2mm到5mm。

4.根据权利要求3所述的电子枪系统，其中所述内部宽度尺寸为2mm到3mm。

5.根据权利要求1所述的电子枪系统，其中所述电场增大所述通道中的次级电子的动能且经配置以将所述次级电子扫掠远离所述初级电子束从而自所述初级电子束移除次级电子。

6.根据权利要求5所述的电子枪系统，其进一步包括第二电压源，所述第二电压源连接到所述扫掠电极。

7.根据权利要求5所述的电子枪系统，其中所述扫掠电极相对于投射所述初级电子束的所述方向定位在所述束限制孔径下游6mm处。

8.根据权利要求5所述的电子枪系统，其中所述扫掠电极在-100V到+100V的电压下操作。

9.一种电子枪系统，其包括：

电子源，其引导初级电子束；

板，其界定束限制孔径，其中所述初级电子束投射穿过所述束限制孔径；

磁场源，其产生磁场；

通道，所述初级电子束在投射穿过所述束限制孔径之后投射穿过所述通道；及

扫掠电极，其在漂移区中产生电场，其中所述电场增大所述通道中的次级电子的动能且经配置以将所述次级电子扫掠远离所述初级电子束从而自所述初级电子束移除次级电子，其中所述扫掠电极是跨越所述通道放置的经偏压板，所述经偏压板具有供所述初级电子束穿过的孔径。

10.根据权利要求9所述的电子枪系统，其进一步包括电压源，所述电压源连接到所述扫掠电极。

11.根据权利要求9所述的电子枪系统，其中所述扫掠电极相对于投射所述初级电子束的方向定位在所述束限制孔径下游6mm处。

12.根据权利要求9所述的电子枪系统，其中所述扫掠电极在-100V到+100V的电压下操作。

13.一种使用电子枪系统的方法，其包括：

利用电子源产生初级电子束；

将所述初级电子束投射穿过束限制孔径；

将所述初级电子束投射穿过在所述束限制孔径下游的通道，其中所述通道中的次级电子具有拉莫尔半径及拉莫尔时间，其中所述通道具有与投射所述初级电子束的方向垂直的内部宽度尺寸，其中所述内部宽度尺寸小于或等于所述拉莫尔半径的值的两倍，且其中所述次级电子的所述拉莫尔时间大于1ns；及

将所述通道中的所述次级电子限制到一个轨道或不到一个轨道。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述内部宽度尺寸是直径。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述内部宽度尺寸为2mm到5mm。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述内部宽度尺寸为2mm到3mm。