DE19627170A1

DE19627170A1 - Anordnung für Schattenwurf-Lithographie mittels elektrisch geladener Teilchen

Info

Publication number: DE19627170A1
Application number: DE19627170A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Stengl; Alfred Chalupka; Herbert Vonach; Hans Loeschner
Original assignee: Ims Ionen Mikrofabrikations Systems GmbH
Current assignee: Ims Ionen Mikrofabrikations Systems GmbH
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 1998-01-08

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für Schattenwurf-Lithographie mittels elektrisch geladener Teilchen zur Abbildung von Strukturen einer Maske auf einem dahinter angeordneten Substrat, mit einer im wesentlichen punktförmigen Teilchenquelle und einem Extraktionssystem für eine bestimmte Sorte geladener Teilchen, welche die Quelle in Form eines divergenten Teilchenstrahls verlassen, und mit einem Mittel zur Bündelung des divergenten Teilchenstrahls zu einem zumindest annähernd parallelen Teilchenstrahl zur Bestrahlung der Maske bzw. des Substrates.

Beschreibung des bekannten Stands der Technik

Ein Lithographiesystem dieser Art geht beispielsweise aus der US-PS 4 757 208 hervor. In diesem Dokument ist ein System für Ionenlithographie mittels Schattenwurfprojektion, üblicherweise MIBL (=Masked Ion Beam Lithography) genannt, beschrieben. In diesem System ist eine Wasserstoff-Ionenquelle mit einem Extraktionssystem vorgesehen, welches ein magnetisches Sektorfeld zur Massenfilterung der aus der Quelle austretenden Teilchen aufweist. In Strahlrichtung hinter dem Sektorfeld befindet sich eine aus zwei koaxialen Röhren aufgebaute elektrostatische Sammellinse, welche den Teilchenstrahl in einem sogenannten Crossover zu einem Bildpunkt der virtuellen Quelle sammelt. Dieser Crossover liegt in der objektseitigen Brennebene einer zweiten, ebenso aus zwei koaxialen Röhren aufgebauten Sammellinse, welche das oben angesprochene Mittel zur Bündelung des divergenten Teilchenstrahls zu einem Parallelstrahl bildet. Mit diesem Parallelstrahl wird eine Lithographiemaske bestrahlt, die unmittelbar oberhalb eines Substrates angeordnet ist, so daß ein direktes Abbilden der Strukturen der Maske auf diesem Substrat ermöglicht wird.

Ein weiteres System dieser Art ist in der Zeitschrift Optik, Band 51, Heft 5, in einem Artikel mit dem Titel "Lithium-ion-beam exposure of PMMA-layers without proxtmity-effect" von R. Speidel und U. Behringer aus dem Jahr 1979 beschrieben. Anstelle von Linsen mit zwei koaxialen Rohren sind bei diesem bekannten System zwei Einzel-Linsen vorgesehen, die aus je drei koaxialen Ringelektroden gebildet werden. Die masken- bzw. waferseitig angeordnete Einzel-Linse bildet das Mittel zur Bündelung des divergenten Teilchenstrahls zu einem Parallelstrahl.

Die mittels eines solchen bekannten Systems erreichbare Auflösung ist von mehreren Faktoren abhängig, nämlich von der Energieunschärfe der aus der Quelle austretenden Teilchen und der virtuellen Quellgröße, das heißt, dem engsten Durchmesser des Gebietes, aus welchem die Teilchen der Quelle scheinbar entstammen. Weiters ist die Qualität der Abbildung durch den Fehler der Sammellinsen, insbesondere der zweiten, für die Erzeugung des Parallelstrahls verwendeten Linse begrenzt. Falls der Teilchenstrahl nicht exakt parallel, sondern geringfügig konvergierend oder divergierend ist, tritt zusätzlich die Ungenauigkeit des Abstandes zwischen der Maske und dem Substrat als Abbildungsfehler in Erscheinung. Dazu zählen auch Unebenheiten des Substrates oder der Maske.

Aufgabe der Erfindung

Es ist ein Ziel der Erfindung eine Anordnung für Schattenwurf-Lithographie der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Abbildungsfehler gegenüber den bekannten Systemen verringert werden, wobei das Bildfeld für die Abbildung gegenüber bekannten Vorrichtungen vergrößert ist. Ebenso ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, die mit vergleichsweise geringen Kosten realisierbar ist und sich überdies durch ihre Kompaktheit auszeichnet.

Gegenstand der Erfindung

Die oben genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Mittel zur Bündelung des Teilchenstrahls eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines elektrostatischen Beschleunigungsfeldes aufweist, dessen Potential in Strahlrichtung zumindest abschnittsweise einen konstanten Gradienten besitzt und normal zur Strahlrichtung zumindest innerhalb des Strahlquerschnittes im wesentlichen konstant ist, wodurch die geladenen Teilchen auf Parabelbahnen gelenkt werden und der divergente Teilchenstrahl im wesentlichen zu einem Parallelstrahl gebündelt wird. Das von der Elektrodenanordnung gebildete homogene elektrostatische Feld hat in vorteilhafter Weise keine sogenannten Linsenfehler zur Folge, durch welche die Auflösung der Schattenwurfprojektion bekannter Lithographiesysteme begrenzt ist, so daß bei dem erfindungsgemäßen Lithographiesystem eine erhebliche Verringerung des Gesamtfehlers der Abbildung erzielt werden kann.

Bei einem in der Praxis vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Elektrodenanordnung zum Erzeugen des homogenen elektrostatischen Feldes eine Mehrzahl in Strahlrichtung in Abstand hintereinander angeordnete koaxiale Ringelektroden auf, welche auf unterschiedliche Potentiale derart gelegt sind, daß in Strahlrichtung innerhalb des Strahlquerschnittes ein homogenes Beschleunigungsfeld gebildet wird. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Elektrodenanordnung zum Erzeugen des homogenen elektrostatischen Feldes einen in Strahlrichtung ausgerichteten, koaxialen Hohlzylinder mit einem vorbestimmten konstanten elektrischen Widerstand pro Längeneinheit auf, wobei die Endflächen des Hohlzylinders auf vorbestimmte elektrische Potentiale gelegt sind. In einer besonderen Ausführungsform kann der Hohlzylinder als ein Gitter ausgebildet sein. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Elektrodenanordnung zum Erzeugen des homogenen elektrostatischen Feldes eine Mehrzahl in Strahlrichtung ausgerichteter, auf einer gedachten Mantelfläche eines koaxialen Zylinders um die Längsachse des Strahles angeordneter Längsstäbe mit einem konstanten Widerstand pro Längeneinheit auf, deren Endflächen auf je ein vorbestimmtes Potential gelegt sind.

Bei einer vorteilhatten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist im Strahlengang zwischen der Quelle und der Elektrodenanordnung zumindest eine elektrostatische Sammellinse vorgesehen, welche den aus der Quelle austretenden divergenten Teilchenstrahl zu einem Bild der Quelle bündelt, welches in oder vor der Anfangspotentialebene der Elektrodenanordnung liegt. Die punktförmige Quelle kann beispielsweise eine punktförmige Elektronenquelle in Form eine Feldemissionsspitze oder eine Ionenquelle mit einem virtuellen Quellpunkt sein, welche gegebenenfalls ein Separationsmittel zur Abtrennung von Ionen einer gewünschten Teilchensorte aufweist (z. B. ein Wien Filter).

Eine vorteilhafte Elektrodenanordnung für eine erfindungsgemäße Schattenwurf-Lithographie-Ein richtung weist eine Eintrittsblende auf, deren Öffnung den Quellpunkt bzw. das Bild der punktförmigen Quelle enthält und nicht wesentlich größer ist als der Durchmesser des Quellpunktes bzw. des Bildpunktes, wobei die Blende auf ein Potential gelegt ist, welches der Energie der geladenen Teilchen in der Quelle bzw. an dem Bildpunkt entspricht, wobei das homogene elektrostatische Beschleunigungsfeld unmittelbar an diese Blende anschließt. In diesem Fall treten überhaupt keine Linsenfehler in Erscheinung, so daß eine optimale Auflösung erreicht werden kann. Der Abbildungsfehler ist lediglich durch die endliche Ausdehnung und die Energieunschärfe der Quelle bedingt. Abweichungen von der Homogenität des elektrischen Feldes spielen als Fehlerquelle lediglich eine untergeordnete Rolle. Bei einer solchen Bündelung wird der divergente Teilchenstrahl nicht exakt zu einem Parallelstrahl, sondern abhängig von der Beschleunigungsspannung zu einem geringfügig divergenten Teilchenstrahl gebündelt. Die Maske wird dadurch geringfügig vergrößert auf das Substrat abgebildet. Dies kann bei vorgegebenem Abstand zwischen der Maske und dem Substrat bei der Herstellung der Maskenstrukturen berücksichtigt werden.

Alternativ dazu weist eine vorteilhafte Elektrodenanordnung für eine erfindungsgemäße Schattenwurf-Lithographie-Einrichtung eine Blende auf, die in Strahlrichtung in einem Abstand von der Quelle bzw. dem Bild der Quelle angeordnet ist und deren Öffnung im wesentlichen an den Durchmesser des Teilchenstrahls an dieser Stelle angepaßt ist, wobei die Blende auf ein Potential gelegt ist, welches im wesentlichen der Energie der geladenen Teilchen in der Quelle bzw. an dem Bildpunkt entspricht. Die Eintrittsöffnung der Blende wirkt auf den Teilchenstrahl wie eine Sammellinse, so daß die Bündelung zu einem im wesentlichen parallelen Teilchenstrahl erfolgen kann, wobei das homogene elektrostatische Beschleunigungsfeld unmittelbar an diese Blende anschließt. Durch die Linsenwirkung der Blende werden jedoch geringfügige Linsenfehler verursacht, welche die Auflösung der Schattenwurfprojektion geringfügig verringern, jedoch mit dem bedeutsamen Vorteil, daß das System in Bezug auf den Abstand zwischen Substrat und Maske wenig empfindlich ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lithographiesystems erstreckt sich das homogene elektrostatische Feld in Strahlrichtung von der Blende bis zu dem Substrat, wobei das Substrat eine Endelektrode der Elektrodenanordnung ist, welche auf das Potential des homogenen elektrostatischen Feldes an dieser Stelle gelegt ist, und die Maske ebenso eine Elektrode der Elektrodenanordnung ist, die auf das Potential des homogenen elektrostatischen Feldes an dieser Stelle gelegt ist.

Weiters kann eine Anordnung dieser Art dadurch verbessert werden, daß die Feldstärke des homogenen Beschleunigungsfeldes innerhalb vorgegebener Grenzen variierbar ist, so daß die Abweichung des Teilchenstrahles von der Parallelität im Bereich des Substrates verändert und die Strukturen der Maske mehr oder weniger vergrößert auf das Substrat abgebildet werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine hohe Auflösung, selbst bei relativ großen Abständen zwischen der Maske und dem Substrat, z. B. 1 mm. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Maske in Strahlrichtung unmittelbar vor dem Substrat angeordnet ist und der Abstand zwischen der Maske und dem Substrat zwischen 10 µm und 1 cm beträgt.

Das eingangs erwähnte Mittel zur Bündelung des Teilchenstrahls weist bei einer in der Praxis vorteilhaften Ausführungsform weiters ein Mittel zum Verkippen des Teilchenstrahls normal zur Strahlrichtung und ein Mittel zum Verändern des Strahlquerschnittes auf, die im Bereich des homogenen elektrostatischen Feldes angeordnet und auf ein Potential gelegt sind, welches dem Potential des elektrostatischen Feldes an dieser Stelle entspricht. Das Mittel zum Verkippen des Teilchenstrahls kann in einfacher Weise ein als Dipol betriebener, koaxial um die Achse des Teilchenstrahls angeordneter Multipol sein, welcher in Strahlrichtung durch mehrere hintereinander angeordnete Teilabschnitte gebildet wird, von welchen jeder als Basispotential auf das Potential des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes an der betreffenden Stelle gelegt ist, wobei die Potentiale zur Erzeugung eines Dipolfeldes zu diesem Basispotential hinzuaddiert werden. Das Mittel zum Verändern des Strahlquerschnittes kann in einfacher Weise ein als Quadrupol oder als Hexapol betriebener, koaxial um die Achse des Teilchenstrahls angeordneter Multipol sein, welcher in Strahlrichtung durch mehrere hintereinander angeordnete Teilabschnitte gebildet wird, von welchen jeder als Basispotential auf das Potential des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes an der betreffenden Stelle gelegt ist, wobei die Potentiale zur Erzeugung eines Quadrupol- bzw. Hexapolfeldes zu diesem Basispotential hinzuaddiert werden. Bei einer solchen Anordnung besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, das Mittel zum Verschieben des Teilchenstrahls bzw. das Mittel zum Verändern des Strahlquerschnittes in die Elektrodenanordnung zum Erzeugen des homogenen Beschleunigungsfeldes zu integrieren, wobei diese Elektrodenanordnung in mehrere Sektoren unterteilt ist, die je einen Pol des Multipols bilden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus anderen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einzelner Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Anordnung zur Schattenwurf-Lithographie hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Bündelung eines divergenten Teilchenstrahls in einem homogenen elektrostatischen Feld,

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung,

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Bündelung eines divergenten Teilchenstrahls in einer aus einem feldfreien Raum und einem homogenen elektrostatischen Feld bestehenden erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 4 zeigt einen Teil der Anordnung der erfindungsgemäßen Art, welche die Maske, das Substrates und verschiedener Justierhilfen enthält,

Fig. 5 zeigt eine Variante des in Fig. 4 gezeigten Teils der Anordnung.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Vorerst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, in welcher Teilchenbahnen eines divergenten Teilchenstrahles in einem homogenen elektrostatischen Beschleunigungsfeld dargestellt sind. Q ist eine punktförmige Teilchenquelle, z. B. eine Ionen- oder Elektronenquelle, die sich in einem Zylinder-Koordinatensystem mit den Achsen r und z an dem Punkt (r₀/z₀) befindet und ein Potential U₀ besitzt. In einem Abstand von der Quelle Q, an welchem sich z. B. eine Maske M befindet, wird ein Potential U_E gemessen. Unmittelbar hinter der Maske M, z. B. in z₁ ist ein Substrat S angeordnet. In r-Richtung sind die zwischen r₀ und dem maximalen Strahlradius r₁ gemessenen Potentiale konstant, wogegen in z-Richtung ein konstanter Gradient vorliegt, so daß zwischen der Quelle Q und der Maske M oder dem Substrat S ein in z-Richtung ausgerichtetes homogenes elektrostatisches Feld ausgebildet ist, dessen Feldstärke E_z in z-Richtung konstant und in r-Richtung gleich Null ist. In diesem Feld E_z werden die von der Quelle unter einem bestimmten Winkel δ zur z-Richtung ausgesandten geladenen Teilchen auf Parabelbahnen in Richtung Substrat S beschleunigt. Lediglich die parallel zur z-Richtung ausgesandten Teilchen werden auf einer Geraden beschleunigt. Der physikalische Vorgang ist ähnlich einem schiefen Wurf nach unten im Schwerefeld der Erde in einer reibungsfreien Umgebung, bei welchem die Massen ebenso auf Parabelbahnen in Richtung Erdoberfläche beschleunigt werden.

Für die Bahnkurve der Bewegung eines geladenen Teilchens im homogenen elektrostatischen Feld E_z ergibt sich der folgende Zusammenhang:

wobei δ den Winkel zwischen der z-Richtung und der Richtung des Teilchenstrahls beim Austritt aus der Quelle bzw. beim Eintritt in das homogene Feld angibt (0 δ δ_max). Die Ladung des Teilchens q geht in die obige Beziehung nicht ein, so daß z. B. für einfach oder zweifach geladene Teilchen identische Bahnkurven zu erwarten sind.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, kann ein divergenter Teilchenstrahl mittels eines homogenen elektrostatischen Feldes zu einem annähernd parallelen Strahl gebündelt werden. Die Abweichung ε der Randstrahlen des Teilchenstrahls von der Parallelität, das ist der Winkel zwischen der Tangente an die Bahnkurve des Teilchens und einer Geraden parallel zur z-Richtung, ist im wesentlichen von der Divergenz 2δ_max des Teilchenstrahls bei Eintritt in das homogene Beschleunigungsfeld, von der Feldstärke E_z dieses elektrostatischen Feldes und dem Abstand zwischen der Quelle Q und der Maske M bzw. dem Substrat S abhängig.

Dieser annähernd parallele Strahl kann somit zur Abbildung von Strukturen einer Maske mittels Schattenwurfprojektion auf ein Substrat verwendet werden. Am Ort der Maske bzw. des Substrates besitzt der so gebildete Strahl, wie bereits erwähnt, immer eine geringfügige Abweichung von der Parallelität, da die parabelförmigen Teilchenbahnen immer einen Winkel mit der z-Richtung einschließen, der jedoch mit wachsendem z kleiner wird. Die dadurch erzeugte vergrößernde Schattenwurfprojektion kann jedoch bei der Herstellung der Strukturen der Maske für eine solche Abbildung in einfacher Weise berücksichtigt werden. Dabei muß auch der Abstand zwischen der Maske und dem Substrat berücksichtigt werden. Da der Winkel ε von der Feldstärke E_z abhängig ist, kann die Vergrößerung der Maskenstrukturen somit durch eine Änderung dieser Feldstärke innerhalb bestimmter Grenzen variiert werden.

Da das Lithographiesystem prinzipiell ohne elektrostatische Linsen auskommt, wird die Auflösung der Abbildung natürlich auch nicht durch Linsenfehler beeinträchtigt. Das heißt, daß der Abbildungsfehler nur durch die endliche Größe der Quelle und die Energieunschärfe der die Quelle verlassenden Teilchen bestimmt ist. Fehler, die durch Inhomogenitäten des elektrostatischen Feldes entstehen, sind demgegenüber vernachlässigbar klein, da es beispielsweise keine großen technischen Probleme bereitet, ein elektrostatisches Feld zu erzeugen, dessen relative Abweichungen von der Homogenität ΔE/E innerhalb des Strahlquerschnittes unter 10^-5 liegen.

Um den gesamten Abbildungsfehler so gering wie möglich zu halten, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung daher wesentlich, möglichst punktförmige und monoenergetische Teilchenquellen, das heißt Elektronen- oder Ionenquellen mit geringer Ausdehnung und Energieunschärfe zu verwenden. Geeignete Ionenquellen bzw. Elektronenquellen dieser Art sind bekannt. Solche Quellen sind beispielsweise in einer Veröffentlichung mit dem Titel "The Physics of Submicron Lithography", von K. A. Valiev, erschienen in Plenum Press, New York 1992, oder in einem Artikel von Dipl.-Ing. Doriusz Korzec mit dem Titel "Kapazitiv gekoppelte Hochfrequenz-Ionenquelle mit radialer Anordnung der Anregungselektroden für reaktives Ionenstrahlätzen", veröffentlicht in VDI Fortschritt Berichte, VDI-Verlag, Reihe 9, Elektronik, Nr. 160, ausführlich beschrieben. Im folgenden wird auf die Art und die genaue Ausgestaltung der Teilchenquelle nicht mehr näher eingegangen.

Genaue Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Elektrodensystem zur Herstellung eines homogenen Beschleunigungsfeldes wie es mit Bezug auf die Fig. 1 beschrieben wurde. Als Teilchenquelle ist eine Ionenquelle Iq mit einem virtuellen Quellpunkt Q vorgesehen, die mit einem Extraktionssystem Ex versehen ist, welches so ausgebildet ist, daß die Ionen des austretenden Strahls aus einem möglichst punktförmigen Gebiet Q stammen. Der aus der Quelle Iq austretende Teilchenstrahl wird in bekannter Weise, z. B. durch eine elektrostatische Sammellinse A, in einem Bildpunkt Q′ (Crossover) abgebildet, wobei die Energie q·U₀ (q ist die Ladung eines Teilchens) der Teilchen am Ort des Bildpunktes Q′ im wesentlichen der Extraktionsenergie entspricht, das heißt, jener Energie, mit welcher die Teilchen aus dem Extraktionssystem Ex der Teilchenquelle Iq extrahiert werden.

Im gezeigten Fall mit einer Ionenquelle Iq weist das Abbildungssystem A weiters ein Separationsmittel zur Abtrennung von Ionen einer gewünschten Sorte, z. B. H⁺-Ionen, von unerwünschten Ionen, z. B. H₂⁺ oder H₃⁺-Ionen, auf. Dazu wird beispielsweise ein Wien-Filter verwendet, bei welchem ein elektrostatisches Dipolfeld und ein homogenes Magnetfeld senkrecht zueinander und beide senkrecht zur Strahlrichtung ausgerichtet sind. Für eine Elektronenquelle ist ein solches Massenfilter im allgemeinen nicht erforderlich.

Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, wird das Bild Q′ der Quelle von einer Blende B umgeben, welche auf das Potential U₀ gelegt ist, das sich aus der Energie g·U₀ der Teilchen an diesem Bildpunkt ergibt (=Potential des Crossover). Im allgemeinen beträgt die Energie der Teilchen an diesem Punkt zwischen 2 und 20 keV. Die Blende B bildet eine erste Endelektrode der Elektrodenanordnung zur Erzeugung des homogenen elektrostatischen Feldes E, welches sich in Strahlrichtung unmittelbar an die Blende B anschließt.

Der hinter der Blende befindliche Abschnitt der Elektrodenanordnung weist eine Mehrzahl nacheinander angeordnete koaxiale Ringelektroden El₁, El₂, El₃, . . ., El_n auf, die im wesentlichen in gleichen Abständen voneinander angeordnet und auf vorbestimmte Potentiale U₁, U₂, U₃, . . ., U_n gelegt sind, welche in Strahlrichtung eine linear ansteigende bzw. abfallende Funktion darstellen, so daß innerhalb des durch die Ringelektroden El₁, El₂, El₃, . . ., El_n begrenzten zylindrischen Feldraumes ein homogenes elektrostatisches Feld E gebildet wird. Die Ringelektroden können zu diesem Zweck beispielsweise über lauter gleichartige, vorbestimmte Widerstände R₁, R₂, R₃, . . ., R_n in Serie geschalten sein. Den strengen Anforderungen nach Homogenität wird das Feld E in der Praxis jedoch erst in einem bestimmten Abstand von den Ringelektroden entsprechen, so daß der Durchmesser der Ringelektroden ca. doppelt so groß wie der maximale Strahldurchmesser gewählt wird. Äquipotentiallinien (U=const), die normal zur Strahlrichtung zwischen den Ringelektroden der Elektrodenanordnung ausgebildet sind, sind in Fig. 2 für einen Teilabschnitt des homogenen elektrostatischen Feldes E schematisch dargestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 erstreckt sich das homogene elektrostatische Feld E bis zu dem Substrat S, welches in diesem Fall die zweite Endelektrode der Elektrodenanordnung bildet und auf das Potential U_S gelegt ist, welches dem Potential des homogenen elektrostatischen Feldes E an dieser Stelle entspricht. Das Substrat S ist zu diesem Zweck beispielsweise über einen Widerstand R_S mit der letzten Ringelektrode El_n in Serie geschaltet.

Unmittelbar vor dem Substrat S ist eine Maske M angeordnet, welche ebenso auf das Potential UM des elektrostatischen Feldes E an dieser Stelle gelegt ist, um zwischen der Blende B und dem Substrat S ein durchgehend homogenes elektrostatisches Feld E zu gewährleisten. Voraussetzung dafür ist jedoch, daß die Maske M ausreichend elektrisch leitend ist. Zu diesem Zweck kann eine Maske gegebenenfalls mit einer dünnen Metallbeschichtung versehen sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Maske M über einen Widerstand R_M in Serie mit der letzten Ringelektrode El_n und dem Widerstand R_S geschaltet.

Das Potential U_S unterscheidet sich je nach Anwendungsfall zwischen ca. 50 kV und 200 kV von dem Potential U₀ der Blende B. Bei einer Länge der Elektrodenanordnung von ca. 1 m bis 2 m beträgt die Feldstärke des homogenen elektrostatischen Feldes E somit zwischen 25 kV/m und 200 kV/m.

Bei einem hier nicht dargestellten, alternativen Ausführungsbeispiel für die Elektrodenanordnung ist hinter der Blende B anstelle der Ringelektroden ein Hohlzylinder mit einem vorbestimmten, über die gesamte Länge des Hohlzylinders konstanten elektrischen Widerstand pro Längeneinheit angeordnet, dessen Endflächen auf das Potential U₀ der Blende B einerseits bzw. das Potential U_n andererseits gelegt sind. Innerhalb des Hohlzylinders bildet sich in Strahlrichtung ebenso ein homogenes elektrostatisches Feld E aus. Das Substrat bzw. die Maske können wiederum in das homogene elektrostatische Feld integriert werden, in dem sie beispielsweise über entsprechende Widerstände in Serie mit dem Hohlzylinder geschaltet sind. Die Maske und das Substrat können natürlich auch unabhängig von dem Hohlzylinder mit separaten Gleichspannungen versorgt sein.

Wenn eine der oben beschriebenen Elektrodenanordnungen ausreichend thermisch leitfähig ist, kann diese zumindest abschnittsweise auf eine niedrige Temperatur gekühlt werden, um die Aufnahme von Strahlungswärme zu ermöglichen und so eine sogenannte Strahlungskühlung, insbesondere der der Innenseite zugewandten Masken- oder Substratoberflächen zu ermöglichen. Eine Vorrichtung dieser Art ist in dem europäischen Patent der Anmelderin mit der Patentnummer EP-A-325 575 ausführlich beschrieben.

Bei einer weiteren, hier nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann der Hohlzylinder in Form eines Gitters oder durch eine Mehrzahl auf der gedachten Mantelfläche eines koaxialen Zylinders parallel angeordnete, gleichartige Längsstäbe mit einem konstanten Widerstand pro Längeneinheit gebildet werden.

Kenndaten eines realisierbaren Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 2 sind weiter unten in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Fig. 3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei welchem die Elektrodenanordnung eine Eintrittsblende B′ aufweist, welche jedoch in Strahlrichtung in Abstand von dem Bild Q′ der Quelle bzw. dem virtuellen Quellpunkt angeordnet und auf ein Potential U₀ gelegt ist, welches der Energie q·U₀ der geladenen Teilchen im Punkt Q oder Q′ der Quelle entspricht. An die Blende B′ schließt eine Elektrodenanordnung an, welche zum Erzeugen eines homogenen elektrostatischen Feldes E geeignet ist, das sich im wesentlichen bis zu dem Substrat S erstreckt. Die konkrete Ausgestaltungsform der Elektrodenanordnung ist in Fig. 3 nicht dargestellt. Hierfür können unter anderem Ringelektroden gemäß Fig. 2, oder ein Hohlzylinder bzw. Längsstäbe mit konstantem Widerstand pro Längeneinheit oder ähnliches verwendet werden.

An der Öffnung der Blende B′ tritt das elektrische Feld der Elektrodenanordnung in den Raum zwischen dem Bild der virtuellen Quelle Q′ bzw. dem virtuellen Quellpunkt Q und der Blende B′ und bildet somit eine Sammellinse, die zu einer teilweisen Bündelung des divergenten Teilchenstrahls herangezogen wird. Die weitere Bündelung des Teilchenstrahls erfolgt wiederum in dem homogenen elektrostatischen Beschleunigungsfeld E zwischen der Blende B′ und dem Substrat S, und zwar ebenso im wesentlichen auf Parabelbahnen. Natürlich kann auch in diesem Fall sowohl das Substrat als auch die nicht dargestellte Maske in das homogene Feld einbezogen werden, in dem die genannten Teile auf entsprechende Potentiale gelegt werden.

Die Wirkung der Öffnung der Blende B′ als Sammellinse hat nun zur Folge, daß der divergente Teilchenstrahl stärker gebündelt wird, so daß der Strahl im Bereich der Maske bzw. des Substrates im Vergleich zu dem früheren Ausführungsbeispiel eine geringere Abweichung von der Parallelität aufweist. Somit ist die Qualität der Abbildung in einem erheblich geringeren Maß von der genauen Einhaltung des Abstandes zwischen der Maske und dem Substrat abhängig. Ebenso ist es in diesem Fall nicht mehr unbedingt erforderlich, bei der Herstellung der Maske die Divergenz des Teilchenstrahls zu berücksichtigen. Andererseits werden jedoch durch die Linsenwirkung der Blende B′ Linsenfehler erzeugt, welche die Qualität des Schattenwurfs der Maskenstrukturen auf das Substrat in Bezug auf Verzeichnung etwas verschlechtern, das heißt, gewisse Abweichungen der Bildpunkte von ihren Sollpositionen zulassen. Kenndaten für ein Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind weiter unten in Tabelle 2 anhand eines konkreten Zahlenbeispiels angeführt.

Der Winkel ε zwischen den Randstrahlen und der z-Achse hängt bei diesem Ausführungsbeispiel hauptsächlich von dem Winkel δ a, mit dem der Randstrahl vom Bild der virtuellen Quelle ausgesandt wird, und vom Verhältnis der Endenergie der Teilchen zu ihrer Anfangsenergie ab. Und zwar wächst die Differenz zwischen Anfangs und Endwinkel δ-ε annähernd proportional zu √, wobei U_E das Potential ist, das der Endenergie der Teilchen entspricht, und U₀ das Potential der Teichen an der Eintrittsblende ist, welches der Anfangsenergie der Teilchen entspricht.

Bei einem Lithographiesystem der erfindungsgemäßen Art besteht somit in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, durch eine Veränderung des Winkels ε die Abbildung der Maskenstrukturen auf das Substrat innerhalb bestimmter Grenzen zu vergrößern oder zu verkleinern. Dies wird in einfacher Weise durch Erhöhen oder Verringern der Feldstärke E des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes bewirkt. Das Maß der Vergrößerung oder Verkleinerung der Maskenstrukturen hängt einerseits von der Änderung der Feldstärke und andererseits von dem Abstand zwischen der Maske und dem Substrat ab.

In Fig. 4 ist ein in Strahlrichtung unmittelbar vor dem Substrat S gelegener Teilausschnitt einer funktionsfähigen Lithographieanordnung in einem Längsschnitt schematisch dargestellt. Dieser Teilausschnitt liegt im wesentlichen zur Gänze innerhalb des von der Elektrodenanordnung hergestellten homogenen elektrostatischen Beschleunigungsfeldes E. Bei dem vorliegenden Beispiel handelt es sich um einen Ionenstrahl-Schattenwurf- Projektionsapparat für lithographische Zwecke (MIBL), bei welchem Strukturen einer Maske M mittels Ionen auf einem mit einem Photoresist Ph beschichteten Substrat S abgebildet werden. Es ist aber auch möglich, diese Vorrichtung für andere Zwecke als die Lithographie zu verwenden, z. B. für selektive ionenstrahlinduzierte Epitaxie. Weiters besteht die Möglichkeit, eine Vorrichtung dieser Art für ein Elektronenstrahl-Schattenwurf-Projektionsgerät zu verwenden.

In dem gezeigten Teilausschnitt ist ein koaxial um den Teilchenstrahl angeordneter, aus mehreren Sektoren bestehender elektrostatischer Multipol MP dargestellt, z. B. mit 12 Elektroden, mittels welchen der Teilchenstrahl seitlich verkippt oder in seinem Querschnitt verändert werden kann, so daß die Abbildung der Strukturen der Maske M auf dem Substrat S in eine beliebige Richtung verschoben oder entzerrt werden kann. Eine Verschiebung des Teilchenstrahls in X- oder Y-Richtung wird dadurch erreicht, daß der Multipol als ein Dipol betrieben wird. Das Maß der Verschiebung in X- oder Y-Richtung ist im wesentlichen von der Verkippung des Strahls (Stärke des Dipolfeldes) und von dem Abstand zwischen der Maske und dem Substrat abhängig. Die Breite des Strahlquerschnitts hingegen, kann dadurch beeinflußt werden, daß der Multipol als ein Quadrupol oder ein Hexapol betrieben wird. Wenn der Multipol MP als Quadrupol betrieben wird, kann der die Bildinformation beinhaltende Strahlquerschnitt von einem Quadrat zu einem Rechteck und umgekehrt verändert werden. Im Betrieb als Hexapol wird aus einem quadratischen Strahlquerschnitt ein trapezförmiger und umgekehrt. Die Verwendung eines Multipols für diese Zwecke ist unter anderem in einer europäischen Patentanmeldung der Anmelderin mit der Veröffentlichungsnummer EP-A-344 646 genau beschrieben.

Fig. 4 ist weiters zu entnehmen, daß in dem Strahlengang des Teilchenstrahls in Abstand vor dem Substrat S und der Maske M eine Referenzplatte R vorgesehen ist, welche eine zentrale Durchgangsöffnung aufweist, die den Strahlquerschnitt des Teilchenstrahls auf einen bestimmten Durchmesser begrenzt, das heißt, daß ein zentraler Teilstrahl des gebündelten Teilchenstrahls zu der Maske M durchgelassen wird. In der Referenzplatte R sind unmittelbar an der Berandung der zentralen Öffnung eine Mehrzahl von kleineren Justieröffnungen J1, J2 ausgenommen, durch welche Justierstrahlen gebildet und in Richtung Maske M durchgelassen werden. Beispielsweise können als Justieröffnungen - in Draufsicht gesehen - an jeder Ecke eines gedachten Quadrates je zwei normal zueinander ausgerichtete Schlitze, also insgesamt 8 Justieröffnungen J1, J2, . . . . , J8 vorgesehen sein.

Zu beiden Seiten jedes Justierstrahls sind unmittelbar hinter den Justieröffnungen J1, J2 der Referenzplatte R paarweise zu beiden Seiten jedes Justierstrahls angeordnete Ablenkplatten A1, A2 vorgesehen. Diese Ablenkplatten A1, A2 dienen dazu, die Justierstrahlen des Teilchenstrahls mit Hilfe eines geeigneten Spannungssignals, z. B. eines Sägezahnsignals, über eine zugeordnete Markierung M1, M2 der Maske M zu führen. Im Fall von acht Justieröffnungen sind natürlich auch 8 Markierungen M1, M2, . . ., M8 vorgesehen. Eine Markierung M1, M2 kann beispielsweise eine Eintiefung, ein Vorsprung, eine Materialauflage oder eine Öffnung der Maske M sein, wobei für den Fall einer Öffnung zwischen der Maske und dem Substrat eine Blende Bl vorgesehen sein kann, um die Justierstrahlen am Belichten des Substrates zu hindern. Durch Scannen des Justierstrahls über die Markierung M1, M2 der Maske M wird ein Sekundärsignal, z. B. ein Sekundärelektronensignal, erzeugt, welches mittels eines Detektors D1, D2, z. B. eines Sekundärelektronendetektors, detektiert werden kann. Durch Vergleich des an den Ablenkplatten A1, A2 angelegten Spannungssignals mit dem vom Detektor D1, D2 aufgenommenen Sekundärstrahlungssignal kann Auskunft über die genaue Position jeder Markierung M1, M2 der Maske M bezüglich der zugeordneten Justieröffnung J1, J2 der Referenzplatte R erhalten werden.

Mit Hilfe von beispielsweise 8 geeigneten Justieröffnungen J1, J2, . . ., J8 können die X-, Y-Position, eine Verdrehung, ein Unterschied im Maßstab zwischen der Referenzplatte R und der Maske M (auch getrennt nach X- und Y-Richtung) und trapezförmige Verzeichnung der Maske M festgestellt werden. Bei vorgegebener und vermessener Lage der Justieröffnungen J1, J2, . . ., J8 und der zugeordneten Markierungen M1, M2, . . ., M8 kann insbesondere die Richtung des Ionenstrahls auf die Maske am Ort der Markierungen vermessen werden. Damit kann exakt die Größe des Schattenwurfs der Maske M auf das Substrat S vorbestimmt werden.

Bei einer Anordnung dieser Art können durch eine Rückkopplung der oben erläuterten Positionsmessung der Markierungen M1, M2, . . ., M8 bezüglich der Justieröffnungen J1, J2, . . . . , J8 auf die Spannungssignale für die Pole des Multipols MP Änderungen der Relativposition zwischen der Referenzplatte R und der Maske M oder Änderungen der Strahlrichtung sofort festgestellt und über eine Spannungsänderung an einem oder an mehreren Polen des Multipols MP korrigiert werden. Eine solche Korrektur kann insbesondere auch während einer Belichtung des Substrates mit dem Teilchenstrahl erfolgen, um die Strukturen der Maske an einer gleichbleibenden Stelle des Substrates abzubilden. Eine ständige Rückkopplung dieser Art wird "Pattern Lock System" genannt und ist in Zusammenhang mit einer Vorrichtung einer anderen Bauart, einem Ionenstrahl-Projektionslithograpiegerät (IPL) unter anderem in der bereits genannten europäischen Patentanmeldung der Anmelderin mit der Veröffentlichungsnummer EP-A-344 646 ausführlich beschrieben.

Bei der gezeigten Schattenwurf-Lithographieanordnung besteht weiters die Möglichkeit, hinter der Referenzplatte R eine weitere (nicht dargestellte) Referenzplatte vorzusehen, die anstelle der Maske in das System eingebracht werden kann. Diese weitere Referenzplatte besitzt ebenso wie die Maske Markierungen, die den Justieröffnungen zugeordnet sind und dazu dienen, eine Justierung des Ionenstrahls zu ermöglichen, ohne daß in dem System eine Maske vorhanden sein muß. Insbesondere kann der Winkel ε, das heißt, die Abweichung der Ionenstrahlrichtung von der z-Richtung gemessen und gegebenenfalls mit Hilfe der oben genannten Maßnahmen voreingestellt werden.

Die erforderliche Ausrichtung des Substrates S bezüglich der Referenzplatte R bzw. bezüglich der Maske M erfolgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel über ein optisches Alignmentsystem OA. Wie in Fig. 4 angedeutet ist, sind die Referenzplatte R und das optische Alignmentsystem OA auf einer Platte ZPL (z. B. aus Zerodur wegen des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten) montiert. Das Substrat S befindet sich auf einem geeigneten Substrathalter Sh, welcher abhängig von dem Meßsignal der optischen Interferenzeinrichtung OA in zwei Richtungen normal zur Strahlrichtung und parallel zur Strahlrichtung bewegbar bzw. um die Strahlrichtung verdrehbar ist.

Die Bewegung des Substrathalters Sh kann über ein in Fig. 4 durch Laserspiegel LSp angedeutetes Laser-Interferometer gesteuert werden. Aufgrund des vorhandenen Multipols kann anstelle einer feinmechanischen Einstellung der Substratposition mit Hilfe einer Bewegung des Substrathalters Sh in X-, Y-Richtung vorteilhaft durch ein seitliches Verkippen des Teilchenstrahls die Ionenbelichtung der Maskenstrukturen an der gewünschten Substratposition vorgenommen werden. Dieses Verkippen kann mit Nanometer Präzision und rasch (ms) erfolgen. Es ist demnach lediglich notwendig, das Substrat innerhalb des Arbeitsbereichs des Multipols von mehreren Mikrometern zu Positionieren, was mit Vakuum-Tisch systemen unproblematisch bewerkstelligt werden kann. Mit Hilfe des Laser-Interferometers wird nach erfolgter Tischbewegung die Lage des Substrates präzise vermessen und die X-, Y-Fehllage wird durch eine Multipol-Verkippung des Ionen-Schattenwurfs ausgeglichen. Ebenso kann anstelle einer feinmechanischen Einstellung des Abstandes zwischen der Maske und dem Substrat zur Erzielung der gewünschten Größe des Schattenwurfs vorteilhaft eine Änderung des Maßstabs im Ionen-Schattenwurf, wie oben beschrieben, durch Ändern der Feldstärke der Elektrodenanordnung erzielt werden. Durch Wahl einer Grundeinstellung mit etwas größerem Winkel ε kann nicht nur eine Vergrößerung sondern auch eine Verkleinerung eingestellt werden, was insbesondere dann erforderlich ist, wenn sich die Abmessungen des Substrates im Lauf des Produktionsprozesses verändert haben.

Zwischen der Referenzplatte R und dem Multipol MP ist eine Blende Bs vorgesehen, mittels welcher der gesamte Teilchenstrahl ausgeblendet werden kann (Shutter), z. B. wenn das Substrat gewechselt wird. Durch eine besondere geometrische Ausgestaltung dieses Shutters Bs, z. B. durch Querschlitze, besteht die Möglichkeit, daß die Justierstrahlen in jeder Stellung des Shutters in Richtung Maske durchgelassen werden, um Justiermessungen in jeder Stellung des Shutters durchführen zu können. Dieser Shutter könnte aber auch zwischen der Maske und dem Substrat angeordnet sein, wobei keine besonderen Vorkehrungen für die Justierstrahlen erforderlich sind.

Fig. 5 zeigt die Anordnung von Fig. 4 in einer Ausführungsform, welche in besonderer Weise auf die Gegebenheiten des homogenen elektrostatischen Feldes eingeht.

Dabei wird der Multipol MP in Strahlrichtung durch mehrere Multipolringe MP₁, MP₂, . . ., MP_n gebildet, von welchen jeder einzelne auf das Potential des homogenen elektrostatischen Beschleunigungsfeldes E an der zugeordneten Stelle des Raumes gelegt ist. Das für eine Verkippung des Teilchenstrahls erforderliche Spannungssignal eines bestimmten Pols des Multipols MP wird dem entsprechenden Potential des homogenen elektrostatischen Beschleunigungsfeldes E überlagert. Falls die Elektrodenanordnung durch Ringelektroden El₁, El₂, . . ., El_n gemäß Fig. 2 gebildet wird, kann der Multipol MP direkt in die Elektrodenanordnung integriert werden, in dem eine Gruppe nacheinander angeordneter Ringelektroden, z. B. El₅, El₆, . . ., El_n in Kreisringsektoren, z. B. 12 Sektoren unterteilt sind, welche elektrisch voneinander isoliert sind, so daß diese in Sektoren unterteilten Ringelektroden El₅, El₆, . . ., El_n zugleich die Ringe MP₁, MP₂, . . ., MP_n des Multipols MP bilden. Wenn die Elektrodenanordnung durch Längsstäbe realisiert wird, kann beispielsweise jeder Pol des Multipols durch je einen Längsstab gebildet werden oder es können mehrere dieser Stäbe zu je einem Pol des Multipols zusammengefaßt werden. Bei einer solchen Ausführungsvariante ist es vorteilhaft, die Elektrodenanordnung durch zwei nacheinander angeordnete Serien von Längsstäben zu realisieren, von welchen die der Maske zugewandten Stäbe zur Bildung des Multipols herangezogen werden. Auch für den Fall, daß die Elektrodenanordnung zu Erzeugung des homogenen Beschleunigungsfeldes in Form eines Hohlzylinders ausgebildet ist, kann der Multipol gegebenenfalls in die Elektrodenanordnung integriert werden. Dabei werden entsprechende Sektoren der Zylinderwand voneinander isoliert und zusätzlich zu dem Potential für das Beschleunigungsfeld mit den Spannungssignalen für den Multipol versorgt.

Ebenso wird die Referenzplatte auf das entsprechende Potential des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes gelegt, um Inhomogenitäten des Beschleunigungsfeldes nach Möglichkeit zu vermeiden. Da die Ablenkplatten A1, A2 im Bereich des homogenen elektrostatischen Feldes angeordnet sind, sind auch diese vorzugsweise in Strahlrichtung aus mehreren nacheinander angeordneten Teilabschnitten aufgebaut, die wiederum auf das vorgegebene Potential des homogenen elektrostatischen Feldes E an den betreffenden Stellen gelegt sind. Das Spannungssignal (Sägezahnspannung) wird diesen elektrostatischen Potentialen in bekannter Weise überlagert. Um eine Störung des homogenen elektrostatischen Feldes weiter zu verringern, kann auch die Betriebsspannung der Sekundärstrahldetektoren D1, D2 an das zugeordnete Potential des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes E angepaßt sein.

Wie bereits weiter oben angeführt ist, kann koaxial um den Strahl eine (nicht dargestellte) gekühlte Fläche vorgesehen sein, welche zumindest einen Teil der durch die Bestrahlung der Referenzplatte R und der Maske M entstehenden Strahlungswärme aufnimmt, so daß die Maske M thermisch stabil gehalten wird. Diese gekühlte Fläche kann als ein thermisch bzw. elektrisch leitender Hohlzylinder ausgebildet sein, welcher von der Elektrodenanordnung elektrisch isoliert ist und diese umgibt. Bei entsprechender Formgebung der Elektrodenanordnung kann diese selbst gekühlt werden und zur Strahlungskühlung der Maske dienen. Falls die Elektrodenanordnung für das homogene Beschleunigungsfeld in Form eines Hohlzylinders ausgebildet ist, kann diese Funktion durch die Innenfläche des Hohlzylinders erfüllt werden.

An dieser Stelle ist noch anzumerken, daß es nicht in allen Fällen notwendig ist, daß sich das homogene elektrostatische Beschleunigungsfeld bis unmittelbar zu dem Substrat erstreckt und sowohl dieses als auch die Maske in das Beschleunigungsfeld integriert sind. Wenn sich das Beschleunigungsfeld lediglich bis zur Maske erstreckt, können jedoch die Potentialinien des Beschleunigungsfeldes durch die Maskenöffnungen ragen, so daß an jeder Maskenöffnung eine elektrostatische Minilinse gebildet wird, welche die Schattenwurfabbildung beeinflußt. Der angesprochene Effekt wird "Flies Eyes Effekt" genannt. Durch diese sogenannten Minilinsen kann beispielsweise eine Nachfokussierung des Teilchenstrahls zwischen der Maske und dem Substrat erfolgen. Eine solche Vorgangsweise ist in dem Artikel "Characteristics and Applications of Multiple Beam Machines" von Julius J. Muray, SRI International, in Microelectronic Engineering 9 (1989), 305ff beschrieben. Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung tritt dieser sogenannte Flies Eyes Effekt aufgrund der geringen Entfernung zwischen der Maske und dem Substrat und der geringen Feldstärke nur äußerst schwach in Erscheinung, so daß dadurch praktisch keine Verschlechterung der Abbildungseigenschaften zu erwarten ist. Wenn die Maske und das Substrat, wie in den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 beschrieben, in das homogene Beschleunigungsfeld integriert werden, tritt dieser Effekt überhaupt nicht in Erscheinung.

Im folgenden werden die in den Fig. 2 und 3 dargestellten und oben bereits ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäßes Lithographiesystem anhand praxisrelevanter Kenndaten angeführt, wobei als Ausgangspunkt eine Ionenquelle für einfach geladene Ionen dient, wobei der Durchmesser der virtuellen Ionenquelle ca. 10 µm beträgt. Für die Brillianz einer derzeit realisierbaren Ionenquelle wird ein Wert von 10⁴ Ampere/cm²·sterad angenommen. Die Brillianz einer Ionenquelle hat im wesentlichen keinen Einfluß auf die Qualität der Abbildung, sondern bestimmt lediglich die Belichtungszeit des Substrates, z. B. für lithographische Zwecke. Für die Belichtung eines geeigneten Photoresists mit einer Empfindlichkeit von 0,3 µC/cm² ist bei einem Bildfeld mit einem Durchmesser von ca. 200 mm mit einer Belichtungszeit in der Größenordnung von ca. 1 sec. zu rechnen. Damit kann mit einer solchen Anordnung eine bedeutsame Produktivität erreicht werden.

Tabelle 1

(Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2)

Tabelle 2

(Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3)

Unter den in den obigen Tabellen angeführten Kenndaten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgendes zu verstehen:

1 Unter "Gesamtlänge" ist der Abstand des Bildpunktes Q′ von der Maske M bzw. dem Substrat S im Sinne der Fig. 2 und 3 angegeben.
2 Der "Durchmesser" gibt den Außendurchmesser der Elektrodenanordnung an.
3 Die Angabe für das "Bildfeld" entspricht dem Strahldurchmesser am Ort der Maske.
4 Als "geometrischer Fehler der Abbildung" ist jener Fehler zu verstehen, welcher durch die endliche Größe der Teilchenquelle (hier 10 µm) verursacht wird. Angegeben ist der maximale Winkel aller von einem Maskenpunkt ausgehenden Teilstrahlen.
5 Als "chromatischer Fehler der Abbildung" wird jener Fehler bezeichnet, welcher durch die Energieunschärfe (hier ± 1 bzw. ±3 eV) entsteht. Angegeben ist der maximale Winkel aller von einem Maskenpunkt ausgehenden Teilstrahlen.
6 Der "Gesamtfehler Θ" wird durch quadratische Addition des geometrischen und chromatischen Fehlers berechnet:
7 Die "Auflösung" der Abbildung ergibt sich aus dem Gesamtfehler und dem Abstand zwischen der Maske und dem Substrat (hier 1 mm bzw. 1 cm).
8 Der Parameter "Verzeichnung" gibt die maximale Abweichung eines Bildpunktes von der Sollposition an, welche durch die Linsenfehler 3 und höherer Ordnung der Elektrodenanordnung, insbesondere der Blende B′ entsteht. Bei einer Strahlerzeugung durch ein reines Beschleunigungsfeld (Fig. 2) ist dieser Fehler im wesentlichen gleich Null.
9 Unter der "Divergenz des Randstrahls ε" ist die Abweichung des äußersten Teilstrahls des Teilchenstrahls von der zentralen Strahlrichtung, das heißt, die Abweichung von der Parallelität zu verstehen. Angegeben ist der Winkel der Divergenz bei einem Durchmesser von 200 mm (vgl. Fig. 1). Diese Divergenz hat keinen Abbildungsfehler zur Folge, da sie bei der Herstellung und Positionierung der Maske bzw. durch die Feldstärke berücksichtigt werden kann.
10 Die "Empfindlichkeit gegen Unebenheiten des Substrats" gibt jenen Abbildungsfehler an, welcher durch Abweichungen des Abstandes zwischen der Maske und dem Substrat von dem vorgegebenen Wert (1 mm oder 1 cm) entstehen kann. Dieser Fehler ergibt sich aus der Divergenz ε des Randstrahls und kann durch Unebenheiten des Substrates oder der Maske verursacht werden.

Claims

1. Anordnung für Schattenwurf-Lithographie mittels elektrisch geladener Teilchen zur Abbildung von Strukturen einer Maske auf einem dahinter angeordneten Substrat, mit einer im wesentlichen punktförmigen Teilchenquelle (Q) und einem Extraktionssystem (Ex) für eine bestimmte Sorte geladener Teilchen, welche die Quelle (Q) in Form eines divergenten Teilchenstrahls verlassen, und mit einem Mittel zur Bündelung des divergenten Teilchenstrahls zu einem zumindest annähernd parallelen Teilchenstrahl zur Beleuchtung der Maske (M) bzw. des Substrates (S), dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Bündelung des Teilchenstrahls eine Elektrodenanordnung (B, B′, El₁, El₂, El₃ . . ., El_n) zur Erzeugung eines elektrostatischen Beschleunigungsfeldes (E) aufweist, dessen Potential (U) in Strahlrichtung zumindest abschnittsweise einen konstanten Gradienten besitzt und normal zur Strahlrichtung zumindest innerhalb des Strahlquerschnittes im wesentlichen konstant ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung zum Erzeugen des elektrostatischen Feldes (E) eine Mehrzahl in Strahlrichtung in Abständen hintereinander angeordnete koaxiale Ringelektroden (El₁, El₂, El₃ . . ., El_n) aufweist, welche auf unterschiedliche Potentiale (U₁, U₂, U₃, . . ., U_n) der Art gelegt sind, daß in Strahlrichtung innerhalb des Strahlquerschnittes ein homogenes Beschleunigungsfeld gebildet wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung zum Erzeugen des elektrostatischen Feldes einen in Strahlrichtung ausgerichteten, koaxialen Hohlzylinder mit einem vorbestimmten konstanten elektrischen Widerstand pro Längeneinheit aufweist, wobei die Endflächen des Hohlzylinders auf vorbestimmte elektrische Potentiale (U₀, U_n) gelegt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder durch ein Gitter gebildet wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung zum Erzeugen des elektrostatischen Feldes eine Mehrzahl in Strahlrichtung ausgerichtete, auf der Mantelfläche eines gedachten koaxialen Zylinders parallel angeordnete Längsstäbe mit einem vorbestimmten konstanten elektrischen Widerstand pro Längeneinheit aufweist, wobei die Enden der Längsstäbe auf je ein vorbestimmtes elektrisches Potential (U₀, U_n) gelegt sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die punktförmige Teilchenquelle eine Ionenquelle (Iq) mit einem virtuellen Quellpunkt (Q) ist, welche ein Extraktionssystem (Ex) für Ionen bestimmter Energie und ein Separationsmittel (Ex, B) zur Abtrennung von Ionen einer gewünschten Sorte aufweist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen der Quelle (Q) und der Elektrodenanordnung (B, B′, El₁, El₂, El₃, . . ., El_n) zumindest eine elektrostatische Sammellinse (A) vorgesehen ist, welche den aus der punktförmigen Quelle (Q) austretenden divergenten Teilchenstrahl zu einem Bild (Q′) der Quelle bündelt, welches in oder vor der Anfangspotentialebene der Elektrodenanordnung (B, B′, El₁, El₂, El₃ . . ., El_n, Hz) liegt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Elektrodenanordnung (El₁, El₂, El₃ . . ., El_n) zumindest doppelt so groß wie der größte Durchmesser des Teilchenstrahls ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (M) in Strahlrichtung unmittelbar vor dem Substrat (S) angeordnet ist und der Abstand zwischen der Maske (M) und dem Substrat (S) zwischen 10 µm und 1 cm beträgt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung eine Eintrittsblende (B) aufweist, deren Öffnung den Quellpunkt (Q) bzw. das Bild (Q′) der punktförmigen Quelle enthält und nicht wesentlich größer ist als der Durchmesser des Quellpunktes (Q) bzw. des Bildpunktes (Q′), wobei die Blende (B) auf ein Potential (U₀) gelegt ist, welches der Energie der geladenen Teilchen in der Quelle (Q) bzw. an dem Bildpunkt (Q′) entspricht, und daß das homogene elektrostatische Beschleunigungsfeld (U) in Strahlrichtung im wesentlichen unmittelbar an diese Blende (B) anschließt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung eine Blende (B′) aufweist, die in Strahlrichtung in einem Abstand von der Quelle (Q) bzw. dem Bild (Q′) der Quelle (Q) angeordnet ist und eine Eintrittsöffnung aufweist, wobei die Blende (B′) auf ein Potential (U₀) gelegt ist, welches im wesentlichen der Energie der geladenen Teilchen in der Quelle (Q) bzw. an dem Bildpunkt (Q′) entspricht, und daß das homogene elektrostatische Beschleunigungsfeld (E) unmittelbar an diese Blende anschließt.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostatische Feld (E) sich in Strahlrichtung bis zu dem Substrat (S) erstreckt.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) eine Endelektrode der Elektrodenanordnung ist, welche auf das Potential (US) des elektrostatischen Feldes (U) an dieser Stelle gelegt ist.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (M) eine Elektrode der Elektrodenanordnung ist, die auf das Potential (U_M) des elektrostatischen Feldes (U) an dieser Stelle gelegt ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Bündelung des Teilchenstrahls weiters ein Mittel zum Verkippen des Teilchenstrahls normal zur Strahlrichtung und ein Mittel zum Verändern des Strahlquerschnittes aufweist, die im Bereich des elektrostatischen Feldes angeordnet und auf ein Potential gelegt sind, welches dem Potential des elektrostatischen Feldes an dieser Stelle entspricht.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Verkippen des Teilchenstrahls ein als Dipol betriebener, koaxial um die Achse des Teilchenstrahls angeordneter Multipol (MP) ist, welcher in Strahlrichtung durch mehrere hintereinander angeordnete Teilabschnitte (MP₁, MP₂, . . ., MP_n) gebildet wird, von welchen jeder als Basispotential auf das Potential des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes an der betreffenden Stelle gelegt ist, wobei die Potentiale zur Erzeugung eines Dipolfeldes zu diesem Basispotential hinzuaddiert werden.

17. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Verändern des Strahlquerschnittes ein als Quadrupol oder als Hexapol betriebener, koaxial um die Achse des Teilchenstrahls angeordneter Multipol (MP) ist, welcher in Strahlrichtung durch mehrere hintereinander angeordnete Teilabschnitte (MP₁, MP₂, . . ., MP_n) gebildet wird, von welchen jeder als Basispotential auf das Potential des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes an der betreffenden Stelle gelegt ist, wobei die Potentiale zur Erzeugung eines Quadrupol- bzw. Hexapolfeldes zu diesem Basispotential hinzuaddiert werden.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Verschieben des Teilchenstrahls bzw. das Mittel zum Verändern des Strahlquerschnittes in die Elektrodenanordnung zum Erzeugen des homogenen Beschleunigungsfeldes integriert ist, wobei diese Elektrodenanordnung in mehrere Sektoren unterteilt ist, die je einen Pol des Multipols bilden.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang in Abstand vor dem Substrat (S) und der Maske (M) ein Alignmentsystem vorgesehen ist, welches eine Referenzplatte (R) aufweist, die eine zentrale Durchgangsöffnung aufweist, durch welche ein zentraler Teilstrahl des gebündelten Teilchenstrahls zu der Maske (M) bzw. dem Substrat (S) durchgelassen wird, wobei die Referenzplatte (R) an der Berandung der zentralen Durchgangsöffnung eine Mehrzahl von kleineren Justieröffnungen (J1, J2) aufweist, durch welche im Bereich des teilweise ausgeblendeten Teilchenstrahls Justierstrahlen gebildet und in Richtung Maske (M) durchgelassen werden.

20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter den Justieröffnungen (J1, J2) der Referenzplatte (R) paarweise zu beiden Seiten jedes Justierstrahls angeordnete Ablenkplatten (A1, A2) vorgesehen sind, durch welche jeder Justierstrahl mit Hilfe eines Spannungssignals über eine zugeordnete Markierung (M1, M2) der Maske (M) geführt werden kann, wobei Mittel zum Vergleichen eines von der Markierung (M1, M2) der Maske (M) ausgehenden Meßsignals mit dem Spannungssignal der Ablenkplatten (A1, A2) vorgesehen sind, um die Position der Maske (M) bezüglich der Referenzplatte (R) zu bestimmen.

21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkplatten (A1, A2) im Bereich des elektrostatischen Feldes angeordnet sind und in Strahlrichtung mehrere nacheinander angeordnete Teilabschnitte aufweisen, welche auf das Potential des elektrostatischen Feldes an den betreffenden Stellen gelegt sind.

22. Anordnung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Referenzplatte (R) eine weitere Referenzplatte vorgesehen ist, mittels welcher anstelle der Maske (M) eine Strahlausrichtung durchführbar ist, wobei diese weitere Referenzplatte auf das Potential des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes an der betreffenden Stelle gelegt ist.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzplatte (R) über eine optische Einrichtung mit dem Substrat (S) oder einem Substratträger ausrichtbar ist.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke (E) des homogenen Beschleunigungsfeldes innerhalb vorgegebener Grenzen variierbar ist, so daß die Abweichung (ε) des Teilchenstrahles von der Parallelität im Bereich des Substrates verändert und die Strukturen der Maske (M) mehr oder weniger vergrößert oder verkleinert auf das Substrat abgebildet werden.

25. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialdifferenz zwischen den Endelektroden der Elektrodenanordnung zum Erzeugen des homogenen elektrostatischen Feldes zwischen 25 und 200 kV beträgt.

26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der einfach positiv oder negativ geladene Teilchen bei Eintritt in das homogene Beschleunigungsfeld zwischen 2 und 20 keV beträgt.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das die Feldstärke des homogenen elektrostatischen Feldes zwischen 25 und 180 kV/m beträgt.

28. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des gebündelten Teilchenstrahls unmittelbar vor dem Substrat zwischen 20 und 300 mm beträgt.