DE2555744A1

DE2555744A1 - Magnetische linse

Info

Publication number: DE2555744A1
Application number: DE19752555744
Authority: DE
Inventors: Karl Heinz Loeffler; Hans Christian Pfeiffer
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-03-17
Filing date: 1975-12-11
Publication date: 1976-09-23
Also published as: JPS5718825B2; FR2305019B1; IT1055396B; US3984687A; FR2305019A1; DE2555744B2; JPS51108398A; DE2555744C3; GB1514095A

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlvorrichtung mit einer magnetischen Linse und einer Abschirmung gegen eine in ihrem Inneren oder in ihrer Nähe angeordnete Ablenkvorrichtung.

Auf vielen Gebieten der Technik werden Vorrichtungen zur Erzeugung eines steuerbar ablenkbaren Elektronenstrahls benötigt, beispielsweise um ein zu untersuchendes Objekt punkt- und zeilenweise abzutasten oder um strahlungsempfindliche Schichten mit einem vorgegebenen Strahlungsmuster zu beaufschlagen. Insbesondere bei der Herstellung von integrierten Schaltungen werden sogenannte Elektronenstrahlkolonnen verwendet, bei denen eine Abtastung mit hoher Auflösung, beispielsweise mit 20000 Linien innerhalb eines Feldes von 5 χ 5 mm möglich ist und wobei die verwendete magnetische Linse eine Brennweite von mindestens 25 mm aufweist.

Die bekannten Elektronenstrahlkolonnen bestehen aus einer Elektronenstrahlquelle, einer Kondensorlinse, Ausrichtstufen, Verkleinerungslinsenstufen, einer Projektionslinse, einer Ablenkvorrichtung und einer Targetstufe. Als Projektionslinse wird im allgemeinen eine magnetische Linse verwendet, die aus magnetischen Polstücken und bilderzeugenden Spulen besteht, durch die

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ein Elektronenstrahl auf ein Target gerichtet oder fokussiert wird. Das innerhalb der Linse erzeugte magnetische Feld fokussiert die Elektronen des Elektronenstrahls in ähnlicher Weise wie eine beispielsweise aus Glas bestehend Linse eines lichtoptischen Systems einen Lichtstrahl fokussiert. Eine derartige, für diese Zwecke verwendete magnetische Linse wird beispielsweise in der US-Patentschrift 3 659 097 beschrieben. Eine Elektronenstrahlkolonne zur Erzeugung von Strahlungsmustern auf Halbleiterplättchen wird beispielsweise im US-Patent 3 644 700 beschrieben.

Bei den in diesen Patenten beschriebenen Vorrichtungen ist das Ablenkjoch in der Nähe der Projektions linse angeordnet um den Elektronenstrahl in der erforderlichen Weise hin und her über das Target zu bewegen. Bei anderen bekannten Elektronenstrahlkolonnen ist das Ablenkjoch oder die Ablenkjoche zur Ablenkung des Elektronenstrahls vor oder hinter der letzten Projektionslinse angeordnet. In neuerer Zeit wurden auch Vorrichtungen beschrieben, bei denen das Ablenkjoch innerhalb der Polstücke der magnetischen Linse angeordnet ist.

Bei allen bekannten derartigen Vorrichtungen hat es sich gezeigt, daß die Linse in Abhängigkeit von ihrer Relativlage in bezug auf das Ablenkjoch bestimmte Aberrationen und Abbildungsfehler aufweist. Erfolgt die Ablenkung beispielsweise vor dem Durchtritt des Elektronenstrahls durch die Projektionslinse, so können Vorrichtungen verwendet werden, deren Projektionslinsen relativ kurze Brennweiten haben. Dadurch werden die achsennahen Aberrationen der Linse herabgesetzt und ein hohes Auflösungsvermögen erzielt. Ein Nachteil dieser Vorrichtungen besteht darin, daß bei größer werdenden Abtastfeldern die Ablenkwinkel und damit die Ablenkaberrationen rasch anwachsen, so daß derartige Vorrichtungen nur im Zusammenhang mit relativ kleinen Abtastfeldern verwendet werden können.

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Erfolgt die Ablenkung des Elektronenstrahls nach seinem Durchtritt durch die Projektionslinse so werden die achsenfernen Aberrationen unterdrückt und die gesamten Ablenkaberrationen der Linse verringert, so daß große Abtastfelder möglich sind. Da bei dieser Lösung jedoch Projektionslinsen mit großen Brennweiten erforderlich sind ergeben sich eine Reihe von Nachteilen, von denen das relativ kleine Auflösungsvermögen und die relativ großen Aberrationen im achsennahen Bereich die wichtigsten sind.

Die Nachteile der Vorrichtungen bei denen das Ablenkjoch vor oder hinter der Projektionslinse angeordnet ist werden bei einer Vorrichtung weitgehend vermieden, bei der das Ablenkjoch innerhalb der Elektronenstrahlkolonne an einer Stelle angeordnet ist, die in der Nähe des Mittelpunktes der beiden Polstücke der Projektionslinse liegt. Bei derartigen Anordnungen wird das Linsenfeld dem Feld des Ablenkjochs überlagert, wobei ein Teil der Ablenkaberrationen des Joches durch die entsprechenden achsenfernen Aberrationen der Linse kompensiert werden.

In allen drei Fällen liegt jedoch das Ablenkjoch in der Nähe der Polstücke der Linse, so daß eine Einwirkung auf die leitenden Polstücke und die Entstehung von Verzerrungen verursachenden Wirbelströmen nicht vermieden werden kann.

Darüberhinaus ist es bei der Unterbringung des Ablenkjochs zwischen den Polstücken der Linse erforderlich, Linsen mit großen Polstückspalten zu verwenden, bei denen normalerweise ein durch die Unsymmetrie der Linsenwicklungen bedingter Astigmatismus auftritt.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus _f eine Elektronenstrahlkolonne mit einer Projektionslinse anzugeben, die einen breiten Polstückspalt und eine große Brennweite bei gleichzeitig kleinem statischen Astigmatismus aufweist. Weiterhin soll das Auftreten von die Abbildung störenden Wirbelströmen weitgehend

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vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.

Die gemäß der Erfindung einen aus nichtleitenden magnetischen Scheiben und nichtleitenden nichtmagnetischen Scheiben bestehenden Zylinder enthaltende magnetische Linse hat gegenüber den bisher bekannten Vorrichtungen den Vorteil, daß die Beeinflussung benachbarter leitende-y Elemente durch das Feld des Ablenkjochs und die Einflüsse der Asymmetrie der Linsenwicklung vermieden bzw. weitgehend herabgesetzt werden, was eine wesentliche Verringerung des Linsenastigmatismus zur Folge hat.

Eine besonders vorteilhafte Auführungsform der Erfindung enthält eine Projektionslinse mit einer Wicklung, die um eine hohle zylinderförmige Abschirmvorrichtung angeordnet ist, die aus einer Vielzahl von mit höchster Präzission angefertigten, abwechselnd aus nichtleitenden magnetischen und nichtleitenden nichtmagnetischen, konzentrisch angeordneten Ringen besteht. Die Vorrichtung enthält weiterhin ein Ablenkwicklungen aufweisendes Ablenkjoch, das innerhalb des Hohlzylinders angeordnet ist. Der abwechselnd aus nichtleitenden magnetischen und nichtleitenden nichtmagnetischen Ringen bestehende Stapel verhindert, daß das Feld der Ablenkwicklungen leitende Teile innerhalb des magnetischen Kreises der Projektionslinse beeinflußt, so daß Wirbelströme innerhalb der Linse und die dadurch erzeugten Aberrationen weitgehend vermieden werden. Der besagte Hohlzylinder wirkt weiterhin als Abschirmung gegen jede Beeinflussung des Elektronenstrahls durch Asymmetrien der Linsenwicklung. Gleichzeitig stellt der die Form eines Hohlzylinders aufweisende Stapel einen wirkungsvollen Fluß-Spalt dar, der ein gleichmäßiges, parallel zur optischen Achse verlaufendes und sich über die gewünschte Arbeitsentfernung der Linse erstreckendes Feld erzeugt.

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Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die perspektivische Darstellung eines längs sei

ner optischen Achse geschnittenen Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 einen Teil eines Schnittes entlang der Linien

2-2 der Fig. 1;

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung wird im Zusammenhang mit einer Elektronenstrahlkolonne verwendet, die aus mehreren Stufen, beispielsweise aus einer Elektronenstrahlquelle, einer Kondensorlinse, Ausrichtstufen, Verkleinerungslinsenstufen, einer Projektionslinse, einer Ablenkstufe und einer Targetstufe besteht. Die in dieser Figur dargestellte Vorrichtung besteht aus der Kombination einer Projektionslinse 12 und eines Ablenkjochs 14, die entlang der Achse eines Elektronenstrahls 16 angeordnet sind und zur Fokussierung des Strahls auf ein Target 18 dienen und dessen Ablenkung ermöglichen. Der Brennpunkt der Linse 12 ist relativ lang, mindestens aber etwa 25 mm.

Der magnetische Kreis der Projektionslinse enthält ein zylinderförmiges äußeres Element 21, das aus einem magnetischen Material besteht und an dessen Enden obere und untere Platten 24 bzw. 25 befestigt sind. Die Platte 24 besteht aus magnetischem Material und ist kreisförmig ausgebildet, so daß sie mit dem äußeren umfang des Elements 21 übereinstimmt. In der Mitte der Platte 24 befindet sich eine kreisförmige Öffnung 26 für den Elektronenstrahl. Eine entsprechende, mit der Öffnung 26 ausgerichtete Öffnung 27 befindet sich in der Platte 25.

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Die untere Fläche der Platte 24 und die obere Fläche der Platte

25 weisen Ausnehmung 28 und 29 auf, die konzentrisch mit den Ausnehmungen 26 und 27 angeordnet sind und zur Aufnahme der gegenüberliegenden Enden eines als Abschirmung dienenden Hohlzylinders 30 dienen, der seinerseits eine zentral Ausnehmung oder Kammer 31 aufweist, durch die der Elektronenstrahl durchtreten und in der ein Ablenkjoch 14 untergebracht werden kann. Der Hohlzylinder besteht aus einer Vielzahl von mit höchster Präzission hergestellten magnetischen Ringen 32 die konzentrisch mit ebenso exakt hergestellten nichtmagnetischen Ringen 34 gestapelt sind. Die Ringe 32 und 34 haben die gleiche Form und sind in abwechselnder Folge angeordnet. An beiden Enden des Hohlzylinders 30 sind magnetische Ringe 36 und 37 angeordnet, deren äußerer umfang mit dem äußeren umfang der Ringe 32 und 34 übereinstimmt während der innere Rand dieser Ringe mit dem inneren Rand der Ausnehmungen

26 bzw. 27 übereinstimmt. Wie aus der Figur ersichtlich, sind die Länge des Hohlzylinders 30 und die Durchmesser der Ringe 36 und 37 so bemessen, daß ein genauer Sitz zwischen den beiden Enden des Hohlzylinders 30 und der oberen und unteren Fläche der Platten 24 bzw. 25 sichergestellt wird. Dadurch wird in axialer Richtung auf den Hohlzylinder 30 ein Druck ausgeübt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich werden die Ringe 32, 34 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung durch Schrauben 41 miteinander verbunden und gegeneinander gedrückt. Außer durch die Schrauben 41 wird der aus magnetischen und nichtmagnetischen Ringen bestehende Stapel mit Hilfe eines gehärteten Bindungsmittels, beispielsweise durch eine Epoxidharz-Schicht 44 zusammengehalten, die am äußeren Umfang des Zylinders 3O angeordnet ist.

Die aus den Elementen 21, 24 und 25 bestehende Vorrichtung bildet gemeinsam mit dem Hohlzylinder 3O einen magnetischen Kreis für die Projektions linse einer Elektronenstrahlkolonne. Der wirksame Fluß-Spalt des magnetischen Kreises wird durch die axialen Abmessungen der nichtmagnetischen Ringe 34 gebildet. Es ist daher bei der Herstellung des Hohlzylinders 3O von größter Wichtigkeit,

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die vorgeschriebenen Abmessungen der einzelnen magnetischen und nichtmagnetischen Ringe genauestens einzuhalten. Es hat sich als erforderlich erwiesen, die einzelnen Ringe mit einer Genauigkeit von 0,5 pm zu fertigen und die einzelnen Ringe ehe sie zu einer Einheit zusammengefaßt werden, innerhalb des Stapels zu drehen um die Gesamt abweichungen möglichst gering zu halten. Es hat sich gezeigt, daß durch Drehung der einzelnen Ringe die Gesamtabweichungen der Abmessungen des Spaltes an einer Seite des Hohlzylinders in bezug auf die andere Seite des Hohlzylinders in die Größenordnung von 1 um oder weniger gebracht werden können.

Die Epoxydharz-Schicht 44 besteht aus einem geeigneten Epoxydharz mit harter OBerflache, das im trockenen Zustand die Wirkung der Schrauben 41 unterstützt und die ringförmigen Scheiben 32, 34 zusätzlich zusammenhält. Erforderlichenfalls kann die endgültige Bearbeitung der inneren Flächen der Ringe 32, 34 nach Anbringung der Epoxydharz-Schicht 44 und vor der Befestigung der oberen und unteren ringförmigen Elemente 36 und 37 erfolgen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die magnetischen Ringe 32 aus einem nichtleitenden Ferritmaterial und die nichtmagnetischen Ringe 34 aus einem geeigneten nichtleitenden keramischen Material, beispielsweise aus Aluminiumoxid. Die Verwendung von nichtleitenden Materialien, beispielsweise von Ferriten, erbringt Vorteile die im folgenden noch erläutert werden. Es ist aber auch möglich, die Ringe 32 aus einem Stahl mit geringer Permiabilität herzustellen, obwohl derartige Materialien nicht besonders vorteilhaft sind. In ähnlicher Weise können die Ringe 34 aus anderen nichtmagnetischen Materialien bestehen.

Die Linse 12 enthält weiterhin eine Wicklung oder eine Spule 50, die in an sich bekannter Weise aus Windungen 52 besteht. Es ist besonders wichtig, daß die Windungen 52 der Spule 50 so symmetrisch wie möglich angeordnet werden, um Asymmetrien des durch die erregten Windungen erzeugten Feldes herabzusetzen. Die Wicklungen

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52 sind mit geeigneten, nicht dargestellten Anschlüssen zur Verbindung mit einer Erregerquelle versehen.

Das Ablenkjoch 14 besteht aus einem zylinderförmigen oder toroidalen Kern 60 auf dem Wicklungen 63 angeordnet sind, um die gewünschten Radialfelder zur X- und Y-Ablenkung des Elektronenstrahls zu erzeugen. Die Wicklungen 63 werden ebenfalls durch eine nicht dargestellte Quelle zur Ablenkung des Elektronenstrahl erregts. Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel eignet sich zur Abtastung eines etwa 5 mm breiten Halbleiterplättchens mit 20000 Linien. Demgemäß ist eine Brennweite der Projektionslinse in der Größenordnung von 12 cm erforderlich. Derartige Brennweiten können in einfacher Weise mit Elektronenstrahlkolonnen erzielt werden, bei denen das Ablenkjoch in der in Fig. 1 dargestellten Weise angeordnet ist. Der im Ausführungsbeispiel verwendete Hohlzylinder 30 weist eine Reihe von Vorteilen im Zusammenhang mit einer Linse auf, bei der das Ablenkjoch und die Projektionslinse in engster Nachbarschaft zueinander angeordnet sind. Die magnetischen Platten 36 und 37 wirken als Polstücke des Magnetkreises der Linse während die magnetischen Distanzstücke 32 im Zusammenhang mit den Platten 36 und 37 die Linsenwicklung wirkungsvoll abschirmen um Asymmetrien der Rotationssymmetrie des durch die Linsenwicklung erzeugten magnetischen Feldes herabzusetzen, wodurch gleichzeitig der Astigmatismus weit unter den bei: .Linsen mit vergleichbarer Brennweite üblichen Wert herabgesetzt wird. Auf diese Weise nimmt jeder der magnetischen Ringe ein annähernd gleichmäßiges magnetisches Potential an und schirmt den Bereich des Strahles gegen Rotationsasymmetrien des Wicklungsfeldes ab. Gleichzeitig wird aber das axiale Feld zwischen der unteren und der oberen Polstückplatte des magnetischen Kreises übertragen.

Eine weitere wichtige Aufgabe des Hohlzylinders 30 besteht darin, die sich in entgegengesetzten radialen Richtungen erstreckenden magnetischen Felder des Ablenkjochs abzuschirmen. Das hat zur

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Folge, daß die Feldverteilung des Ablenkjochs sich auf den Bereich innerhalb der Kammer 31 beschränkt, so daß eine Beeinflussung leitender Bereiche des magnetischen Kreises verhindert wird. Auf diese Weise werden Wirbelströme vermieden, die sonst bei einer Durchdringung von leitendem Material des magnetischen Kreises durch Feldlinien entstehen würden. Derartige Wirbelströme sind deshalb schädlich, da sie dem ursprünglichen vom Ablenkjochfeld erzeugten Feldern entgegengesetzte magnetische Felder erzeugen, und dadurch zu unerwünschten Ablenkaberrationen führen. Diese Art dynamischer gegenseitiger Beeinflussung war bisher ein grundlegendes Hindernis bei der Herstellung von sondenbildenden Elektronenstrahlabtastsystemen.

Die Verwendung von Ferritmaterial zur Herstellung der Polstücke ist in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft, da es sich um ein nichtleitendes magnetisches Material handelt. Es wurde bewiesen, daß die Verwendung von Ferritmaterialien eine Herabsetzung der durch Wirbelströme verursachten Wirkungen um mehr als zwei Größenordnungen zur Folge hat, ohne daß ein zusätzlicher Astigmatismus oder meßbare Hysteresiseffekte durch dieses Material verursacht würden.

Die Verwendung von Ferriten für die Platten 36 und 37 ist auch bei Systemen besonders vorteilhaft, bei denen die Ablenkspule außerhalb oder in einiger Entfernung von der Mitte der Projektionslinse angeordnet ist. So wirken die über die innere Fläche der Ringe 32, 34 herausragenden Begrenzungen der Platten 36 und 37 als Abschirmung über die Arbeitslänge einer Linse, selbst wenn die Ablenkspule außerhalb des Hohlzylinders angeordnet ist. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf die Verwendung von Ferritpolstücken in Systemen bei denen die Ablenkjoche vor oder hinter der Projektionslinse in einer Entfernung angeordnet sind, bei der Wirbelströme entstehen können.

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Claims

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PATENTANSP Rüche

Elektronenstragvorrichtung mit einer magnetischen Linse und einer Abschirmung gegen eine im innern der Linse oder in ihrer Nähe angeordnete Ablenkvorrichtung, gekennzeichnet durch einen untere und obere, aus nichtleitendem magnetischen Material bestehende, einen den Elektronenstrahl beeinflussenden Fluß-Spalt definierende Polstücke (36, 37) enthaltenden geschlossenen magnetischen Kreis.

Elektronenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen die oberen und unteren Polstücke (36, 37) verbindenden Hohl zylinder (30), der aus abwechselnd aus magnetischen und aus nichtmagnetischen Material bestehenden Ringen (32, 34) aufgebaut ist, wobei die im Verlauf des magnetischen Kreises liegenden, aus nichtmagnetischen Material bestehenden Ringe (34) Fluß-Spalte bilden.

Elektronenstrahlvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Polstücke (36, 37) Ausnehmungen (26, 27) aufweisen, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des aus magnetischen und nichtmagnetischen Ringen aufgebauten Hohlzylinders (3O) *

Elektronenstrahlvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3_r dadurch gekennzeichnet, daß die aus magnetischen und nichtmagnetischen Material bestehenden Ringe (32, 34) gleiche Dicken aufweisen und mit Toleranzen von weniger als 25 um, vorzugsweise weniger als 0,5 um bearbeitet sind.

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5. ElektronenstrahlVorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die Außenfläche des Hohlzylinders (3O) umgebende und die einzelnen Ringe zusammenhaltende Schicht (44) aus Epoxydharz.

6. Elektronenstrahlvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine den Hohlzylinder (30) umgebende elektrische Wicklung 50.

7. Elektronenstrahlvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein den Hohlzylinder (30) und die elektrische Wicklung (50) umgebendes zylinderförmiges Element (21) aus magnetischem Material, das durch untere und obere, runde Mittelausnehmungen aufweisende kreisförmige Elemente (25, 24) mit den Polstücken (36, 37) verbunden ist.

8. Elektronenstrahlvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des durch den Hohlzylinder (30) gebildeten Hohlraums ein Ablenkjoch yoO, 63) angeordnet ist.

9. Elektronenstrah!vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß <fli»^G aus magnetischem Material bestehenden Elemente elektrisch nichtleitend sind.

10. E lektronens tr ätzvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Ringe (32) aus keramischen Ferritmaterial bestehen.

11. Elektronenstrahlvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die

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- 12 nichtmagnetischen Ringe (34) aus Aluminiumoxid bestehen.

12. Elektronenstrahlvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus magnetischen und nichtmagnetischen Ringen bestehende Hohlzylinder (30) eine den durch ünsymmetrlen der Wicklung (50) bedingten Astigmatismus der magnetischen Linse herabsetzende Abschirmung bildet·

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