DE2702446C3

DE2702446C3 - Korpuskularstrahloptisches Gerät zur verkleinernden Abbildung einer Maske auf ein zu bestrahlendes Präparat

Info

Publication number: DE2702446C3
Application number: DE19772702446
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dr.-Ing. Lischke; Andreas Dr.-Ing. Oelmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-01-20
Filing date: 1977-01-20
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DE2702446B2; DE2702446A1

Description

ß =

«/2

20

für

genügt.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch gleichzeitige Beleuchtung der gesamten abzubildenden Maskenfläche und gleichzeitige Abbildung aller Maskenpunkte durch das Projektionslinsensystem (7,8), wobei ein vor der letzten Kondensorlinse (3c) erzeugtes Bild der Strahlquelle hinter deren vorderer Brennebene (F_c) liegt.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- j? net, daß das Kondensorlinsensystem (3) ein Strahlenbündel (17) erzeugt, das als Sonde auf die Maske (4) fällt, wobei sein Zentralstrahl (21) mit der optischen Achse (5) den Winkel β bildet, und daß zwischen der letzten Kondensorlinse (3c) und deren vorderer Brennebene (F_c) ein Ablenksystem (20) vorgesehen ist, das die Sonde rasterförmig über die Maske führt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der letzten Kondensorlinse (3c) von der Erregung des Ablenksystems (20) 4ί entgegengesetzt abhängig ist.

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor der letzten Kondensorlinse (3c) zwei entgegengesetzt erregte Ablenksysteme (20, 30) vorgesehen sind, von denen das in Strahlrichtung w zweite (20) die Sonde rasterförmig über die Maske (4) führt und das erste (30) eine Versetzung (r) des Strahlenbündels (17) gegenüber der Geräteachse (5) verursacht.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung des ersten Ablenksystems (30) überproportional von der des zweiten Ablenksystems (20) abhängt.

b0

Die Erfindung bezieht sich auf ein korpuskularstrahloptisches Gerät zur verkleinernden Abbildung einer Maske auf ein zu bestrahlendes Präparat mit einer die Maske beleuchtenden Strahlquelle, einem Kondensorlinsensystem und einem Projektionslinsensystem aus einer langbrennweitigen Zwischenünse mit der Brennweite /1 und einer kurzbrennweitigen Abbildungslinse mit der Brennweite /2, deren Abstand gleich der Summe ihrer Brennweiten ist, wobei die Maske in der vorderen Brennebene der Zwischenlinse liegt. Der Abbildungsmaßstub f\lh liegt dabei in der Größenordnung 10. Derartige Geräte sind z. B. aus einer Arbeit von Heritage, J. Vac. Sei. TechnoL, 12, 1975, Seiten 1135ff, bekannt Sie dienen insbesondere zur Erzeugung von Strukturmustern (patterns) auf Halbleiterplättchen (Wafern) bei der Herstellung von integrierten Schaltungen. Nach der genannten Arbeit kann das Gerät so ausgebildet sein, daß die gesamte abzubildende Maskenfläche gleichzeitig beleuchtet wird und alle Maskenpunkte gleichzeitig durch das Projektionslinsensystem abgebildet werden-, das Kondensorlinsensystem kann jedoch auch die Strahlquelle als punktförmige Sonde auf die Maske abbilden, wobei ein erstes Ablenksystem vorgesehen ist, das die Sonde rasterförmig über die Maske führt Die letztgenannte Betriebsform dient bei Heritage dazu, zur gegenseitigen Positionierung von Maske und Wafer das Bild einer in der Maske vorgesehenen Prüföffnung mit schon vorhandenen Strukturen des Wafers in Übereinstimmung zu bringen. Hierzu werden wie bei einem Raster-Elektronenmikroskop die am Wafer ausgelösten Elektronen durch einen Detektor registriert; das Detektorsignal wird einem Monitor zugeführt Auf dem Bildschirm des Monitors erscheint dann ein Bild, das sowohl die schon vorhandenen Strukturen wie das Bild der Prüföffnung enthält

Bei Heritage wird die Maske grundsätzlich mit achsparallelen Strahlen beleuchtet Wegen des Öffnungsfehlers der letzten Kondensorlinse ist das jedoch nicht exakt möglich; Heritage sieht daher bei integraler Beleuchtung der Maske eine Defokussierung der letzten Kondensorlinse vor, durch die deren öffnungsfehler für den äußeren Rand der Maske kompensiert und die Verzeichnung des Bildes vermindert wird.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, die optischen Fehler eines Gerätes der eingangs genannten Art zu vermindern und damit die zur Verkleinerung des Schaltungsmusters nutzbare Bildpunktzahl zu erhöhen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Maske divergent beleuchtet ist, derart, daß jeweils ein im Abstand R von der optischen Achse auf die Maske auftreffender Korpuskularstrahl einen Winkel β (im Bogenmaß) mit der optischen Achse bildet, der zumindest annähernd der Bedingung

genügt.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist im Prinzip folgende:

Ein Strahl, der von einem Punkt der Maske ausgeht, durchsetzt bei divergenter Beleuchtung die Mittelebene der langbrennweitigen Zwischenlinse in einem Punkt, der weiter von der Achse entfernt ist als bei paralleler Beleuchtung. Die durch die Zwischenlinse verursachten geometrischen (Seideischen) Fehler werden also größer. Der gleiche Strahl durchsetzt die Abbildungslinse in einem Punkt, der achsriäher ist als bei paralleler Beleuchtung; hier werden also die Fehler geringer. Die

Vergrößerung des Achsabstandes in der Zwischenlinse und die Verringerung des Achsabstandes in der Abbildungslinse haben den gleichen Betrag; da aber die Abstandsänderung relativ zum Iinsendurciunesser bei der Abbildungslinse größer ist als bei der Zwischenlinse, ergibt sich insgesamt eine Abnahme der geometrischen Fehler und damit eine Erhöhung der nutzbaren Bildpunktzahl um etwa den Faktor 2.

Die Erfindung ist sowohl bei Gesamtbeleuchtung als auch bei resterfönniger Bestrahlung der Maske mit einem eine Sonde bildenden Strahlenbündel anwendbar. Im zweiten Falle gilt die Beziehung (1) für denjenigen Winkel ß, den der Zentralstrahl des Strahlenbündels beim Auftreffen auf die Maske mit der optischen Achse bildet

Bei integraler Beleuchtung der Maske läßt sich die Divergenz der einfallenden Strahlen dadurch erzielen, daß ein vor der letzten Kondensorlinse erzeugtes Bild der Strahlquelle hinter deren vorderer Brennebene Hegt Bei rasterförmiger Bestrahlung der Maske mit einer Sonde kann man zu demselben Zweck das erforderliche Ablenksystem zwischen der letzten Kondensorlinse und deren vorderer Brennebene anordnen; statt dessen kann man vor der letzten Kondensorlinse auch zwei entgegengesetzt erregte Ablenksysteme vorsehen, von denen das in Strahlrichtung zweite die Sonde rasterförmig über die Maske führt und das erste eine Versetzung des Strahls gegenüber der Geräteachse verursacht

Durch den öffnungsfehler der letzten Kondensorlinse' wird der Einfallwinkel β insbesondere für achsferne Strahlen vermindert Diese Abweichung kann durch den Strahlengang im Kondensorlinsensystem kompensiert werden, insbesondere derart, daß der Einfluß des Öffnungsfehlers für Strahlen, die den äußeren Rand der Maske treffen, aufgehoben ist Bei rasterförmiger Bestrahlung ist es sogar möglich, den öffnungsfehler der letzten Kondensorlinse nicht nur für eine ringförmige Zone der Maske, sondern für die gesamte Maskenfläche dynamisch zu kompensieren.

In den F i g. 1, 3 und 4 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Anhand von Fig.2 wird die obengenannte Beziehung für den Winkel β abgeleitet

Das in F i g. 1 dargestellte Gerät 1 besteht aus einer Elektronenquelle 2, einem dreistufigen Kondensorlinsensystem 3 mit den Linsen a, b und c und einem Projektionslinsensystem 6, das aus einer langbrennweitigem Zwischenlivrse 7 und einer kurzbrennweitigen Abbildungslinse 8 zusammengesetzt ist Der Strahlengang des Projektionslinsensystems 6 ist telezentrisch; die hintere Brennebene der Zwischenlinse 7 und die vordere Brennebene der Abbildungslinse 8 fallen in der Ebene 12 zusammen. Die Linsen 7 und 8 sind als magnetische Linsen ausgebildet Sie sind vorzugsweise entgegengesetzt gleich erregt; das bedeutet, daß sie dieselbe Amperewindungszahl besitzen und daß die Richtungen ihrer Magnetfelder zueinander entgegengesetzt sind. Durch diese Art der Erregung in Verbindung mit dem telezentrischen Strahlengang wird erreicht, daß im Projektionslinsensystem der Verdrehungsfarbfehler, bo der Vergrößerungsfarbfehler und die isotrope Verzeichnung zu Null werden und die verbleibenden Fehler zumindest teilweise aufgehoben sind.

Mit 4 ist eine Maske bezeichnet, die verkleinert auf ein Präparat 11, z. B. ein Halbleiterplättchen, abgebildet b5 wird. Die Maske 4 liegt in der vorderen Brennebene 10 der Zwischenlinse 7 und das Präparat 11 liegt in der hinteren Brennebene 9 der Abbildungslinse 8.

In F i g. 1 ist der bekannte Strahlengang gestrichelt angedeutet Hierbei bildet die Kondensorlinse 3b die Strahlquelle in der vorderen Brennebene 13 der letzten Kondensorlinse 3c ab, so daß die beleuchtenden Strahlen parallel zur optischen Achse 5 auf die Maske 4 auftreffen.

Im Gegensatz dazu ist bei dem Strahlengang nach der Erfindung, der in F i g. 1 durchgezogen dargestellt ist die Strahlquelle durch schwächere Erregung der Kondensorlinse 3b hinter der vorderen Brennebene der Kondensorlinse 3c; also um die Strecke ^zdefokussiert, abgebildet Infolgedessen treten die beleuchtenden Strahlen aus der Kondensorlinse 3c divergent mit dem Winkel β gegenüber der optischen Achse 5 aus. Wie aus F i g. 1 unmittelbar zu ersehen ist durchsetzen die Strählen bei divergenter Beleuchtung der Maske 4 die Zwischenlinse 7 mit größerem Achsabstand als bei paralleler Beleuchtung; dagegen verlaufen sie in der Abbildungslinse 8 in größerer Achsnähe.

In Fig.2 sind die beiden Strahlengänge nochmals vergleichend dargestellt Es wird ein Punkt Pder Maske 4 betrachtet, der den Abstand R von der optischen Achse 5 hat Der parallel einfallende Strahl 15 durchsetzt die Mittelebene der Zwischenlinse 7 ebenfalls mit dem Achsabstand R, schneidet die Achse 5 in dem gemeinsamen Brennpunkt Fi, F₂ der Linsen 7 und 8 und verläßt die Linse 8 dann wieder parallel zur Achse 5. In F i g. 2 sind ferner die Brennweiten /i und f₂ der Linsen 7 und 8 eingezeichnet; das Verhältnis f\lf₂ ist der Verkleinerungsmaßstab, mit dem die Maske 4 auf dem Präparat U abgebildet wird.

Wie oben bereits ausgeführt wurde, bewirkt eine divergente Beleuchtung der Maske 4 zwar etwas größere Abbildungsfehler in der Zwischenlinse 7, jedoch wesentlich geringere Abbildungsfehler in der Abbildungslinse 8, so daß insgesamt eine Abbildungsverbesserung durch das Projektionslinsensystem 6 verbleibt. Der folgenden Abschätzung des optimalen Divergenzwinkels β liegt die Überlegung zugrunde, daß bei einem großen Verkleinerungsmaßstab die durch die Abbildungslinse 8 verursachten Fehler weit überwiegen und daß daher die Abbildungseigenschaften des Projektionslinsensystems 6 dann am günstigsten sind, wenn die Strahlen die Abbildungslinse 8 in der Mitte, also in der optischen Achse 5, durchsetzen. Der Strahl 16 in F i g. 2 hat diesen Verlauf. Er durchsetzt ebenfalls den Punkt P der Maske 4 und erreicht die Mittelebene der Zwischenlinse 7 mit dem Achsabstand R+AR. Wegen der telezentrischen Optik verlaufen die Strahlen 15 und 16 zwischen den Linsen 7 und 8 parallel zueinander; daher ist die Strecke, um die der Strahl 16 gegenüber dem Strahl 15 in der Mittelebene der Linse 8 nach links gerückt ist, ebenfalls gleich AR. Man erkennt aus F i g. 2 unmittelbar, daß

IK

TT

ist. Da andererseits AR das verkleinerte Bild von R ist, gilt

R =

Ix

Demnach ergibt sich die obengenannte Beziehung
rf ^{R L}

Aus F i g. 1 und elementaren Beziehungen der geometrischen Optik läßt sich leicht ableiten, daß zur Erzielung dieses optimalen Divergenzwinkels β eine Defokussierung

(2)

erforderlich ist, wobei /i-die Brennweite der Kondensorlinse 3cist ίο Aus (1) und (2) ergibt sich

\z

(3)

Diese Überlegungen gelten für eine ideale Kondensorlinse 3c Durch den öffnungsfehler einer realen Kondensorlinse 3c entsteht jedoch eine zusätzliche Neigung insbesondere der achsfernen Strahlen

15

ßc, = - C,

Jt

(4)

wobei C₀ die Öffnungsfehlerkonstante der Kondensorlinse 3c ist Durch den öffnungsfehler wird also der beabsichtigte Winkel β nach Gleichung (1) vermindert. Dieser Fehler kann dadurch korrigiert werden, daß Δζ etwas größer gewählt wird als in Gleichung (2) angegeben.

Im folgenden ist Δζ, wie bisher, diejenige Defokussierung, die ohne Berücksichtigung des Öffnungsfehlers zur Erfüllung von (1) erforderlich ist und Δζ' die Defokussierung bei Kompensierung des Öffnungsfehlers. Die Neigungswinkel, die sich ohne Öffnungsfehler bei den Defokussierungen 4z und Δζ' ergeben, sind mit ßbAz bezeichnet Demnach ist

(5)

F¹A. — ßA- — fi

woraus nach (3), (1) und (4) folgt:

R · Iz'

/.^{2 +} Jt

Demnach ist die optimale Defokussierung

■^l''- ⁺

(6)

(7)

40

45

Man erkennt aus (7), daß bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 eine exakte Kompensation des Öffnungsfehlers nur für ein R, also nur für eine Ringzone des Bildes möglich ist; zur optimalen Korrektur wählt man Δζ' mit Vorteil für ein R, das etwa dem Radius der Maske entspricht

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 wird die Strahlquelle durch die letzte Kondensorlinse 3c als punktförmige Sonde auf die Maske 4 abgebildet Vor der linse 3c ist ein magnetisches Ablenksystem 20 angeordnet, das aus zwei senkrecht zueinander angeordneten Spulenpaaren besteht; durch .dieses Ablenksystem wird das Strahlenbündel 17 um' einen Winkel <x aus der Achse 5 abgelenkt und die Sonde rasterförmig über die Maske 4 geführt Dabei wandert das durch die Linsen 7 und 8 erzeugte Bild der Sonde in einem entsprechend verkleinerten Raster über das Präparat 11. Bei dem bekannten Gerät dieser Art liegt das Ablenksystem 20 in der Brennebene F_cder Linse 3c; der Zentralstrahl des abbildenden Bündels verläuft daher zwischen der Linse 3c und der Maske 4 stets parallel zur optischen Achse 5 und durchsetzt die Achse im gemeinsamen Brennpunkt Fi, Fi der Linsen 7 und 8. Bei dem vorliegenden Gerät liegt dagegen das Ablenksystem 20 hinter der Brennebene F_cder Linse 3c, so daß das abbildende Bündel divergent aus der Linse 3c austritt, und zwar derart, daß der Zentralstrahl 21 etwa die Mitte der Linse 8 durchsetzt Das Ablenksystem 20 ist also auch hier um eine Strecke dz»defokussiert«; für den Divergenzwinkel β und die Defokussierung Az gelten ebenfalls die oben angegebenen Beziehungen.

Man kann nun den öffnungsfehler der Kondensorlinse 3c auch bei dieser Ausführungsform dadurch kompensieren, daß man für den größten Radius der Maske 4 durch entsprechende Erregung der Kondensorlinse 3c die optimale Defokussierung Δζ' nach Gleichung (7) wählt Die rasterförmige Abbildung der Maske bietet jedoch die Möglichkeit, den öffnungsfehler nicht nur für ein R, sondern für die gesamte Maskenfläche zumindest annähernd zu kompensieren.

In F i g. 3 ist die Linsenstromversorgung der Kondensorlinse 3c mit 25 bezeichnet; sie gibt einen Strom i_3c an die Wicklung der Linse ab. Der Strom h_c ist konstant und so bemessen, daß sich für kleine Ablenkwinkel <x eine Defokussierung Δζ nach Gleichung (2) ergibt. Das Ablenksystem 20 wird durch den Rastergenerator 26 mit dem Strom /20 erregt Der Rastergenerator 26 steuert ferner einen Verstärker 27, der einen vom Ablenkwinkel ot abhängigen Zusatzstrom Ai_ic an die Wicklung der Linse 3c abgibt Der Zusatzstrom Akc ist negativ, so daß die Erregung der Linse 3c bei Vergrößerung von λ vermindert und damit die Defokussierung Δζ vergrößert wird. Da Δζ' gemäß Gleichung (7) von R² abhängt, ist der Verstärker 27 vorzugsweise so ausgelegt, daß, wie in F i g. 3 angedeutet Aiic etwa quadratisch von ho abhängig ist

Die Erregung des Ablenksystems 20 ist in Fig.3 vereinfacht nur für ein Ablenkspulenpaar dargestellt. Wird das Strahlenbündel 17 gleichzeitig durch beide Ablenkspulenpaare in x- und y-Richtung abgelenkt, so tritt für die Steuerung des Verstärkers 27 an die Stelle von /20 die Wurzel aus der Summe der Quadrate von i_x und iy.

Wenn die Kondensorlinse 3c, wie in Fig.3 dargestellt einen Eisenmantel aufweist, kann es bei höheren Rasterfrequenzen schwierig sein, die veränderliche Erregungskomponente Ahc einzuführen. In diesem Fall ist es von Vorteil, im Innern der Linse 3c eine in F i g. 3 gestrichelt angedeutete eisenfreie Hilfslinse 3c' anzuordnen, die den Strom Akcführt

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 wird der divergente Einfall des die Sonde erzeugenden Bündels dadurch erzeugt, daß das Ablenksystem gegenüber der letzten Kondensorlinse defokussiert ist Statt dessen kann man auch zur Erzielung der Divergenz ein weiteres Ablenksystem verwenden.

Den beleuchtenden Teil eines derartigen Gerätes zeigt Fig.4. Das Ablenksystem 20 liegt hier in der vorderen Brennebene der letzten Kondensorlinse 3c,-die Strahlquelle 2 wird durch die Linsen Za und 3b ebenfalls in diese Ebene abgebildet Das Strahlenbündel 17 tritt daher aus der linse 3c als Parallelstrahlbündel aus und bildet auf der Maske 4 nicht, wie in F i g. 3, eine punktförmige, sondern eine scheibchenförmige Sonde. Form und Größe dieser Sonde werden durch eine Blende 29 bestimmt Der abbildende Teil ist der gleiche wie in Fig.3; das Bündel 17 vereinigt sich in einem

Punkt der Brennebene der Linse 7, und sein Zentralstrahl verläuft durch die Mitte der Linse 8.

In der vorderen Brennebene der Kondensoriinse 3b ist ein weiteres Ablenksystem 30 vorgesehen, das entgegengesetzt zum Ablenksystem 20 erregt ist und das Strahlenbündel 17 um den Winkel γ aus der Achse herauslenkt. Das Strahlenbündel 17 verläuft daher nach Durchtritt durch die Linse 36 gegenüber der Achse 5 seitlich versetzt und parallel zu ihr. Der Abstand des Zenlralstrahls von der Achse ist in Fig.4 mit r bezeichnet. Aus der Figur ist ersichtlich, daß infolge des Versatzes reine Ablenkung des Strahlenbündels um den Winkel λ einen divergenten Austritt des Bündels aus der Linse 3c mit dem Winkel β bewirkt, da der Punkt, um den das Bündel gekippt wird, nicht in der Achse liegt.

Die Ablenksysteme 20 und 30 werden durch einen gemeinsamen Rastergenerator 31 versorgt, der an das Ablenksystem 20 den Strom Z₂₀ und an das Ablenksystem 30 den Strom

'30= -

'20

abgibt, wobei der Faktor P zunächst als konstant betrachtet werden soll.

Der Faktor P läßt sich wie folgt berechnen, wobei vorausgesetzt ist, daß die Maske 4 in der Brennebene der Linse 3c liegt und die Ablenksysteme 20 und 30 gleich ausgelegt sind, d. h. bei gleicher Erregung um gleiche Winkel ablenken.

Für die Winkel tx, β und γ ergibt sich aus F i g. 4:

X'

Aus (9) und (10) erhält man

IO aus (1) und (8)

R "

Demnach ist

₂₀ also ~7

(10)

(H)

(12)

(13)

(14)

Diese Berechnung gilt wiederum nur für eine ideale Kondensorlinse 3c. Will man deren öffnungsfehler berücksichtigen, so kann man zur Erregung des Ablenksystems 30 dem Strom —P-ha einen gleichgerichteten Zusatzstrom überlagern, der überproportional

jo mit 'μ ansteigt und vorzugsweise von ha² abhängt

Die Erfindung ist nicht auf Geräte mit magnetischen Linsen beschränkt; es können vielmehr auch elektrostatische Linsen verwendet werden. Sie ist auch unabhängig von der Art der zur Abbildung verwendeten Korpuskeln; sie kommt sowohl für elektronen- wie für ionenoptische Geräte in Betracht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

909 631/333

Claims

Patentansprüche:

1. Korpuskularstrahloptisches Gerät zur verkleinernden Abbildung einer Maske auf ein zu bestrahlendes Präparat mit einer die Maske beleuchtenden Strahlquelle, einem Kondensorlinsensystem und einem Projektionslinsensystem aus einer langbrennweitigen Zwischenlinse mit der Brennweite f\ und einer kurzbrennweitigen Abbildungslinse mit der Brennweite /2, deren Abstand gleich der Summe ihrer Brennweiten ist, wobei die Maske in der vorderen Brennebene der Zwischenlinse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (4) divergent beleuchtet ist, derart, daß jeweils ein im Abstand R von der optischen Achse (5) auf die Maske auftreffender Korpuskularstrahl einen Winkel β (im Bogenmaß) mit der optischen Achse bildet, der zumindest annähernd der Bedingung