DE2725959A1

DE2725959A1 - Elektronenstrahl-bearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE2725959A1
Application number: DE19772725959
Authority: DE
Inventors: Eiichi Goto; Masanori Idesawa; Takashi Souma; Kazumitsu Tanaka
Original assignee: Jeol Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: Jeol Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1976-06-11
Filing date: 1977-06-08
Publication date: 1977-12-15
Also published as: JPS52151568A; GB1546533A; FR2354632A1; USRE31630E; DE2725959C3; FR2354632B1; DE2725959B2; US4117340A; JPS5337711B2

Description

Patentanwälte

0 0 0 München 22 Steiηsdοrfstraße 21-22 Telefon 089 / 29 84

B 8328

RIKAGAKU KENKYUSHO 2-1 Hirosawa, Wako-shi, Saitama-ken / Japan

und

NIHON DENSHI KABUSHIKI KAISHA 1418 Nakagami-cho, Akishima-shi, Tokyo 196 / Japan

Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine, insbesondere eine Maschine mit einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit sowie einer großen Bearbeitungsgeschwindigkeit.

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Bei einer Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine, bei der zwei mit polygonalen Öffnungen versehene Blenden über- und unterhalb einer Elektronenstrahl-Ablenkeinheit angeordnet sind, kann ein Elektronenstrahl mit beliebig geformtem Querschnitt erreicht und auf ein Werkstück projiziert werden. Bei dieser Vorrichtung kann die Querschnittsfläche und die Größe des projizierten Elektronenstrahls auf die Form und die Größe der bei der Bearbeitung zu erzielenden Figur oder des Musters abgestimmt werden. Im Vergleich mit den bekannten Vorrichtungen, bei denen das Muster mit einem scharf gebündelten Elektronenstrahl durch Abtastung erzeugt wird, ist es möglich, die Bearbeitungszeit beträchtlich zu verringern. Jedoch ist bei derartigen Vorrichtungen der Ablenkbereich des Elektronenstrahls, das heißt folglich auch der Bearbeitungsbereich, auf 1 mm bis mehrere mm wegen der Verzerrung des elektronenoptischen Systems usw. beschränkt. Aus diesem Grund muß bei Bearbeitung eines Werkstücks, für das ein großes Muster erforderlich ist, der Objekttisch, auf dem das Werkstück befestigt ist, nach jeder Teilbearbeitung schrittweise weiter bewegt werden. Daraus ergeben sich Schwierigkeiten derart, daß bei Beginn der Bewegung und beim Stoppen der Bewegung Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskräfte am Objekttisch auftreten. Diese mechanisch bedingten Schwierigkeiten lassen eine Erhöhung der Schrittfrequenz kaum zu. Nach Anhalten des Objekttisches vibriert dieser für eine kurze Zeit, während welcher der Bearbeitungsvorgang unterbrochen werden muß. Dadurch wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit - obwohl sie größer als bei den bekannten Vorrichtungen ist - auf ein gewisses Ausmaß beschränkt. Für den Fall, daß das Werkstück einen großen Bearbeitungsbereich erfordert, ist ein weiterer Nachteil dieser schrittweisen Bewegung darin zu sehen, daß es Schwierigkeiten bereitet, jedes Einheitsquadrat genau an das andere anzufügen.

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Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, die Bearbeitungszeit für große Muster zu verkürzen und den Bearbeitungsvorgang mit großer Genauigkeit durchzuführen, aas heißt jedes zu bearbeitende Einheitsquadrat genau an das nachfolgende anfügen zu können.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungs gemäß durch Verwendung zweier Blenden und einer Ablenkeinrichtung zur Bildung eines beliebigen Elektronenstrahlquerschnittes, einer Vorrichtung zur fortlaufenden Verschiebung des Werkstückes in Y-Richtung sowie durch eine Spur-Ablenkeinrichtung in Y-Richtung zur Kompensation der Werkstücksverschiebung .

Bei der Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine nach der Erfindung wird also der gewünschte Elektronenstrahlquerschnitt durch zwei Blenden und eine Ablenkeinrichtung erreicht, wobei der Elektronenstrahl mit Hilfe einer Ablenkvorrichtung teilweise und nacheinander Musterbereiche innerhalb einer Vielzahl von Einheitsquadraten auf einem großen Werkstück in X- und Y-Richtung bearbeitet. Das Werkstück wird dabei in Y-Richtung mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung verschoben, wobei der Betrag der Werkstückverschiebung benutzt wird, um die Ablenkvorrichtung für die Y-Richtung und die Bildung des Elektronenstrahlquerschnittes zu steuern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform gemäß der Erfindung in

schematischer Darstellung;

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Fig.2 die Formung des Elektronenstrahlquerschnittes

in schematischer Darstellung;

Fig.3 schematisrhft Darstellungen zur Verdeutlichung der

' ' ' Arbeitsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines wesentlichen

Teils einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 verdeutlicht eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Säule 1, deren Innenraum während des Betriebs unter Vakuum gehalten wird. Eine Elektronenquelle 2 erzeugt einen Elektronenstrahl 3. Eine Austastschaltung 4 liefert ein Austastsignal an eine Austasteinrichtung 5 (Ablenkspulen oder -platten), um einen Durchtritt des Elektronenstrahls durch eine Blende 6 zu verhindern. Der Querschnitt des Elektronenstrahls, der durch die Blende 6 hindurchgelangt, wird, wie in Fig.2 verdeutlicht, anhand der mit polygonalen Öffnungen versehenen Blenden und 8 und einer Ablenkeinrichtung 9, die zwischen den Blenden 7 und 8 angeordnet ist, wahlweise ausgebildet. In Fig.2 ist zusätzlich eine Elektronenlinse zwischen den Blenden angeordnet, so daß das Bild der Blende 7 auf der Blende 8 fokussiert bzw. abgebildet wird. Ein erster Digitalanalogwandler 10 erzeugt ein Signal für die Ablenkeinrichtung 9. Dieses Signal dient zur Bestimmung der Querschnittsfläche des Elektronenstrahls. Das Ausgangssignal eines zweiten Digitalanalogwandlers 11 wird an eine Ablenkeinrichtung 12 gelegt, um eine Ablenkung des Elektronenstrahlquerschnitts in geringem Ausmaß hervorzurufen. Eine Projekt ions linse dient zum Konvergieren des Elektronenstrahls und projiziert ihn auf ein Werkstück 14, das auf einem Objekttisch 15 befestigt ist. Die Auftreffstelle, an der der Elektronenstrahl das Werkstück bestrahlt, wird noch geändert durch Signale aus einer Spur-Ablenkeinrichtung 16, die eine Ablenkeinrichtung 17 für die Y-Richtung

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ansteuert,einer Zeilenablenkschaltung 18, die eine Ablenkeinrichtung ansteuert, welche eine große Ablenkung des Elektronenstrahls hervorruft, sowie durch Signale einer Kompensationsschaltung 20, welche eine Ablenkeinrichtung 21 für die Ablenkung in X-Richtung ansteuert.

Weiterhin wird der Objekttisch 15, auf dem das Werkstück 14 befestigt ist, fortlaufend mit mehr oder weniger konstanter Geschwindigkeit in Y-Richtung durch eine Steuerschaltung 22 bewegt, die einen Antriebsmechanismus 23 und eine Antriebswelle 24, die mit dem Objekttisch verbunden ist, ansteuert. Ein Balg 25 dient zur Aufrechterhaltung des Vakuums in der Säule 1. Die Strecke, auf der der Objekttisch 15 verschoben wird, wird durch ein in Y-Richtung angeordnetes Laserinterferometer 26 und ein in X-Richtung angeordnetes Laserinterferometer 27 festgestellt. Das Ausgangssignal des Interferometers 27 gelangt an die Kompensationsschaltung 20.

Jedesmal, wenn der Objekttisch um eine bestimmte Strecke bewegt wird, erzeugt das in Y-Richtung angeordnete Laserinterferometer einen Taktimpuls, der einer ersten Divisionsschaltung 28 zugeführt wird. Das Ausgangssignal der ersten Divisionsschaltung 28 wird weiterhin einer zweiten Divisionsschaltung 29 und der Zeilenablenkschaltung 18 zugeführt. Das Ausgangssignal der zweiten Divisionsschaltung gelangt sowohl an die Spur-Ablenkschaltung 16 als auch an die Zeilenable nfks ehalt ung 18. Unteressen schickt eine Speicherschaltung 30 ein Signal, das die Daten enthält, die dem Bestrahlungsmuster entsprechen, zu einer Steuerschaltung 22, die wiederum die Information an die Austastschaltung 4 und an die Digitalanalogwandler 10 und 11 weiterleitet.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau sind, wie in Fig. 2 ersichtlich, die Blendenöffnungen der Blenden 7 und 8 rechteckig (250 μΐη χ 250μΐη)

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und der Verkleinerungsmaßstab der Abbildungslinse 11 beträgt 1/10. Demgemäß ergibt sich die maximale Größe des Elektronenstrahlquerschnittes, der auf die Oberfläche des Werkstückes projiziert wird, zu 25 μΐηχ25 μπι. Benutzt man diese maximale Größe (25 μηι χ 25 μΐη) des Elektronenstrahlquerschnittes als ein "Einheitsquadrat", so wird die Oberfläche des Werkstücks 14 bei Bearbeitung des großen Musters

in viele "Einheitsquadrate" Dl, D2, D3, D50 aufgeteilt, wie

in Fig. 4 und 5, die Vergrößerungen der Fig. 3 darstellen, gezeigt ist. Die schraffierten Flächen Ql, Q2, Q3, Q4, ... der Fig. 5 verdeutlichen Elemente des Musters innerhalb der Einheitsquadrate Dl und D2. Jedes dieser Elemente des Musters ist rechteckig ausgebildet und kann mit einem einzigen Abtastschritt des Elektronenstrahls 3 bearbeitet werden. Der Elektronenstrahl 3 besitzt dazu einen entsprechenden Querschnitt, der von dem Ausgangssignal der Steuerschaltung 22 in Verbindung mit dem ersten Digitalanalogwandler 10 und der Ablenkeinrichtung bestimmt wird. Die Speicherschaltung 30 speichert die Informationsdaten hinsichtlich der Lage und der Form jedes einzelnen Musterelements. Die Gesamtzahl dieser Musterelemente ergibt somit das auf dem Werkstück zu bearbeitende große Muster. Weiterhin erzeugt die Zeilenablenkschaltung 18 schrittweise ein Signal für die Ablenkeinrichtung 19, um den Elektronenstrahl 3 um den Betrag eines Einheitsquadrates in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der zweiten Divisionsschaltung 29 in X-Richtung zu bewegen. Ferner wird durch Verschieben des Werkstücks mit Hilfe des Antriebsmechanismus 23 bei einer konstanten Geschwindigkeit in Y-Richtung eine große Fläche, auf der jedes gewünschte Muster bearbeitet werden kann, vollständig durch viele "Einheitsquadrate" abgedeckt.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Ausführungsform detaillierter beschrieben. Der Antriebsmechanismus 23 bewegt mit Hilfe eines Start-

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signals der Steuerschaltung 22 den Objekttisch 15 in Y-Richtung mit einer festgelegten Geschwindigkeit von 5 mm/Sek. Wie ai^i Fig. 6 (a) ersichtlich, erzeugt das in Y-Richtung angeordnete Laserinterferometer 26 bei jeder Bewegung des üL-jokttisches um 0,05 μΐη einen Taktimpuls. Das Interferometer erzeugt 100.000 Taktimpulse pro Sekunde. Zur Steuerung des Elektronenstrahls 3 werden die Taktimpulse der Austastschaltung 4 zugeführt. Mit anderen Worten, die Elektronenstrahlbearbeitung des Werkstücks 14 wird mit diesen Taktimpulsen synchronisiert. Die Steuerschaltung 22 liest anschließend nacheinander die Informationen (Ql - Q2 - Q3 - Q4) und schickt einerseits die Form und die Größe jedes Musterelements kennzeichende Signale an die Ablenkeinrichtung 9 und andererseits Signale, die die Lage jedes Musterelements kennzeichnen, an die Ablenkeinrichtung 12. Gelangen vier Taktimpulse an die Steuerschaltung 22, so werden demgemäß vier Musterelemente (Ql, Q2, Q3, Q4) in dem ersten Einheitsquadrat Dl auf das Werkstück aufgebracht, womit dann die Bearbeitung des ersten Einheitsquadrats abgeschlossen ist. Wie in Fig. 6(c) gezeigt, wird dann der Elektronenstrahl 3 schrittweise in X-Richtung zu dem nächsten Einheitsquadrat D2 durch die Ablenkeinrichtung 19 bewegt. Die Ablenkeinrichtung 19 empfängt dazu ein Ablenksignal von der Ablenkschaltung 18 und der Bearbeitungsvorgang wird wiederholt.

Auf diese Weise werden die Elemente der Muster, die in jedem Einheitsquadrat vorhanden sind, nacheinander durch Bestrahlung bzw. Bearbeitung aufgebracht. Die Signale der Ablenkschaltung 18 sind weiterhin mit den Verschiebeimpulsen gemäß Fig. 6(b) synchronisiert. Diese Verschiebeimpulse werden mit Hilfe der ersten Divisionsschaltung 18 durch Verringerung der Anzahl der Taktimpuise auf 1/10 erzeugt. Demgemäß ist es möglich, bis zu 10 geordnete Musterelemente in jedem Einheitsquadrat zu bearbeiten bzw. der Elektronenbestrahlung auszu-

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setzen. Folglich schickt im Falle von Dl, bei der zur vollständigen Bearbeitung von vier Musterelementen vier Taktimpulse ausreichen, die Steuerschaltung 22 ein Befehlssignal an die Austastschaltung 4, die wiederum während der Zeitdauer, in "ier die restlichen sechs Taktimpulse erzeugt werden, ein Austastsignal an die Ablenkeinrichtung 5 schickt.

Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß ein Taktimpuls das Werkstück um 0,05 μΐΏ in Y-Richtung bewegt. Ist beispielsweise im Falle von Dl die Lage des Ausgangs musters Ql richtig, so bewegt sich das Werkstück um 0,05 pm in Y-Richtung, um die Bearbeitung von Q2 zu ermöglichen. Für die Bearbeitung von Q3 und Q4 bewegt sich das Werkstück um 0,1 μΐη und 0,15 μηι. Da sich der Elektronenstrahl um einen Betrag von 0,05 μΐη auf dem Werkstück entlang der Y-Achse bei jedem erzeugten Taktimpuls bewegt, ist die Lage des Musterelements in besagter Richtung infolge des Signals der Spur-Ablenkschaltung 16 immer exakt. Dies beruht darauf, daß dieses Signal, wie Fig. 6 (a) zeigt, sich schrittweise ändert und an die Ablenkeinrichtung 17 (Ablenkspule) gelegt wird.

Der Objekttisch 15 kann zusätzlich zur Y-Richtung auch in X-Richtung bewegt werden. So wird z.B. im Falle einer ^ltZick-Zack"-Bewegung für das nächste Muster element auf dem Werkstück ein Lagewechsel in X-Richtung erzeugt, der von dem Laser interferometer 27 erkannt wird, dessen Ausgangssignal der Kompensationsschaltung 20 zugeführt wird. Diese wiederum schickt ein Signal an die Ablenkeinrichtung 21 für die X-Richtung, um den bei der Bewegung erzeugten mechanischen Bewegungsfehler zu kompensieren. Zusätzlich werden das Interferometer 27, die Kompensationsschaltung 20 und die Ablenkeinrichtung 21 noch dazu benutzt, um die mechanische Bewegung in X-Richtung während der fortlaufenden mechanischen Bewegung in Y-Richtung wegzukompensieren.

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Auf diese Weise werden aufeinanderfolgende Einheitsquadrate in X-Richtung bearbeitet. Sobald ein Band Bl von 50 Einheitsquadraten mit einer Größe von 25 μη χ 1,25 mm bearbeitet ist (vgl. Fig. 4), wird die Anzahl der Verschiebeimpulse (Fig 6 (b)) auf 1/50 durch die zweite Divisionsschaltung 29 verringert und ein Rücksetzimpuls (Fig. 6 (e)) erzeugt, der die ZeilenablenkschaK ang 18 und die Spur-Ablenkschaltung 16 zurücksetzt. Es ist jedoch ebenso möglich, den gleichen Bearbeitungsvorgang dadurch hervorzurufen, daß das Ausgangssignal der zweiten Divisionsschaltung 29 anstatt des Rücksetzsignals als ein inverses Zeilenablenk signal verwendet wird. Für diesen Fall sind die Einheitsquadrate D51, D52 ... wie in Fig. 3 angeordnet. Demzufolge wird das Werkstück, wenn die Bearbeitung des Bandes Bl abgeschlossen ist, von seiner Ausgangslage um 25 μηι in Y-Richtung bewegt und das nächste zu bearbeitende Band B2 genau daran angefügt. Auf diese Weise werden die zu bearbeitenden Bänder Bl, B2, B3 ... mit einer Breite von 25 μπι und einer Länge von 1,25 mm nacheinander angehängt, bis schließlich das vollständige Muster mit einer Breite von 1,25 mm und einer Länge von mehreren Millimetern bearbeitet ist.

Sind Muster mit einer Breite größer als 1,25 mm zu bearbeiten, so wird zusätzlich ein Antriebsmechanismus in X-Richtung (in Fig. 1 nicht dargestellt) benutzt, um das Werkstück schrittweise 1,25 mm zu bewegen. Für diesen Fall wird der oben erwähnte Bearbeitungsprozeß in der Fläche, die von der gestrichelten Linie P2 in Fig. 3 eingeschlossen wird, wiederholt.

Die Bearbeitungsfläche auf dem Werkstück beim bekannten Bearbeitungssystem, welche sich infolge der großen Flächenverzerrung ergibt, ist in Fig. 7 verdeutlicht. In Fig. 7 zeigt die schraffierte Fläche S den Bereich, um den tatsächlich durch die Ablenkeinrichtung 19 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 abgelenkt worden ist. Die Verzerrungswirkung

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der obigen eindimensionalen Ablenkung ist geringer als die der zweidimensionalen Ablenkung.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kann die große Verzerrungswirkung infolge der großen Ablenkung nicht allein durch eine eindimensionale große Ablenkung vermieden werden. Werden jedoch anstatt einer einstufigen Ablenkeinrichtung 19 mehrere Stufen benutzt, so ist es möglich, die Verzerrungswirkung zu verringern, indem der Strahlwinkel des Elektronenstrahls bei 90° gehalten wird.

Außerdem ist es möglich, auf die Ablenkeinrichtung 17 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 zu verzichten, wenn die Ablenkvorrichtung gemäß Fig. 8 ausgebildet wird. In Fig. 8 wird eine Add it ions schaltung 31 zwischen dem zweiten Digitalanalogwandler 11 und der zur Ablenkung in Y-Richtung dienenden, einen Teil der Ablenkeinheit 12 darstellenden Ablenkplatte 12Y vorgesehen. Außerdem wird das Ausgangssignal der Spur-Ablenkschaltung 16 der Additionsschaltung 31 zugeführt.

Da, wie oben erwähnt, in der ersten Ausführungsform der Antriebsmechanismus 23 das Werkstück mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, sind die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Haltbarkeit des Antriebsmechanismus besser als im Vergleich mit bekannten Ausführungsformen. Da die Elektronenstrahlablenkung durch die den Betrag der Werkstückbewegung entsprechenden Taktimpulse gesteuert wird, wird die Lagegenauigkeit des zu bearbeitenden Musters ungeachtet eines Wechsels der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes weiter verbessert.

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Claims

Patentansprüche

\.y Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine, mit einer Elektronenstrahlquelle, einem elektronenoptischen System zur Konvergierung und Projizierung des Elektronenstrahls auf ein Werkstück, einem Antriebsmechanismus zum Verschieben des Werkstücks in einer bestimmten Richtung (z.B. Y-Richtung), sowie einer Ablenkeinrichtung zur Ablenkung des auf das Werkstück gerichteten Elektronenstrahls mehr oder weniger senkrecht zu der bestimmten Richtung (Y-Richtung), gekennzeichnet durch eine Strahlformungseinrichtung mit zwei mit polygonalen Öffnungen versehenen Blenden (7, 8) und einer zwischen den beiden Blenden angeordneten Ablenkeinrichtung (9) zur Ausbildung eines polygonalen Elektronenstrahlquerschnitts mit gewünschter Gestalt.
2. Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Taktimpulsgeber (26, 27) Synchronisiersignale zur Ansteuerung der Ablenkeinrichtung (17, 19 und 21) liefern.
3. Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den beiden Blenden (7, 8) vorgesehene Ablenkeinrichtung (9) durch den Taktimpulsgeber (26) gesteuert ist.
4. Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Taktimpuls geber (26) ferner eine Austastschaltung (4) angesteuert wird, so daß der Elektronenstrahl aus der normalen Bearbeitungsrichtung auslenkbar ist.

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5. Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der kontinuierlichen Werkstückverschiebung eine Spur-Ablenkeinrichtung (18, 19) zum Ablenken des Elektronenstrahls in die bestimmte Richtung (Y-Richtung) in Abhängigkeit vom Taktimpuls vorgesehen ist.
6. Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück kontinuierlich verschoben wird.
7. Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung des Elektronenstrahls senkrecht zur bestimmten Richtung (Y-Richtung) in einem engen Bandbereich (S) erfolgt.