DE2725959C3

DE2725959C3 - Elektronenstrahl-Bearbeitungseinrichtung

Info

Publication number: DE2725959C3
Application number: DE2725959A
Authority: DE
Inventors: Takashi Kiyose Tokyo Souma; Kazumitsu Akishima Tokyo Tanaka
Original assignee: Nihon Denshi KK; 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: 1982-02-18
Also published as: JPS5337711B2; FR2354632B1; JPS52151568A; US4117340A; GB1546533A; DE2725959B2; USRE31630E; FR2354632A1; DE2725959A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahl-Bearbeitungseinrichtung mit einer Elektronenstrahlquelle und einer Elektronenoptik zum Konvergieren und Projizieren eines Elektronenstrahls auf ein Werkstück, die zwei Blenden zur Bildung einer bestimmten Strahlquerschnittsform und Ablenkeinrichtungen aufweist.

Bei einer derartigen, aus der DE-AS 11 00 835 bekannten Elektronenstrahl-Bearbeitungseinrichtung wirkt die eine Blende als Aperturblende und die in Strahlrichtung nachgeordnete Blende als Gesichtsfeldblende. Mit diesen Blenden ist es zwar möglich, eine bestimmte Strahlquerschnittsform eines auf ein ruhendes Werkstück gerichteten Elektronenstrahls herzustellen, jedoch läßt sich die Querschnittsform während des Bearbeitens und während des Vorschubs des Werkstücks nicht ändern. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn relativ großflächige Muster auf Werkstücken aufgebracht werden müssen.

Bei der aus der DE-AS 1106 431 bekannten Vorrichtung ist zwischen zwei Blenden ein Ablenkplattenpaar angeordnet. Die, in Strahlrichtung gesehen, erste Blende dient dabei als Lochblende und die zweite Blende dient zur Abschirmung. Die Ablenkplatten dienen zur Strahlaustastung und lenken beim Vorhandensein eines Videosignals den Elektronenstrahl so ab, daß er auch durch die zur Abschirmung dienende Blende hindurchtritt und auf das zu bearbeitende Werkstück

ίο auftrifft Eine Änderung des Strahlquerschnitts ist dabei nicht vorgesehen.

Aus der US-PS 36 17 686 ist eine Elektronenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung bekannt bei der zwischen zwei Blenden eine elektrostatische Linse angeordnet ist Durch diese elektrostatische Linse läßt sich der Elektronenstrahl fokussieren oder defokussieren, d. h. es kann ein Wechsel von hoher Strahlungsintensität im mittleren Bereich des Strahlungsdurchmessers gegenüber niedriger Strahlungsintensität am Umfang des Strahlquerschnitts und umgekehrt durchgeführt werden. Der Strahlquerschnitt ändert sich dabei jedoch nicht

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Elektronenstrahl-Bearbeitungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der auch relativ große Bearbeitungsmuster am Werkstück vorgesehen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß in Abhängigkeit vom kontinuierlichen, in eine bestimmte Vorschubrichtung erfolgenden Vorschub des Werkstücks und von dem auf das Werkstück aufzubringenden Muster eine Strahlablenkeinrichtung, die eine Ablenkung des Elektronenstrahls in einem schmalen Bereich senkrecht zur Vorschubrichtung des Werkstücks vornimmt, und eine zwischen den beiden Blenden angeordnete Ablenkeinrichtung für die Änderung des Strahlquerschnitts angesteuert sind.

Bei der Erfindung wird der gewünschte Elektronenstrahlquerschnitt durch zwei Blenden und eine dazwischen angeordnete Ablenkeinrichtung erreicht. Der Elektronenstrahl bearbeitet nacheinander Musterbereiche innernalb einer Vielzahl von Einheitsquadraten auf einem großen Werkstück in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X- und Y- Richtung). Das Werkstück wird dabei in V-Richtung mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung verschoben, wobei der Betrag der Werkstücksverschiebung benutzt wird, um die Ablenkvorrichtungen und die Bildung des Elektronenstrahlquerschnitts zu steuern.
Die Querschnittsfläche und die Größe des projizierten Elektronenstrahls läßt sich auf die Form und die Größe der bei der Bearbeitung zu erzielenden Figur oder des Musters abstimmen. Im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen, bei denen das Muster auf dem Werkstück mit einem scharf gebündelten Elektronenstrahl durch Abtastung erzeugt wird, ist es noch möglich, die Bearbeitungszeit beträchtlich zu verringern. Da der Ablenkbereich des Elektronenstrahls und somit auch der Bearbeitungsbereich wegen der Verzerrung des elektronenoptischen Systems auf 1 mm oder wenige mm beschränkt ist, mußte in herkömmlicher Weise bei Bearbeitung eines Werkstücks, für das ein großes Muster erforderlich ist, der Objekttisch, auf dem das Werkstück befestigt ist, nach jeder Teilbearbeitung schrittweise weiterbewegt werden. Daraus ergaben sich Schwierigkeiten derart, daß bei Beginn der Bewegung und beim Stoppen der Bewegung Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskräfte am Objekttisch auftraten. 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. Diese Schwierigkeiten sind bei der Erfindung beseitigt, da das Werkstück kontinuierlich vorgeschoben wird.

Ausführungsbeispide der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform gemäß der Erfindung in schematiscl.er Darstellung;

F i g. 2 die Formung des Elektronenstrahlquerschnittes in schematischer Darstellung;

Fig.3, 4, 5, 6, 7 schematische Darstellungen zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Ausführungsform gemäß F i g. 1 und

F i g. 8 eine schematische Darstellung eines wesentlichen Teils einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 1 verdeutlicht eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Säule 1, deren Innenraum während des Betriebs unter Vakuum gehalten wird. Die 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 F i g. 2 verdeutlicht, anhand der mit polygonalen öffnungen versehenen Blenden 7 und 8 und einer Ablenkeinrichtung 9, die zwischen den Blenden 7 und 8 angeordnet ist, wahlweise ausgebildet In F i g. 2 ist zusätzlich eine Elektronenlinse zwischen den 3lenden angeordnet, so daß das Bild der Blende 7 auf der Blende 8 fokussiert bzw. abgebildet wird. Ein erster Digitalanalogwandlcr 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 Projektionslinse 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 V-Richtung ansteuert, einer Zeilenablenkschaltung 18, die eine Ablenkeinrichtung 19 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 V-Richtung durch eine Steuerschaltung 22 bewegt, die einen Antriebsmechanismus 23 und eine Antriebswelle 24, die mit dem Objekttisch 15 verbunden ist, ansteuert. Eir Balg 25 dient zur Aufrechterhaltung des Vakuums in der Säule 1. Die Strecke, auf der der Objekttisch 15 verschoben wird, wird durch ein in V-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 V-Richtung angeordnete Laserinterferometer einen Taktimpuls, der einer ersten Divisionsschaltung 28 zugeführt wird. Das Ausgangssigna] der ersten Divisionsschaltung 28 wird weiterhin einer zweiten Divisionsschaltung 29 und der Zeilenablenkschaltung 18 zugeführt Das Ausgangssignal der zweiten Divisionsschaltung 29 gelangt sowohl an die Spur-Ablenkschaltung 16 als auch an die Zeilenablenkschaltung 18. Unterdessen 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 F i g. 2 ersichtlich, die Blendenöffnungen der Blenden 7 und 8 rechteckig (250 μΐη χ 250 μιη) und der Verkleinerungsmaßstab der Projektionslinse 13 beträgt Vio-Demgemäß ergibt sich die maximale Größe des Elektronenstrahlquerschnittes, der auf die Oberfläche des Werkstückes projiziert wird, zu 25 μιη χ 25 μπι. Benutzt man diese maximale Größe (25 μιη χ 25 μπι) des Elektronenstrahlquerschnittes als ein »Einheitsquadrat«, so wird die Oberfläche des Werkstücks 14 bei Bearbeitung des großen Musters in viele »Einheitsquadrate« D1, D 2, D 3,... D 50,... auf geteilt, wie in F i g. 4 und 5, die Vergrößerungen der F i g. 3 darstellen gezeigt ist. Die schraffierten Flächen Qi, Q2, Q3, Q4,... der Fig.5 verdeutlichen Elemente des Musters innerhalb der Einheitsquadrate DX und D 2. 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 9 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 Signa! für die Ablenkeinrichtung 19, um den Elektronenstrahl 3 um den Betrag eines Einheitsquadrates in Abängigkeit 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 V-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 Startsignals der Steuerschaltung 22 den Objekttisch 15 in V-Richtung mit einer festgelegten Geschwindigkeit von 5 mm/Sek. Wie aus F i g. 6(a) ersichtlich, erzeugt das in V-Richtung angeordnete Laserinterferometer 26 bei jeder Bewegung des Objekttisches um 0,05 μπι 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 (Q i-Q2-Q3-Q4) und schickt einerseits die Form und die Größe jedes Musterelements kennzeichnende 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, QA) 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 DI durch die Ablenkeinrichtung !9 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 28 durch Verringerung der Anzahl der Taktimpulse auf V₁₀ erzeugt. Demgemäß ist es möglich, bis zu 10 geordnete Musterelemente in jedem Einheitsquadrat zu bearbeiten bzw. der Elektronenbestrahlung auszusetzen. Folglich schickt im Falle von D1, 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 der 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 μΐη in V-Richtung bewegt. Ist beispielsweise im Falle von DX die Lage des Ausgangsmusters Q1 richtig, so bewegt sich das Werkstück um 0,05 μπι in V-Richtung, um die Bearbeitung von Q 2 zu ermöglichen. Für die Bearbeitung von Q 3 und Q 4 bewegt sich das Werkstück um 0,! μηι und 0,15 μπι. Da sich der Elektronenstrahl um einen Betrag von 0,05 μιη auf dem Werkstück entlang der V-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 F i g. 6(a) zeigt sich schrittweise ändert und an die Ablenkeinrichtung 17 (Ablenkspule) gelegt wird.

Der Objekttisch 15 kann zusätzlich zur V-Richtung auch in X-Richtung bewegt werden. So wird z. B. im Falle einer »Zick-Zacke-Bewegung für das nächste Musterelement auf dem Werkstück ein Lagewechsel in X- Richtung erzeugt, der von dem Laserinterferometer 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 V-Richtung wegzukompensieren.

Auf diese Weise werden aufeinanderfolgende Einheitsquadrate in X-Richtung bearbeitet Sobald ein Band B 1 von 50 Einheitsquadraten mit einer Größe von 25 μτη χ 1,25 mm bearbeitet ist (vgl. Fig. 4), wird die Anzahl der Verschiebeimpulse (F i g. 6(b)) auf V» durch die zweite Divisionsschaltung 29 verringert und ein ι Rücksetz.impuls (Fig.6(e)) erzeugt, der die Zeilenablenkschaltung 18 und die Spur-Ablenkschaltung 16 zurücksetzt. Es ist jedoch ebenso möglich, den gleichen Bearbeitungsvorgang dadurch hervorzurufen, daß das Ausgangssignal der zweiten Divisionsschaltung 29 ίο anstatt des Rücksetzsignals als ein inverses Zeilenablenksignal verwendet wird. Für diesen Fall sind die Einheitsquadrate D51, D52 ... wie in F i g. 3 angeordnet. Demzufolge wird das Werkstück, wenn die Bearbeitung des Bandes B1 abgeschlossen ist von is seiner Ausgangslage um 25 μηι in V-Richtung bewegt und das nächste zu bearbeitende Band B 2 genau daran angefügt. Auf diese Weise werden die zu bearbeitenden Bänder Bi, B2, B3 ... mit einer Breite von 25μηι 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 U5mm zu bearbeiten, so wird zusätzlich ein Antriebsmechanismus in A"-Richtung (in Fi g. 1 nicht dargestellt) benutzt um das Werkstück schrittweise 1,25 mm zu bewegen. Für diesen Fall wird der obenerwähnte Bearbeitungsprozeß in der Fläche, die von der gestrichelten Linie P2 in F i g. 3 eingeschlossen wird, wiederholt
jo Die Bearbeitungsfläche auf dem Werkstück beim bekannten Bearbeitungsystem, weiche sich infolge der großen Flächenverzerrung ergibt ist in F i g. 7 verdeutlicht. In F i g. 7 zeigt die schraffierte Fläche 5 den Bereich, um den tatsächlich durch die Ablenkeinrichtung 19 der Ausführungsform gemäß F i g. 1 abgelenkt worden ist Die Verzerrungswirkung der obigen eindimensionalen Ablenkung ist geringer als die der zweidimensionalen Ablenkung.

In der Ausführungsform gemäß F i g. 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 F i g. 8 ausgebildet wird. In Fig.8 wird eine Additionsschaltung 31 zwischen dem zweiten Digitalanalogwandler 11 und der 7iir Ablenkung in V-Richtung dienenden, einen Teil der Ablenkeinheit 12 darstellenden Ablenkplatte 12 V 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 Bearbeite tungsgeschwindigkeit und die Haltbarkeit des Antriebsmechanismus besser als im Vergleich mit bekannten Ausfühningsformen. Da die Elektronenstrahlablenkung durch die den Betrag der Werkstückbewegung entsprechenden Takthnpulse gesteuert wird, wird die Lagegenauigkeit des zu bearbeitenden Musters ungeachtet eines Wechsels der Bewegungsgeschwindigkeit des • Werkstückes weiter verbessert

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahl-Bearbeitungseinrichtung mit einer Elektronenstrahlquelle und einer Elektronenoptik zum Konvergieren und Projizieren eines Elektronenstrahls auf ein Werkstück, die zwei Blenden zur Bildung einer bestimmten Strahlquerschnittsform und Ablenkeinrichtungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom kontinuierlichen, in eine bestimmte Vorschubrichtung (Y-Richtung) erfolgenden Vorschub des Werkstücks (14) und von dem auf das Werkstück aufzubringenden Muster eine Strahlablenkeinrichtung (12, 19), die eine Ablenkung des Elektronenstrahls in einem schmalen Bereich senkrecht zur Vorschubrichtung des Werkstücks vornimmt und eine zwischen den beiden Blenden (7,8) angeordnete Ablenkeinrichtung (9) für die Änderung des Strahlquerschnitts angesteuert sind.

2. Elektronenstrahl-Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der vom Vorschub des Werkstücks (14) abhängigen Steuerung der Strahlablenkeinrichtung (12, 19), die den Elektronenstrahl senkrecht zur Vorschubrichtung des Werkstücks ablenkt, sowie der zwischen den beiden Blenden (7,8) angeordneten Ablenkeinrichtung (9) ein durch den Vorschub des Werkstücks (14) betätigter Taktimpulsgeber (26,28) vorgesehen ist, dessen Taktimpulse als Synchronisiersignal für die Werkstücksbearbeitung dienen.

3. Elektronenstrahl-Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine an den Taktimpulsgeber (26,28) angeschlossene Austasteinrichtung (4, 5), gesteuert durch das in einem Speicher (30) gespeicherte, auf dem Werkstück (14) aufzubringende Muster, den Elektronenstrahl aus der normalen Bearbeitungsrichtung auslenkt, wenn ein Muster auf dem Werkstück (14) fertiggestellt ist

4. Elektronenstrahl-Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spurablenkeinrichtung (16,17 bzw. 16, 31, \2Y) während der Werkstücksbearbeitung den Elektronenstrahl in der Vorschubrichtung (V-Richtung) des Werkstücks um eine dem Werkstücksvorschub entsprechende Strecke ablenkt.