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Vielstrahllinse zur Erzeugung mehrerer Korpuskular-
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strahlsonden Die Erfindung betrifft eine Vielstrahllinse zur gleichzeitigen
Erzeugung mehrerer paralleler, auf eine Bildebene fokussierter Korpuskularstrahlsonden.
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Eine derartige Linse ist aus der DE-OS 21 02 592 zur Erzeugung mehrerer
paralleler Mikro-Ionenstrahlen bekannt. Dabei handelt es sich um eine elektrostatische
Fliegenaugenlinse, die aus einer oder mehreren isoliert aufgebauten und elektrostatisch
aufgeladenen Lochplatte(n) bestehen kann. Mit Hilfe dieser Mikro-Ionenstrahlen können
auf einer Halbleiterscheibe (Wafer) viele identische Strukturen gleichzeitig geschrieben
werden. Da ein Großteil der erzeugten Ionen im Monochromator herausgefiltert wird,
ist die letztlich auf den Halbleiter gelangende Intensität so klein, daß es zu erheblichen
Schreibzeiten kommt.
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Es ist weiterhin bekannt, Elektronenstrahlen zur Erzeugung der für
die Halbleiterherstellung notwendigen Strukturen zu verwenden. Die dazu verwendeten
Geräte arbeiten in der Regel mit nur einem Strahl, d. h. nur einer Elektronensonde.
Bei diesem Konzept können nur Bruchteile der von der Kathode emittierten Elektronen
für die Strukturerzeugung verwendet werden, da es bei höheren Strahlstromdichten
in Uberkreuzungsbereichen aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Elektronen zu
einer Energieverbreiterung und damit zu einer Auflösungsverschlechterung käme. Die
Schreibzeiten sind daher ebenfalls sehr groß. Es ist bei derartigen Geräten
auch
schon eine elektrostatische Fliegenaugenlinse bekannt, durch die bei gleichbleibender
Auflösung das ausgeleuchtete Gesichtsfeld auf dem Wafer beträchtlich vergrößert
werden kann (Journal Vacuum Science Technology" 15 (3), 1978, Seiten 1035 bis 1038).
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Durch die elektrostatischen Fliegenaugenlinsen wird bereits die parallele
Benutzung sehr vieler Korpuskularstrahl sonden ermöglicht und damit die Schreibzeit
gegenüber einer Einzelsonde herabgesetzt. Ganz allgemein besitzen aber elektrostatische
Linsen große Linsenfehler.
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Um mit ihnen eine bestimmte Auflösung erreichen zu können, muß die
Apertur M der einzelnen Strahlbündel stark eingeschränkt werden. Hierdurch geht
aber wieder sehr vit Intensität verloren, so daß das angestrebte Ziel einer schnelleren
Strukturerzeugung auf einem Wafer nur teilweise erreicht wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache
Vielstrahloptik anzugeben, mit der die Intensität der einzelnen Sonden gesteigert
und damit die gesamte Schreibzeit für einen Wafer erheblich verkürzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch zwei parallele magnetische Platten mit
mehreren koaxialen Bohrungen gelöst. Die magnetischen Platten sind dabei gemeinsam
aufmagnetisiert. Jedes der Lochpaare bildet dann eine magnetische Einzellinse. Aufgrund
der geringeren Linsenfehler magnetischer Linsen können größere Aperturwinkel und
damit sehr viel höhere Intensitäten als bei vergleichbaren elektrostatischen Vielstrahllinsen
erreicht werden. Eine besonders einfache Ausführung der magnetischen Vielstrahllinse
ergibt sich dadurch, daß für die magnetischen Platten-Permanentmagnete vorgesehen
sind.
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Um gewisse Geräteschwankungen, beispielsweise Abstandsänderungen durch
thermische Ausdehnungen, mit einer Änderung der Brennweite der Einzellinsen kompensieren
zu können, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Platten aus ferromagnetischem
Material bestehen und die Polschuhe einer großen Magnetlinse bilden. Durch Änderung
der Erregung der großen Magnetlinse läßt sich die Brennweite aller Einzellinsen
gleichmäßig verändern.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Abstände zwischen den Platten über deren Querschnitt variiert sind. Damit
wird ermöglicht, Flußänderungen über den Vielstrahllinsenquerschnitt und daraus
resultierende Brennweitenvariationen der Einzellinsen auszugleichen. Beispielsweise
läßt sich ein zu geringer magnetischer Fluß in der Mitte der Vielstrahllinse und
damit eine zu lange Brennweite durch eine Verringerung der Spaltbreite korrigieren.
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Die erfindungsgemäße Vielstrahllinse läßt sich vorteilhaft in einem
Korpuskularstrahlschreiber zur Herstellung hochintegrierter Halbleiterschaltungen
mit einer Korpuskelquelle und einem Kondensorlinsensystem zum Parallelisieren und
Aufweiten des Korpuskularstrahls einsetzen, wenn zur Erzeugung eines großflächigen
Parallelstrahlbündels eine Hybridlinse vorgesehen ist, in deren vordere Brennebene
die Korpuskelquelle abgebildet ist.
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Die Hybridlinse besteht aus einer stromerregten Wicklung, die von
einem Eisenmantel umgeben ist. Der Eisenmantel überdeckt teilweise auch die Stirnflächen
der Wicklung.
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Das magnetische Feld dieser Linse wird in seiner Größe und seiner
Form teilweise durch die Erregung der Wicklung und teilweise durch den Eisenmantel
bestimmt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kondensorlinsen besitzt diese bekannte Hybridlinse
kleinere Linsenfehler, so daß sich
mit ihr ein großflächiges Bündel
paralleler Elektronenstrahlen erzeugen läßt, ohne die Auflösung zu verschlechtem.
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Um mit der Vielzahl der Korpuskularstrahlsonden gleichzeitig eine
Vielzahl identischer Strukturen auf einem Wafer schreiben zu können, muß dieser
relativ zu den Sonden verschoben werden. Aus der DE-OS 21 02 592 ist dazu eine rechnergesteuerte
mechanische Verschiebung des Wafers vorgesehen. Aus der Zeitschrift "Journal Vacuum
Science Technology", 15, 1978, Seiten 1035 bis 1038 ist für die elektrostatische
Fliegenaugenlinse ein System aus gekreuzten Ablenkplatten bekannt, die für jede
Einzellinse praktisch ein eigenes Ablenksystem darstellen.
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Um zu identischen Ablenkwinkeln und damit identischen Verschiebungen
auf dem Wafer zu gelangen, muß dieses elektrostatische Ablenksystem sehr genau und
aufwendig justiert werden. Es darf während des Schreibvorganges keine Relativbewegung
gegenüber der Fliegenaugenlinse, beispielsweise durch Erschütterungen, erfahren.
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Eine vorteilhafte Vereinfachung besteht bei der erfindungsgemäßen
Verwendung der magnetischen Vielstrahllinse in einem Korpuskularstrahlschreiber
darin, daß ein Ablenksystem annähernd in der vorderen Brennebene einer in Strahlrichtung
vor der Hybridlinse liegenden Kondensorlinse angeordnet ist. Durch dieses Ablenksystem
wird das Bild der Korpuskelquelle in der vorderen Brennebene der Hybridlinse verschoben
und damit der gesamte parallele Korpuskelstrahl gekippt. Sämtliche Einzelkorpuskularsonden
werden dadurch auf dem Wafer um die gleiche Strecke in der gleichen Richtung verschoben.
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Gegenüber Geräten mit nur einer einzelnen Elektronenstrahlsonde erhöht
sich bei Verwendung der erfindungs-
gemäßen Vielstrahllinse der
Gesamtsondenstrom, d. h. die Summe der Sondenströme sämtlicher Einzellinsen, um
mehrere Größenordnungen. In gleichem Maße reduziert sich die Schreibzeit. Durch
die Verwendung von gleichzeitig mehreren hundert Sonden zum Schreiben kann die Schreibzeit
beispielsweise für die Fläche eines Wafers mit mehreren cm Durchmesser auf ca. 1
min oder sogar Bruchteile davon verringert werden.
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Anhand von 6 Figuren wird im folgenden die Erfindung näher beschrieben
und erläutert sowie eine Abschätzung des Gesamtsondenstromes durchgeführt.
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Fig. 1 zeigt dabei den prinzipiellen Aufbau einer magnetischen Vielstrahllinse.
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Fig. 2 zeigt die gemeinsame Erregung der Linsenplatten über eine große
Magnetlinse.
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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der magnetischen Vielstrahllinse
mit variierter Spaltbreite.
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Die Fig. 4 zeigt schematisch einen Elektronenstrahlschreiber, in dem
die erfindungsgemäße Vielstrahllinse verwendet wird.
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Anhand der Figuren 5 und 6 wird die Abschätzung der Auflösung, der
Transparenz sowie des Gesamtsondenstromes durchgeführt.
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In Fig. 1 sind mit 1 und 2 zwei magnetische, parallel zueinander ausgerichtete
Platten im Schnitt dargestellt, die eine Reihe koaxialer Bohrungen 3 bis 6 aufweisen.
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Jedes der durch die Bohrungen 3 bis 6 festgelegten Lochpaare bildet
dann eine magnetische Einzellinse. Durch den Pfeil 7 ist beispielhaft die Richtung
des magnetischen Flusses B angegeben. In diesem Ausführungsbeispiel können die beiden
magnetischen Platten 1 und 2 aus Permanentmagneten aufgebaut sein.
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Fig. 2 zeigt eine magnetische Vielstrahllinse, bei der die Magnetplatten
1 und 2 aus ferromagnetischem Material bestehen und als Polschuhe einer großen Magnetlinse
10 ausgebildet sind. Diese Magnetlinse 10 besitzt eine Wicklung 11 und einen diese
Wicklung umschließenden Eisenmantel 12. Der Abstand der beiden Magnetplatten1 und
2 ist über ihren gesamten Querschnitt konstant.
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Durch Änderung des Stromes in der Wicklung 11 kann die magnetische
Erregung und damit die Magnetisierung der beiden Platten 1 und 2 geändert werden.
Entsprechend ändert sich auch die Brennweite der Einzellinsen.
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Fig. 3 zeigt, wiederum im Schnitt, ein magnetisches Plattenpaar 15
und 16, bei dem die untere Platte 16 mit der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Platte
2 identisch ist. Die obere Platte 15 hingegen verändert zur Mitte hin ihre Dicke
derart, daß der Abstand zwischen den beiden Platten 15 und 16 schrittweise von Bohrung
zu Bohrung zur Mitte hin abnimmt. Dadurch wird ein zu geringer magnetischer Fluß
in der Mitte der Vielstrahllinse und eine damit verbundene zu lange Brennweite korrigiert.
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In Fig. 4 ist schematisch ein Vielstrahlelektronenschreiber mit einer
Elektronenquelle 20, einem ersten Kondensor 21, einer Hybridlinse 22 sowie der erfindungsgemäßen
Vielstrahllinse 23 dargestellt. Die Linsen sind in dieser Figur nur durch Pfeile
angedeutet. Die Elektronenquelle 20 wird durch die erste Kondensorlinse 21 in eine
Ebene 24 abgebildet. Diese Ebene 24 stellt gleichzeitig die vordere Brennebene der
nachfolgenden Hybridlinse 22 dar. Durch die erste Kondensorlinse 21 wird die Elektronenquelle
stark verkleinert in die Ebene 24 abgebildet. Gleichzeitig wird dadurch das Elektronenstrahlbündel
25 so stark aufgefächert, daß mit ihm die erfindungsgemäße Vielstrahllinse 23 mit
einem Durchmesser von mehreren cm gleichmäßig ausgeleuchtet werden
kann.
Mit Hilfe einer Aperturblende 26 wird zusammen mit der Dimensionierung der Einzellinsen
die geforderte Auflösung eingestellt. Mit 27 ist die Ebene bezeichnet, auf die die
Einzelelektronenstrahlsonden fokussiert sind.
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Weiterhin ist in dieser Fig. 4 ein Ablenksystem 28 in der vorderen
Brennebene des Kondensors 21 eingezeichnet.
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Als Beispiel sind für die Auslenkung in einer Richtung zwei Magnetspulen
des Ablenksystems dargestellt. Für die Auslenkung in der dazu senkrechten Richtung
müßten zwei weitere Magnetspulen vorgesehen sein. Ebensogut sind auch elektrostatische
Ablenkplatten denkbar. Durch Erregung des Ablenksystems kann das Elektronenstrahlbündel,
wie gestrichelt mit 25' angegeben, derart ausgelegt werden, daß das Bild der Elektronenquelle
in der Ebene 24 aus der Systemachse herausgelenkt wird, so daß das parallele Elektronenstrahlbündel
nach der Hybridlinse um einen Winkel gegen die Systemachse gekippt ist.
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Durch diese Kippung werden sämtliche Sonden in der Bildebene 27 um
den gleichen Betrag in der gleichen Richtung verschoben.
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Auf diese Art und Weise ist es durch Steuerung allein des Ablenksystens28
möglich, eine der Zahl der Vielstrahllinsen entsprechende Zahl von Chips mit identischen
Mustern zu beachten. In der perspektivisch dargestellten Ebene 27 sind beispielhaft
drei Spuren 29, 30 und 31 dreier Einzellinsen der Vielstrahllinse 23 dargestellt.
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Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Fig. 4. Gleiche
Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Durch die Aperturblende 26 wird
aus dem Strahlenbündel 25 ein Bundes mit einem Durchmesser 2r ausgeblendet. Dieses
Bündel fällt auf eine Eleellinqe der
Vielstrahllinse 23 mit den
magnetischen Platten 1 und 2.
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Die Spaltbreite zwischen den Platten ist mit S bezeichnet, der Durchmesser
der koaxialen Bohrung mit D. Das Strahlenbündel 25 wird in die Bildebene 27 fokussiert.
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Die Brennweite der Sinzellinse sei f. Die markierte Strecke g in der
Bildebene 27 gibt die Auflösung der Linse an. a ist der ausgenutzte Aperturwinkel,
der sich wegen der kleinen Winkel zu = = ! ergibt.
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In der Fig. 6 ist in Draufsicht ein Ausschnitt der Vielstrahllinse
23 mit vier Einzellinsen dargestellt. Gestrichelt ist zusätzlich die Chipkantenlänge
L des zu belichtenden Wafers eingezeichnet. Wie man dieser Darstellung entnehmen
kann, ist jedem Chip des Wafers eine Einzellinse zugeordnet, so daß alle Chips gleichzeitig
beschrieben werden können.
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Unter Berücksichtigung allein des Öffnungsfehlers ergibt sich folgende
Auflösung:
Bei schwachen Linsen gilt aus Durandeaus in "Revue d'optique1, t. 40, No. 5, 1961,
Seite 305 veröffentlichw ten Kurven für die Öffnungsfehlerkonstante CÖ
Wie man diesen Kurven weiter entnehmen kann, ist bei einem Verhältnis 5D = 2 der
Wert z1 = 0,5 und bei einem 5 Verhältnis D = 0,5 der Wert z2 = 2.
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Für die Auflösung folgt 7 = 1/2 3 zi.
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Unter der zusätzlichen Annahme, daß der Durchmesser D der Koaxialbohrung
der halben Chipkantenlänge L entspricht, hat die Abbildungsoptik eine Transparenz
T von:
Damit kann ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen erreichbarer Auflösung und Transparenz
der Vielstrahloptik hergestellt werden:
Damit ergibt sich beispielsweise für ein z1 = 0,5 und eine Chipkantenlänge von 5
mm bei einer geforderten Auflösung von etwa 1/um eine Transparenz von 10 Die erfindungsgemäße
magnetische Vielstrahllinse läßt sich ebenso vorteilhaft in Ionenbearbeitungsgeräten,
wie sie beispielsweise aus der DE-OS 21 02 592 bekannt sind, einsetzen und führt
wegen der geringeren Linsenfehler und der damit größeren möglichen Transparenz zu
einer weiteren erheblichen Verkürzung der Schreibzeiten.
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6 Patentansprüche 6 Figuren