FR2482780A1 - Dispositif a profiler un faisceau electronique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF A PROFILER UN FAISCEAU ELECTRONIQUE. CE DISPOSITIF COMPREND UNE PREMIERE OUVERTURE 28 ET UNE SECONDE OUVERTURE 30 DANS LESQUELLES UN FAISCEAU ELECTRONIQUE 20 EST FOCALISE PAR UNE PREMIERE LENTILLE ASSUMANT LA FONCTION D'UN CONDENSEUR. DES ELEMENTS, PRODUISANT UNE DOUBLE DEVIATION DU FAISCEAU ET POUVANT COMPRENDRE DES NOYAUX ELECTROMAGNETIQUES 38, 40, 42, 44 OU DES PLAQUES DE DEVIATION ELECTROSTATIQUE, SONT PLACES ENTRE LES PLAQUES 32, 34 A OUVERTURE AFIN QUE L'IMAGE DES DEUX OUVERTURES PUISSE ETRE FOCALISEE SUR LA CIBLE. DOMAINE D'APPLICATION: TRAITEMENT PHOTOLITHOGRAPHIQUE DE GALETTES A SEMI-CONDUCTEURS.

Description

L'invention concerne un dispositif destiné à profiler un faisceau

électronique, et plus particulièrement à profiler la section droite d'un faisceau électronique focalisé pour une exposition lithographique et autre. Le dispositif selon'!inen i permet une sélection de dimensions et de formes du faisceau électronique sur la cible. Des faisceaaux a!ecîtzroniques sont:'::ilisés pour ezposer une r-serve ph tolthographique.ensib apbliquée sur une galette a semi-conducteur de tanière que Jette dernirre puisse Ctre dopâh génralemIaent par implantation ioniqçue, apres l!iminati n des parties non masquantes de la réserve. rn amc!iorant la dîf inition, il est possible de tracser des fignes plus fi.neàs e3t pl-us rapprochées0 mais ces petits spots demandent un temps considérable pour l'exposition de grandee surfaces. La vitesse décriture des

dis-iositifs c assiques de lithographie r. faisceau électro-

iquet dans lesquels limagje réduite d'une source thermo-

ionique d'électrons sert de spot dIécriture0 ne convient pas 0 à la fabrication de circuits de dimensions inférieures au micromètre. On estime qcue la cadence de production dun tel dispositif de l'art antérieur est limitée à 0,1-0,2 niveau de galette par heure dans le cas de galettes de Â0 cm de diamètre avec une dimension caractéristique minimale de 0,5 micromètre et avec une sensibilité de la réserve de coulomb/cm2. Cette limitation, dérive de la luminosité finie des émetteurs thermo-ioniques, de la forme circulaire et diffuse des spots gaussiens et des accroissements des spots par suite des aberrations de sphéricité de la lentille

finale.

Plusieurs autres configurations de colonnes offrent de plus grandes possibilités de travail à des dimensions inférieures au micromètre. Cependant0 chacune de ces configurations comporte également un problème. L'un des

procédés essayés est basé sur la luminosité exceptionnelle-

ment élevée des émetteurs de champ, comme souligné dans les articles suivants: D. Kern, D. Kurz, et R. Speidel, Optik 52, 61 (1978); L. Venerklasen et J. Wiesner "8th International Conf. on Electron and Ion Beam Science and Technology", Seattle (1978); H. P. Kuo et B. Siegel, "8th International Conf. on Electron and Ion Beam Science and Technology", Seattle (1978); et J. E. Wolfe, "15th Symposium on Electron, Ion and Photon Beam Technology", Boston (1979). Ces configurations permettent d'obtenir un spot de densité de courant très élevée par formation de l'image de la source virtuelle d'un émetteur de champ sur le plan de la cible. Le concept de ce procédé est très séduisant, car il ne demande qu'une ou deux lentilles. Cependant, plusieurs contraintes physiques et technologiques rendent difficile l'atteinte des buts recherchés. En premier lieu, la densité de courant du spot doit atteindre des valeurs de plusieurs milliers d'ampères par cm2 pour que des cadences de fabrication de plusieurs niveaux de galettes par heure <dans les conditions indiquées précédemment pour les galettes)

soient obtenues. A de telles densités de courant, l'élargis-

sement de l'énergie, ainsi que les aberrations chromatiques

des lentilles, réduisent la distance de travail à environ 3-

5 cm. En conséquence, la dimension du champ de balayage est très limitée de sorte qu'elle ne peut être utilisée sur une galette de 10 cm. En deuxième lieu, la stabilité de position de la pointe de l'émetteur doit être à peu près égale au diamètre de la source virtuelle qui varie de un à plusieurs dizaines de nanomètres. Dans le cas contraire, le spot d'écriture se déplace sur des distances dépassant son propre diamètre. Il est très difficile de maintenir une pointe d'émetteur dans des tolérances aussi étroites pendant la durée d'une période d'écriture sur une galette (de l'ordre de plusieurs dizaines de minutes). En troisième lieu, l'exposition *d'une réserve avec une sensibilité de

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coulomb/cm, à des densités de courant de plusieurs milliers d'ampères par cm 2, conduit à des temps de séjour du spot de l'ordre de la nanoseconde. Par conséquent, le dispositif de déviation doit pouvoir produire des fréquences de progression pas à pas de presque 1 GHz. Il est extrêmement difficile d'atteindre de telles vitesses avec la haute

précision demandée.

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Un second procédé de lithographie sub-

micrométrique à grande vitesse par faisceau électronique consiste à utiliser des spots profilés. Plusieurs chercheurs ont montré que des spots de profil variable, ayant une bonne définition de leurs bords, permettent d'accroître notablement la vitesse d'écriture possible, comme souligné dans les articles suivants: M. G. R. Thomson, R. J. Collier et D. R. Herriott, "Journal of Vacuum Science Technology 15", 891, (1978); et H. C. Pfeiffer, "Journal of Vacuum Science Technology 15", 887 (1978). En fait, pour des dimensions caractéristiques minimales de 1 à 2 micromètres, ce procédé s'est avéré utilisable en production réelle (voir: G. J. Giuffre, J. F. Marquis, H. C. Pfeiffer, W. Stickel, "15th Symposium on Electron, Ion and Photon Beam Technology",

Boston, (1979>).

L'extension de la technique de profilage du spot aux échelles submicrométriques doit s'accompagner d'une réduction de l'ouverture du faisceau afin d'empêcher des aberrations chromatiques et de sphéricité rendant flou le

bord du spot. Pour une dimension caractéristique minimale de.

0,5 micromètre, on pense que cette contrainte limite les cadences de production à moins de 10 niveaux de galettes par heure (dans les conditions indiquées précédemment pour les galettes) avec des sources de luminosité correspondant à

environ 3x105 ampères par cm2.

Un inconvénient du procédé de profilage du spot réside dans la complexité de son optique électronique. Comme décrit par M. G. R. Thomson et collaborateurs et H. C. Pfeiffer (voir plus haut), les colonnes de profilage du spot comprennent 5 ou 6 lentilles et 2 à 4 groupes de bobines d'alignement du faisceau. Deux des lentilles produisent une image d'ouverture variable, alors que les autres lentilles servent à réduire et projeter le spot profilé sur le plan de la cible. Des bobines d'alignement sont nécessaires, car tout défaut d'alignement entraîne une perte du faisceau, par rapport aux dispositifs gaussiens dans lesquels un défaut d'alignement du faisceau n'entraîne qu'un déplacement du spot.

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Il existe donc un besoin en un dispositif à faisceau électronique réalisant une exposition à ouverture profilée d'une réserve, ce dispositif devant être de configuration simple afin de pouvoir être mécanisé et commandé aisément et à bon marché. L'invention concerne, d'une manière générale, un dispositif à profiler un faisceau électronique comportant un émetteur à filament chaud et une première lentille qui assume la fonction d'un condenseur et qui éclaire des première et seconde ouvertures montées en série. La distance focale du condenseur est telle qu'une image agrandie de la source virtuelle est projetée sur le plan de l'ouverture de la lentille finale. Le faisceau sortant de- la première ouverture est dévié deux fois par un élément double de déviation placé entre les ouvertures afin qu'un profil

d'image choisi puisse être projeté sur la cible.

L'invention a donc pour objet un dispositif à profiler un faisceau électronique, qui utilise une source à filament chaud et qui, par une optique électronique simple, peut projeter un spot de dimension et de profil choisis sur une cible. L'invention concerne également un dispositif à profiler un faisceau électronique capable de profiler un spot

avec seulement trois lentilles.

L'invention a également pour objet un dispositif dans lequel le profil d'un spot est modifié par une double déviation au passage dans deux ouvertures réalisées de, manière à se chevaucher optiquement le long du chemin optique. Les deux ouvertures sont rapprochées de manière que la première ouverture masque la seconde et qu'un système compact de déviation du faisceau soit monté entre ces

ouvertures pour commander le profil du spot.

L'invention a également pour objet un dispositif à profiler un faisceau électronique, destiné à accroître la vitesse d'écriture des systèmes d'exposition d'une réserve à un faisceau électronique par l'écriture de petits éléments de motif à l'aide de petits spots et de grands éléments de motif à l'aide de spots plus importants. Le faisceau est dévié latéralement entre deux ouvertures rapprochées et disposées de manière que la première ouverture masque directement la

seconde ouverture.

L'invention concerne également une colonne à faisceau électronique et spot de profil variable, de comlei% notalniemet duite et ctOnCl poulr permettre une grande vitesse d eapositiroFe Dans ce dispostif les ouvertures sont si Zproches que, en labsence dJune lentile platce er elles, il est poissf;!e de former des !mages de ces deus uvert-ures avec une nettet suffisante sur ! le plan de la clb!e Las 3!lcments de déviation du faisceaU sont" 7lcs es te-!es ouverturei et a r uisent une double yvia6onafin eue! ang!e dTc iraJg e e.a seconde ouertu puisse eter constant pendant c que le faisceau est déi de anire jue!-a densité -e tcourant sur la cible ne 77arfe pas lorsque la dimension eu spot varie. LinventSion sera décrite plus en détail en regard des dessins annenés à titre d"ememples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure i est une coupe longitudinalie et à peu

'près centrale d'une colonne dlerposition à faisceau électro-

nique comportant le dispositif - profiler le faisceau selon l invention e la figure 2 est une vue en perspective à échelle agrandie des ouver.tures et des bobines de déviation du dispositif montré sur la figure 1 e la figure 3 est une coupe axiale partielle et à échelle agrandie montrant en détail le faisceau passant par les ouvertures; la figure 4 est un schéma montrant le cheminement des rayons dans l'optique électronique du dispositif selon l'invention; les figures 5A à 5D montrent certains des profils de spot pouvant être obtenus avec des ouvertures carrées la figure 6 est une coupe longitudinale partielle à échelle agrandie, analogue à celle de la figure 3, d'une autre forme préférée de réalisation du dispositif selon l'invention; et

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la figure 7 est une vue en perspective éclatée d'une autre forme préférée de réalisation du dispositif à profiler un faisceau électronique selon l'invention, la

déviation double du faisceau étant obtenue électrostatique-

ment dans ce dispositif et ce dernier pouvant produire un spot de profil pouvant être choisi parmi plusieurs

configurations non rectangulaires.

Le dispositif à faisceau électronique selon

l'invention est représenté globalement en 10 sur la figure 1.

Ce dispositif comprend un corps 12 à l'intérieur duquel un vide suffisant est fait pour permettre la commande d'unr faisceau. Une source 14 d'électrons à filament chaud comprend un filament de tungstène en forme d'épingle à cheveux qui est polarisé à une tension de 20 kV par rapport à une galette 16 placée sur un support 18 de cible afin que la source constituée par le filament de tungstène produise un faisceau ayant une luminosité correspondant à environ 105 ampères par cm2 stéradian, le diamètre de la source virtuelle au point intermédiaire étant d'environ 50 micromètres. Le faisceau électronique est indiqué en 20 sur les figures 3 et 4. Des bobines magnétiques 22 d'alignement du faisceau sont placées sur le trajet de ce dernier qui descend centralement suivant l'axe de la figure 1 pour arriver à la première lentille 24. Cette première lentille 24 est une lentille magnétique présentant un entrefer magnétique 26. Elle assume la fonction d'un condenseur qui éclaire les deux ouvertures carrées 28 et 30 ménagées, respectivement, dans des plaques 32 et 34. La distance entre la source et les ouvertures et la dimension de ces ouvertures sont choisies de manière que seule l'âme uniformément lumineuse du faisceau à environ 3 rd puisse passer dans les deux ouvertures. La distance focale de la lentille 24 formant le condenseur est réglée pour qu'une image agrandie de la source virtuelle soit projetée sur le plan d'ouverture 36. Une ouverture circulaire 36 de lentille finale sert à limiter les aberrations nettement au-dessous de 0, 1 micromètre et à sélectionner des rayons formant un spot à partir d'une région centrale bien définie du passage par le plan d'ouverture. De cette manière,

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de faibles changements d'alignement n'affectent pas

l'uniformité de l'éclairage du spot.

Le faisceau carré sortant de la première ouverture carrée 28 est dévié par un élément double de déviation à noyaux de ferrite, montré sur les figures 2 et 3. Les noyaux 38 et 40 de ferrite servent à dévier le faisceau latéralement dans le plan du dessin de la figure 3, le premier noyau 38 produisant une déviation latérale du faisceau et le second noyau 40 ramenant le trajet du faisceau dans une direction sensiblement parallèle à l'axe central. De la même manière, des noyaux 42 et 44 de ferrite constituent un élément double de déviation du faisceau électronique,

destiné à dévier le faisceau dans une direction perpendi-

culaire au dessin de la figure 3, le faisceau résultant étant essentiellement parallèle au trajet du faisceau initial, mais décalé latéralement de ce trajet. Selon le degré de la -déviation, une partie plus ou moins grande du faisceau carré sortant de la première ouverture passe dans la seconde ouverture. Le faisceau de. profil variable ainsi obtenu est réduit par des deuxième et troisième lentilles 46 et 48 et il forme une image sur le plan de la cible 16. Etant donné que les deux ouvertures 28 et 30 de profilage sont placées à des distances différentes du plan de la cible, des images nettes

de ces deux ouvertures ne peuvent être formées simultanément.

Un plan intermédiaire de focalisation doit être choisi, ce qui provoque un certain flou des bords. Les bords des ouvertures forment des images analogues à des lignes diffuses d'environ 2 micromètres de largeur. Dans le plan de la cible, o des images réduites de 100:1 sont formées, le flou des bords atteint environ 10 nanomètres. Cette valeur est nettement inférieure à la définition des bords souhaitée dans la plupart des applications. Les aberrations de déviation, résultant de la double déviation, sont encore plus faibles, car l'ouverture du faisceau et les angles de déviation du

faisceau sont faibles.

La figure 5A représente un spot 50 obtenu uniquement par une déviation latérale à l'aide des noyaux 38 et 40, alors que la figure 5D montre un spot 52 dont la

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configuration peut être obtenue par double déviation au moyen

des noyaux 42 et 44. Les spots 50 et 52 sont rectangulaires.

Les spots 54 et 56 montrés sur les figures 5B et 5C sont des carrés de dimensions différentes, pouvant être obtenus par des déviations d'amplitudes différentes au moyen des deux groupes de noyaux de ferrite. Il est évidemment possible de sélectionner un spot carré de dimensions complètes, pouvant être obtenu sans déviation. De petits rectangles peuvent

également être formés par des déviations sélectives.

La figure 6 représente une structure analogue à celle de la première forme de réalisation montrée sur les figures 1 à 5D. Dans le dispositif à faisceau électronique de la figure 6, les deux ouvertures 28' et 30' sont placées entre les bobines de déviation. Ceci permet un rapprochement du foyer, mais le plus grand angle de déviation entraîne d'autres aberrations qui empêchent une amélioration de la définition de l'image. Les éléments de la figure 6 analogues à ceux de la figure 3 portent les mêmes références numériques

suivies du signe prime.

La figure 7 représente une autre forme préférée de réalisation des plaques à ouverture et des éléments doubles de déviation, pouvant être substituée directement aux plaques à ouverture et aux noyaux de ferrite de déviation décrits précédemment. Une plaque 58 -présente une ouverture carrée 60, de même que la plaque 32 à ouverture. Une plaque

inférieure 62 présente une ouverture carrée 64, de même que.

la plaque 34 à ouverture, mais elle présente également d'autres ouvertures -de forme particulière, adjacentes à l'ouverture centrale 64. Les autres ouvertures sont des ouvertures 66 et 68 en forme de chevron et une ouverture circulaire 70. Une double déviation du faisceau est réalisée entre les plaques à ouverture au moyen de plaques de déviation électrostatique, placées dans des supports 72 et 74. Chacun des supports des plaques de déviation porte quatre

plaques de déviation électrostatique, disposées orthogonale-

ment de manière que le faisceau soit dévié deux fois dans chacun des groupes de deux plaques orthogonales. Lorsqu'une petite déviation est réalisée, les formes qu'il est possible de donner au spot sont analogues à celles montrées sur les figures 5A à 5D. Lorsqu'une plus grande déviation est utilisée, l'une des ouvertures en chevron ou l'ouverture circulaire constitue l'ouverture inférieure de manière que le spot d'exposition puisse avoir la forme de chevrons entiers ou partiels, ou bien de cordes de L'ouverture circulaire 7O0 dnt onné que tous les éflments dDoptiue électronicue utilisés rour profiler,.- arier la forme du spot sont ejroupq)îs en u seui esr:!,.e ompact cette J0 structnr peret la réa!isation dUun disposetif A..lA ".i

électronique conact, convenanCt à la lith ographie sub-

microscopique a grande vtesseo il va de s i que de nombreuses modifications peuvCen- tr apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'inventiono

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Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif à profiler un faisceau électronique, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens

destinés à produire un faisceau électronique (20) sensible-

ment colimaté et suivant approximativement un axe central, des première et seconde ouvertures (28, 30) espacées axialement le long de l'axe central, et des moyens destinés à produire une-double déviation du faisceau Xt placés entre Lesdites ouvertures, afin de dévier le faisceau pour que ce le dernier, à sa sortie de la seconde ouverture, suive un trajet sensiblement parallèle à celui du faisceau entrant dans la première ouverture et que le faisceau sortant de la seconde ouverture soit profilé par les bords des première et seconde ouvertures.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire un faisceau électronique comprennent une source (14) d.'électrons

à filament chaud.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une lentille (24), formant un condenseur pour le faisceau électronique, est placée entre le filament

chaud et la première ouverture.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire un faisceau électronique comprennent une lentille (24) formant

un condenseur et placée en amont de la première ouverture.

5.. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que des deuxième et troisième lentilles (46, 48) sont placées en aval de -la seconde ouverture afin de réduire et focaliser sur une cible (16) le faisceau ayant

passé les première et seconde ouvertures.

6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux lentilles (46, 48) sont placées en série en aval de la seconde ouverture afin de réduire et focaliser sur une cible le faisceau ayant passé dans les

première et seconde ouvertures.

7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire une 1i1 24_30 double déviation constituent le seul élément d'optique

électronique placé entre les première et secondéeouvertures.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de déviation double du faisceau électronique comprennent des noyaux électro-

magnétiques (38, 40, 42, 44) de déviation.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de double déviation du faisceau électronique comprennent des plaques doubles de déviation électrostatique, destinées à dévier le faisceau

électronique dans des directions orthogonales.

10. Dispositif selon l'une des revendications 1 et

7, caractérisé en ce que plusieurs ouvertures (66, 68, 70) sont situées à proximité de l'une (62) des plaques à ouverture et en ce que les moyens de déviation peuvent être commandés afin que le faisceau passe au moins partiellement

dans l'une, choisie, desdites ouvertures (66, 68, 70).