KR101755577B1 - 애퍼처 어레이 냉각장치를 갖춘 하전 입자 리소그래피 시스템 - Google Patents

애퍼처 어레이 냉각장치를 갖춘 하전 입자 리소그래피 시스템 Download PDF

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마르코 얀-야코 빌란트
알렉산데르 헨드릭 빈센트 반 벤
헨드릭 얀 데 종
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마퍼 리쏘그라피 아이피 비.브이.
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Abstract

타겟의 표면으로 패턴을 전달하기 위한 하전 입자 리소그래피 시스템으로서, 복수의 하전 입자 빔렛들을 발생시키기 위한 빔 발생기(복수의 빔렛들은 컬럼을 정의함), 및 제 1 애퍼처 어레이, 블랭커 어레이, 빔 중단 어레이, 및 투영 렌즈 어레이를 포함하는 복수의 애퍼처 어레이 엘리먼트들을 포함한다. 각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트는 복수의 그룹들로 배열된 복수의 애퍼처들을 포함하고, 상기 애퍼처들은 빔렛들이 애퍼처 어레이 엘리먼트를 통과하도록 하며, 각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트의 애퍼처들의 그룹들은 빔 영역들 사이에 형성되고 빔렛들의 통과를 위한 어떠한 애퍼처들도 포함하지 않는 복수의 논-빔 영역들과는 구별되는 별도의 빔 어레이를 형성하고, 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 빔 영역들은 빔 샤프트들을 형성하도록 정렬되고, 상기 빔 샤프트들 각각은 복수의 빔렛들을 포함하고, 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 논-빔 영역들은 빔렛들이 존재하지 않는 논-빔 샤프트들을 형성하도록 정렬된다. 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트에는 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트를 냉각시키기 위한 냉매의 전달을 위해 적응된 냉각 채널들이 제공되며, 상기 냉각 채널들은 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트의 논-빔 영역 내에 제공된다.

Description

애퍼처 어레이 냉각장치를 갖춘 하전 입자 리소그래피 시스템{CHARGED PARTICLE LITHOGRAPHY SYSTEM WITH APERTURE ARRAY COOLING}
1. 본 발명의 분야
본 발명은 하전 입자 리소그래피 장치(charged particle lithography apparatus)에 관한 것이고, 특히 냉각 시스템을 갖춘 리소그래피 시스템에 대한 애퍼처 어레이(aperture array)에 관한 것이다.
2. 종래 기술의 설명
현재, 대부분의 상업적인 리소그래피 시스템들은 레지스터로 코팅된 웨이퍼와 같은 타겟을 노출시키기 위한 패턴 데이터를 복제하기 위한 수단으로서 광 빔 및 마스크를 이용한다. 마스크리스(maskless) 리소그래피 시스템에서, 타겟 상에 패턴 데이터를 기입(write)하기 위해 하전 입자들의 빔들이 이용된다. 빔렛들은, 예를 들어, 그들을 개별적으로 스위치 온 그리고 스위치 오프시킴으로써 개별적으로 제어되어 요구되는 패턴을 발생시킨다. 상업적으로 허용가능한 처리량으로 동작하도록 설계된 고해상도 리소그래피 시스템들에 대해, 이러한 시스템들의 크기, 복잡도, 및 비용은 난관이 되고 있다.
게다가, 기존의 하전 입자 빔 기술은, 예를 들어, 90㎚ 이상의 임계 치수들을 달성하기 위해 이미지들의 상대적인 경로 패터닝을 위한 리소그래피 시스템들에 적절하다. 그러나, 개선된 성능에 대한 필요성이 커지고 있다. 충분한 웨이퍼 처리량, 예를 들어, 시간당 10 내지 100개의 웨이퍼들을 유지하면서 상당히 더 작은 임계 치수들, 예를 들어, 22㎚를 달성하는 것이 요구되고 있다. 지속적으로 감소하는 피쳐 크기(feature size)들에서 이렇게 큰 처리량을 달성하기 위해, 시스템에 의해 발생된 빔들의 수를 증가시키고, 하전 입자 빔들 내의 전류를 증가시키고, 그리고 빔들 사이의 거리를 감소시키는 것이 필요하다.
하전 입자 빔들은, 단일 빔을 조준하고, 복수의 애퍼처들을 갖는 애퍼처 어레이를 이용하여 조준된 빔(collimated beam)으로부터 다수의 빔들을 발생시킴으로서 생성될 수 있다. 애퍼처 어레이에 충돌하는(impinging) 하전 입자 빔들은, 애퍼처 어레이 내에 상당한 열 부하를 유도하여, 애퍼처 어레이의 변형을 유도할 것이다. 이 변형은, 애퍼처 어레이를 구성하는 재료의 팽창으로 인해 애퍼처 어레이의 치수들의 변화를 초래한다. 이는 별도의 하전 입자 빔들을 생성하는 애퍼처들의 간격(spacing) 및 정렬(alignment)을 변경하며, 정정되지 않는 한, 타겟으로 패턴을 기록할 때 오류들을 초래할 것이다.
본 발명은 타겟의 표면으로 패턴을 전달하기 위한 하전 입자 리소그래피 시스템을 제공함으로써 이러한 문제점을 해결하도록 시도한다. 이 시스템은 복수의 하전 입자 빔렛들을 발생시키기 위한 빔 발생기 ― 상기 복수의 빔렛들은 컬럼(column)을 정의함 ―; 및 제 1 애퍼처 어레이, 블랭커 어레이, 빔 중단 어레이, 및 투영 렌즈 어레이를 포함하는 복수의 애퍼처 어레이 엘리먼트들을 포함한다. 각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트는 복수의 그룹들로 배열된 복수의 애퍼처들 ― 상기 애퍼처들은 애퍼처 어레이 엘리먼트를 통해서 빔렛들을 통과하도록 함 ― 을 포함하고, 여기서 각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트의 애퍼처들의 그룹들은 빔 영역들 사이에 형성되고 빔렛들의 통과를 위한 어떠한 애퍼처들도 포함하지 않는 복수의 논-빔(non-beam) 영역들과는 구별되는 별도의 빔 영역들을 형성하며, 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 빔 영역들은 빔 샤프트들을 형성하도록 정렬되고, 상기 빔 샤프트들 각각은 복수의 빔렛들을 포함하고, 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 논-빔 영역들은 빔렛들이 존재하지 않는 논-빔 샤프트들을 형성하도록 정렬된다. 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트에는 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트를 냉각하기 위해 냉매(cooling medium)의 전달을 위해 적응된 냉각 채널들이 제공되며, 상기 냉각 채널들은 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트의 논-빔 영역 내에 제공된다.
제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트는 컬럼의 축의 방향으로 두께를 그리고 컬럼의 축에 수직하는 방향으로 폭을 갖는 플레이트를 포함할 수 있고, 애퍼처들은 플레이트의 논-빔 영역들 내에서 플레이트의 두께를 관통하여 형성될 수 있고, 냉각 채널들은 플레이트의 논-빔 영역들 내에 내부적으로 형성되고 플레이트의 폭의 방향으로 연장한다. 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트는 컬럼의 축의 방향으로 두께를 그리고 컬럼의 축에 수직하는 방향으로 폭을 갖는 플레이트를 포함할 수 있고, 애퍼처들은 플레이트의 논-빔 영역들 내에서 플레이트의 두께를 관통하여 형성되고, 냉각 채널들은 논-빔 영역들 내에서 플레이트에 부착되고 그리고 플레이트의 폭의 방향으로 연장하는 외부 엘리먼트들 내에 형성되며, 냉각 채널들은 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트에 대한 구조적 지지대를 제공하도록 적응된다.
냉매는 물을 포함할 수 있다. 시스템은 냉각 채널들을 통해서 냉매를 흐르게 하기 위해 냉각수 시스템(coolant system)을 더 포함할 수 있고, 냉각수 시스템은 냉각 채널들을 통해서 냉매의 난류(turbulent flow)를 생성하도록 적응된다.
제 1 애퍼처 어레이는, 애퍼처들 및 냉각 채널들이 그 내부에 형성된 일체형(monolithic) 플레이트의 재료로 형성될 수 있다. 제 1 애퍼처 어레이는 텅스텐의 플레이트, 또는 구리 또는 몰리브덴의 플레이트로 형성된다.
복수의 애퍼처 어레이 엘리먼트들은 또한 전류 제한 애퍼처 어레이(current limiting aperture array) 및 콘덴서 렌즈 어레이(condenser lens array)를 더 포함하고, 이들 각각은 복수의 그룹으로 배열된 복수의 애퍼처들을 포함하고, 상기 애퍼처들은 애퍼처 어레이 엘리먼트를 통해서 빔렛들이 통과하도록 하며, 여기서 각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트의 애퍼처들의 그룹들은 빔 영역들 사이에 형성되고 빔렛들의 통과를 위한 어떠한 애퍼처들도 포함하지 않는 복수의 논-빔 영역들과는 구별되는 별도의 빔 영역들을 형성하고, 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 빔 영역들은 빔 샤프트들을 형성하도록 정렬되고, 상기 빔 샤프트들 각각은 복수의 빔렛들을 포함하고, 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 논-빔 영역들이 그 내부에 빔렛들이 존재하지 않는 논-빔 샤프트들을 형성하도록 정렬된다. 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트는 내장형(integral) 전류 제한 애퍼처 어레이를 포함할 수 있고, 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트의 애퍼처들이 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트의 상부 표면 아래에 오목화된(recessed) 가장 좁은 부분을 갖는다.
제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트에는 빔 발생기를 향해서 대면하는 커브된 상부 표면이 제공될 수 있다. 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트는 교번하고 있는 애퍼처가 없는 영역들 및 애퍼처 영역들로 세분될 수 있고, 각각의 애퍼처 영역은 복수의 애퍼처들을 포함하고, 여기서 커브된 상부 표면은 복수의 애퍼처가 없는 영역들 및 애퍼처 영역들을 에워싼다. 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트의 커브된 상부 표면은 빔 발생기를 향해서 상부 표면 위로 돌출하는 상승된 돔-형상 영역(raised dome-shaped area)을 형성할 수 있고, 또는 빔 발생기에 대면하는 상부 표면 영역 내에 돔-형상 하강부를 형성할 수 있다. 이 시스템은 광축을 가질 수 있고, 커브된 표면은 광축에 중심을 둔 코사인 함수에 따라서 형상화될 수 있다. 커브된 표면의 둘레는 커브된 표면의 높이 보다 실질적으로 더 클 수 있다.
다른 양상에서, 본 발명은 타겟의 표면으로 패턴을 전달하기 위한 복수의 빔렛들을 발생시키기 위한 하전 입자 리소그래피 시스템 내에 이용하기 위해 적응된 애퍼처 어레이 엘리먼트를 포함하고, 상기 애퍼처 어레이는 복수의 그룹들로 배열된 복수의 애퍼처들을 포함하고, 상기 애퍼처들은 애퍼처 어레이 엘리먼트를 통해서 빔렛들이 통과하게 한다. 애퍼처들의 그룹들은 빔 영역들 사이에 형성되고 빔렛의 통과를 위한 어떠한 애퍼처들도 포함하지 않는 복수의 논-빔 영역들과 구별되는 별도의 빔 영역들을 형성하고, 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트에는 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트를 냉각시키기 위한 냉매의 전달을 위해 적응된 냉각 채널들이 제공되고, 상기 냉각 채널들은 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트의 논-빔 영역들 내에 제공된다. 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트는 리소그래피 시스템의 애퍼처 어레이 엘리먼트에 대해 앞서 설명된 임의의 특징들을 포함할 수 있다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 발산하는(diverging) 하전 입자 빔을 발생시키도록 적응된 하전 입자 소스, 상기 발산하는 하전 입자 빔을 굴절시키기 위한 조준 시스템(collimating system) ― 상기 조준 시스템은 제 1 전극을 포함함 ―, 및 제 2 전극을 형성하는 애퍼처 어레이 엘리먼트를 포함하는 하전 입자 빔 발생기를 포함한다. 이 시스템은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 가속 전계(accelerating electric field)를 생성하도록 적응된다. 하전 입자 빔 발생기의 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트는 리소그래피 시스템의 애퍼처 어레이 엘리먼트에 대해 앞서 설명된 임의의 특징들을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 양상들 및 본 발명의 실시예들의 특정 예들이 도면들에 예시된다.
도 1은 하전 입자 멀티-빔렛 리소그래피 시스템의 실시예의 간략화된 개략도이다.
도 2는 도 1의 리소그래피 시스템 내의 빔렛 블랭커 어레이의 실시예의 동작을 나타내는 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 빔렛 블랭커 어레이 내 전극들의 배열들의 개략도들이다.
도 4는 빔렛 블랭커 어레이 내 전극들의 다른 실시예의 개략도이다.
도 5는 빔렛 블랭커 어레이에 대한 컴포넌트들의 토포그래피 배열의 개략도이다.
도 6은 빔렛 블랭커 어레이에 대한 컴포넌트들의 다른 토포그래피 배열의 개략도이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 빔 영역들 및 논-빔 영역들로 분할된 컬럼을 갖는 리소그래피 머신의 개략도들이다.
도 8a 및 도 8b는 진공 챔버 내 애퍼처 어레이 엘리먼트들을 나타내는 리소그래피 머신의 개략도들이다.
도 9는 다수의 서브-빔들 및 다수의 빔렛들을 형성하는 리소그래피 머신의 간략화된 개략도이다.
도 10은 하전 입자 리소그래피 시스템 내 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 전류 및 열 효과를 예시하는 개략도이다.
도 11은 빔 영역들 및 논-빔 영역들을 나타내는 빔렛 블랭커 엘리먼트의 일 실시예의 평면도이다.
도 12는 빔 영역들 및 논-빔 영역들 그리고 냉각 채널들을 갖는 애퍼처 어레이 엘리먼트를 관통하는 단면이다.
도 13, 도 14 및 도 15는 빔 영역들 및 논-빔 영역들 그리고 냉각 채널들을 갖는 애퍼처 어레이 엘리먼트의 다른 실시예의 도면들이다.
도면들을 참조하여 오직 예시의 방식으로 주어진 본 발명의 다양한 실시예들이 이하 설명된다. 이 도면들은 일정한 비율로 그려지지 않으며 오직 예시적인 목적들로만 의도된다.
도 1은 하전 입자 멀티-빔렛 리소그래피 시스템(1)의 실시예의 간략화된 개략도를 나타낸다. 이러한 리소그래피 시스템은, 예를 들어, 미국 특허 제6,897,458호, 제6,958,804호, 제7.084,414호 및 제7,129,502호에 설명되고, 이들은 본 출원의 출원인에게 양도되어 그 전체가 참조에 의해 본원에 통합된다.
이러한 리소그래피 시스템(1)은, 복수의 빔렛들을 발생시키는 빔렛 발생기, 변조된 빔렛들을 형성하기 위해 빔렛들을 패터닝하는 빔렛 변조기, 및 타겟의 표면으로 변조된 빔렛들을 투영시키기 위한 빔렛 투영기를 적절하게 포함한다. 빔렛 발생기는 통상적으로 소스 및 적어도 하나의 빔 스플리터를 포함한다. 도 1의 소스는 실질적으로 동질의(substantially homogeneous), 확장하는 전자 빔(4)을 생성하도록 배열된 전자 소스(3)이다. 전자 빔(4)의 빔 에너지는 약 1 내지 10keV 범위에서 비교적 낮게 유지되는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해, 가속 전압은 낮은 것이 바람직하고, 전자 소스(3)는 접지 전위에서 타겟에 대해 약 -1 내지 -10kV 사이의 전압으로 유지될 수 있지만, 다른 설정들도 또한 이용될 수 있다.
도 1에서, 전자 소스(3)로부터의 전자 빔(4)은 전자 빔(4)을 조준(collimating)하기 위해 조준 렌즈(collimator lens)(5)를 통과한다. 조준 렌즈(5)는 임의의 유형의 조준 옵티컬 시스템(collimating optical system)일 수 있다. 조준 이전에, 전자 빔(4)은 이중 옥타폴(double octopole)(미도시)을 통과할 수 있다. 후속하여, 전자 빔(4)은 빔 스플리터 상에, 도 1의 실시예에서는 (어레이(6) 앞에 다른 애퍼처 어레이들이 존재할 가능성이 있지만)애퍼처 어레이(6)에 부딪친다(impinge). 제 1 애퍼처 어레이(6)는 관통-홀들(through -holes)을 갖는 플레이트를 포함하는 것이 바람직하다. 애퍼처 어레이(6)는 빔의 일부를 차단하도록 배열된다. 부가적으로, 어레이(6)는 복수의 병렬 전자 빔렛들(7)을 생성하기 위해 복수의 빔렛들(7)이 통과하도록 허용한다.
도 1의 리소그래피 시스템(1)은 다수의 빔렛들(7), 바람직하게는 약 10,000 내지 1,000,000개의 빔렛들을 발생시키지만, 그 초과의 또는 그 미만의 빔렛들이 발생되는 것도 물론 가능하다. 다른 공지된 방법들도 또한 조준 빔렛들을 발생시키기 위해 사용될 수 있다는 것에 유의한다. 전자 빔(4)으로부터 서브빔들을 생성하기 위해 그리고 그 서브빔으로부터 전자 빔렛들(7)을 생성하기 위해 시스템에 제 2 애퍼처 어레이가 부가될 수 있다. 이는 서브빔들의 조작을, 더 나아가 다운스트림의 조작을 고려한 것으로, 이는 특히 시스템 내 빔렛들의 수가 5,000개 또는 그 이상일 때 시스템 동작을 위해 유리한 것으로 밝혀졌다.
통상적으로, 변조 시스템(8)으로서 도 1에 나타난 빔렛 변조기는 복수의 블랭커들의 배열을 포함하는 빔렛 블랭커 어레이(9), 및 빔렛 중단 어레이(10)를 포함한다. 블랭커들은 하나 또는 둘 이상의 전자 빔렛들(7)을 편향시킬 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 블랭커들은 더욱 구체적으로 제 1 전극, 제 2 전극 및 애퍼처가 제공된 정전기적 편향기들(electrostatic deflectors)이다. 그후, 전극들이 애퍼처에 걸쳐서 전계를 발생시키기 위한 애퍼처의 대향 측면들에 위치된다. 일반적으로, 제 2 전극은 접지 전극, 즉, 접지 전위에 접속된 전극이다.
블랭커 어레이(9)의 평면 내에서 전자 빔렛들(7)을 포커싱하기 위해, 리소그래피 시스템은 콘덴서 렌즈 어레이(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 1의 실시예에서, 빔렛 중단 어레이(10)는 빔렛들이 통과하도록 허용하기 위한 애퍼처들의 어레이를 포함한다. 자신의 기본 형태의 빔렛 중단 어레이(10)는, 관통-홀들, 다른 형상들도 또한 이용가능할 수 있지만, 통상적으로는 원형 홀들이 제공된 기판을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 빔렛 중단 어레이(10)의 기판은 규칙적으로 이격된 어레이의 관통-홀들을 갖는 실리콘 웨이퍼로부터 형성되며, 표면 차징(surface charging)을 방지하기 위해 금속의 표면층으로 코팅될 수 있다. 일부 추가적인 실시예들에서, 금속은 자연-산화물 표피(native-oxide skin), 예를 들어, CrMo를 형성하지 않는 유형이다.
빔렛 블랭커 어레이(9) 및 빔렛 중단 어레이(10)는 빔렛들(7)을 차단하거나 통과시키게 하기 위해 함께 동작한다. 몇몇 실시예들에서, 빔렛 중단 어레이(10)의 애퍼처들은 빔렛 블랭커 어레이(9) 내의 정전기적 편향기들의 애퍼처들과 정렬된다. 빔렛 블랭커 어레이(9)가 빔렛을 편향시키는 경우, 빔렛은 빔렛 중단 어레이(10) 내의 대응하는 애퍼처를 통과하지 못할 것이다. 대신에, 빔렛은 빔렛 블록 어레이(10)의 기판에 의해 차단될 것이다. 빔렛 블랭커 어레이(9)가 빔렛을 편향시키지 않는 경우, 빔렛은 빔렛 중단 어레이(10) 내의 대응 애퍼처를 통해서 통과할 것이다. 몇몇 대안적인 실시예들에서, 빔렛 블랭커 어레이(9)와 빔렛 중단 어레이(10) 사이의 협력은, 블랭커 어레이(9) 내의 편향기에 의한 빔렛의 편향이 빔렛 중단 어레이(10) 내의 대응하는 애퍼처를 통한 빔렛의 통과(passage)를 초래하게 하지만, 비-편향은 빔렛 중단 어레이(10)의 기판에 의한 장애를 초래하게 한다.
변조 시스템(8)은 제어 유닛(60)에 의해 제공된 입력에 기초하여 빔렛들(7)로 패턴을 부가하도록 배열된다. 제어 유닛(60)은 데이터 저장 유닛(61), 판독 유닛(62) 및 데이터 컨버터(63)를 포함할 수 있다. 제어 유닛(60)은, 시스템의 나머지, 예를 들어 클린 룸의 내부의 외측으로부터 원격으로 위치될 수 있다. 광 섬유들(64)을 이용하여 패턴 데이터를 홀딩하는 변조된 광 빔들(14)이, 섬유 어레이 내의 섬유들의 말단(플레이트(15)로서 개략적으로 도시됨)들로부터 리소그래피 시스템(1)의 전자 옵티컬 부분(electron optical portion)(점선 박스에 의해 참조 번호 18로 개략적으로 나타냄)으로 광을 투영시키는 투영기(65)로 송신될 수 있다.
도 1의 실시예에서, 변조된 광 빔들이 빔렛 블랭커 어레이(9)로 투영된다. 더욱 구체적으로, 광 섬유 말단들로부터의 변조 광 빔들(14)은 빔렛 블랭커 어레이(9) 상에 위치된 대응 광 감지 엘리먼트들 상에 투영된다. 광 감지 엘리먼트들은 광 신호를 상이한 유형의 신호, 예를 들어, 전기 신호로 변환하도록 배열될 수 있다. 변조된 광 빔(14)은 대응하는 광 감지 엘리먼트에 커플링된 하나 또는 둘 이상의 블랭커들을 제어하기 위한 패턴 데이터의 일부를 운반한다. 적절하게, 대응 광 감지 엘리먼트들로 광 빔들(14)을 투영시키기 위해, 투영기(65)와 같은 광 엘리먼트들이 이용될 수 있다. 추가적으로, 적절한 입사각으로 광 빔들(14)의 투영을 허용하기 위해, 미러가 포함될 수 있는데, 예를 들어, 투영기(65)와 빔렛 블랭커 어레이(9) 사이에 적절하게 배치될 수 있다.
투영기(65)는 제어 유닛(60)의 제어 하에서 투영기 위치설정 디바이스(17)에 의해 플레이트(15)와 적절하게 정렬될 수 있다. 그 결과, 빔 블랭커 어레이(9) 내의 광 감지 엘리먼트들과 투영기(65) 사이의 거리도 또한 변화할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광 빔들은 광 도파관에 의해 광 감지 엘리먼트들을 향해서 플레이트로부터 적어도 부분적으로 전달될 수 있다. 광 도파관은, 적절하게는 일 센티미터 미만으로, 바람직하게는 대략 일 밀리미터 정도로 이격된 광 감지 엘리먼트들에 매우 근접한 위치로 광을 안내할 수 있다. 광 도파관과 대응 광 감지 엘리먼트들 사이의 짧은 거리는 광 손실을 감소시킨다. 한편, 하전 입자 빔렛들에 의해 점유될 수 있는 공간으로부터 이격되어 위치된 투영기(65) 및 플레이트(15)의 이용은, 빔렛 외란(beamlet disturbance)이 최소화되고, 그리고 빔렛 블랭커 어레이(9)의 구성이 덜 복잡하게 되는 이점을 갖는다.
빔렛 변조기에서 나오는 변조된 빔렛들은 빔렛 투영기에 의해 타겟(24)의 타겟 표면(13)으로 스폿으로서 투영된다. 빔렛 투영기는 통상적으로, 타겟 표면(13)에 걸쳐서 변조된 빔렛들을 스캐닝하기 위한 스캐닝 편향기 및 변조된 빔렛들을 타겟 표면(13)으로 포커싱하기 위한 투영 렌즈 시스템을 포함한다. 이러한 컴포넌트들은 단일 말단 모듈 내에 존재할 수 있다.
이러한 말단 모듈은 삽입가능한, 교체가능한 유닛으로서 바람직하게 구성된다. 따라서, 이 말단 모듈은 편향기 어레이(11), 및 투영 렌즈 배열(12)를 포함할 수 있다. 삽입가능한, 교체가능한 유닛은 또한 빔렛 변조기에 대해 앞서 논의된 바와 같이 빔렛 중단 어레이(10)를 포함할 수 있다. 말단 모듈을 떠난 이후에, 빔렛들(7)은 타겟 평면에 위치된 타겟 표면(13)에 부딪친다. 리소그래피 애플리케이션들에서, 타겟은 대개 하전-입자 감지층 또는 레지스트 층이 제공된 웨이퍼를 포함한다.
편향기 어레이(11)는 빔렛 중단 어레이(10)를 통과한 각각의 빔렛(7)을 편향시키도록 배열된 스캐닝 편향기 어레이의 형상을 취할 수 있다. 편향기 어레이(11)는 상대적으로 작은 구동 전압들의 적용을 가능하게 하는 복수의 정전기적 편향기들을 포함할 수 있다. 편향기 어레이(11)가 투영 렌즈 배열(12)의 상부에 도시되지만, 편향기 어레이(11)는 또한 투영 렌즈 배열(12) 및 타겟 표면(13) 사이에 위치될 수 있다.
투영 렌즈 배열(12)는, 편향기 어레이(11)에 의한 편향 이전 또는 이후에 빔렛들(7)을 포커싱하도록 배열된다. 바람직하게, 포커싱은 약 10 내지 30 나노미터 직경의 기하학적 스폿 사이즈를 초래한다. 이러한 바람직한 실시예에서, 투영 렌즈 배열(12)는 약 100 내지 500배, 가장 바람직하게는 예를 들어, 300 내지 500배의 가능한 한 큰, 범위의 축소를 제공하도록 배열되는 것이 바람직하다. 이러한 바람직한 실시예에서, 투영 렌즈 배열(12)는 타겟 표면(13)에 가깝게 위치되는 것이 유리할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 빔 투영기는 타겟 표면(13)과 투영 렌즈 배열(12) 사이에 위치될 수 있다. 빔 투영기는 복수의 적절하게 위치된 애퍼처들이 제공된 포일 또는 플레이트일 수 있다. 빔 투영기는, 방출된 레지스트 입자들이 리소그래피 시스템(1) 내의 임의의 감지 엘리먼트들에 도달할 수 있기 전에, 그들을 흡수하도록 배열된다.
따라서, 투영 렌즈 배열(12)는 타겟 표면(13)상의 단일 픽셀의 스폿 사이즈가 정확한 것으로 보장할 수 있으면서, 편향기 어레이(11)는 타겟 표면(13) 상의 픽셀의 위치가 마이크로스케일 단위로 정확한 것임을 적절한 스캐닝 동작들에 의해 보장할 수 있다. 특히, 편향기 어레이(11)의 동작은, 일 픽셀이 궁극적으로 타겟 표면(13)상에 패턴을 구성하는 픽셀들의 그리드에 적합하게 고정하는 것이다. 타겟 표면(13) 상의 픽셀의 매크로스케일 포지셔닝은 타겟(24) 아래에 존재하는 포지셔닝 시스템에 의해 적절하게 실행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
대게, 타겟 표면(13)은 기판의 상부에 레지스트 필름(resist film)을 포함한다. 레지스트 필름의 부분들은 하전된 입자들, 즉, 전자들의 빔렛들의 공급에 의해 화학적으로 변형될 것이다. 그 결과, 그 필름의 조사된 부분은 현상제 내에서 다소 용해가능할 것이며, 이는 웨이퍼 상에 레지스트 패턴을 초래할 것이다. 후속하여, 웨이퍼 상의 레지스트 패턴은, 반도체 제조의 당업계에서 알려진 바와 같이 구현, 에칭 및/또는 증착 단계들에 의해 하부층(underlying layer)으로 전달될 수 있다. 분명하게, 조사가 균일하지 않으면, 균일한 방식으로 레지스트가 발현되지 않을 것이며, 이는 패턴 내에서의 실수들을 유도한다. 이에 따라, 고품질의 투영은 재현가능한 결과를 제공하는 리소그래피 시스템을 획득하는 것과 관련된다. 조사에 있어서의 어떠한 차이도 편향 단계들로부터 초래되지 않아야 한다.
도 2는 도 1의 리소그래피 시스템 내의 빔렛 블랭커 어레이(9)의 실시예의 동작을 개략적으로 나타낸다. 특히, 도 2는 빔렛 블랭커 어레이(9) 및 빔렛 중단 어레이(10)를 포함하는 빔렛 변조기의 일부의 단면도를 개략적으로 나타낸다. 빔렛 블랭커 어레이(9)에는 복수의 애퍼처들이 제공된다. 참조의 편의를 위해, 타겟(24)이 또한 표시되어 있다. 도면은 일정한 비례로 그려지지 않는다.
빔렛 변조기의 도시된 부분은 3개의 빔렛들(7a, 7b 및 7c)을 변조하기 위해 배열된다. 빔렛들(7a, 7b, 7c)은 단일의 소스 또는 단일 서브빔으로부터 기원하는 빔으로부터 발생될 수 있는 단일 그룹의 빔렛들의 부분을 형성할 수 있다. 도 2의 빔렛 변조기는 각각의 그룹에 대한 수렴의 공통 지점 P를 향해서 빔렛들의 그룹을 수렴시키기 위해 배열된다. 수렴의 이 공통 지점 P는 빔렛들의 그룹에 대해 광축 O상에 바람직하게 위치된다.
도 3a는, 빔렛 블랭커 어레이가 수렴의 공통 지점을 향해서 빔렛들의 그룹을 수렴시키도록 배열된, 빔렛 블랭커 어레이 내의 전극들의 배열의 평면도를 개략적으로 나타낸다. 이 실시예에서, 빔렛 블랭커들은 정전기적 변조기들(30)의 형상을 취하며, 각각의 변조기(30)는 제 1 전극(32), 제 2 전극(34), 및 빔렛 블랭커 어레이의 보디를 통해서 연장하는 애퍼처(35)를 포함한다. 전극들(32, 34)은 애퍼처(35)에 걸쳐서 전계를 발생시키기 위해 애퍼처(35)의 대향측들 상에 위치된다. 개별적인 변조기들(30)은 중앙에 위치된 광축 O 둘레로 방사상 배열을 형성한다. 도 3a에 도시된 실시예에서, 전극들(32, 34) 모두는 오목한 형상을 갖고, 이는 전극들(32, 34)의 형상이 원통형 애퍼처들(35)에 합치하게 되도록 한다. 이러한 원통형 애퍼처 형상은 그 자체가 비점수차(astigmatism)와 같은 일정 옵티컬 수차(optical aberration)의 발생을 방지하는데 적합하다.
도 3b는, 빔렛 블랭커 어레이가 수렴의 공통 포인트를 향해서 빔렛들의 그룹들을 수렴시키도록 배열되는, 빔렛 블랭커 어레이 내의 전극들의 대안적인 배열을 나타낸다. 이러한 배열에서, 개별적인 변조기들(30)이 중앙에 위치된 광축 O 둘레로 방사상 배열을 다시 형성한다. 그러나, 개별적인 변조기들(30)은 광축 둘레의 동심원들에 위치되지 않고, 서로에 대해 실질적으로 수직하는 배향들을 갖는 컬럼들 및 로우들에 의해 형성된 어레이로 배치된다. 동시에, 개별적인 변조기들(30)의 전극들(32, 34)은, 이들이 광축 O으로부터 연장하는 방사상 라인들을 따라서 빔렛들을 편향시킬 수 있도록 하는 배향을 갖는다.
도 4는 빔렛 블랭커 어레이 내의 전극들의 또 다른 실시예의 평면도를 개략적으로 나타낸다. 이 실시예에서, 전극들(32, 34)은 애퍼처들(35) 둘레에 다시 위치되지만, 몇몇 변조기들(30)의 제 2 전극들(34)은 단일 스트립으로 통합된다. 변조기들(30)은 로우들로 배열된다. 분리 존(isolation zone)(39)이 변조기들(30)의 제 1 로우(37)와 변조기들(30)의 제 2 로우(38) 사이에 적절하게 존재한다. 분리 존(39)은 바람직하지 않은 방전을 방지하도록 설계된다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따라서 빔렛 블랭커 어레이(9) 내에서 이용될 수 있는 컴포넌트들의 토포그래피 배열의 평면도를 개략적으로 나타낸다. 빔렛 블랭커 어레이는 빔 영역들(51) 및 논-빔 영역들(52)로 분할된다. 빔 영역들(51)은 빔렛들을 수신 및 변조하도록 배열된 영역들을 나타낸다. 논-빔 영역들(52)은 빔 영역들(51) 내의 컴포넌트들을 지지하는데 필요한 컴포넌트들을 위한 영역을 제공하도록 배열된 영역들이다.
빔 영역들(51) 내에 존재하는 컴포넌트들은 변조기들(30)을 포함한다. 변조기들(30)은 도 2 내지 도 4를 참조하여 논의되는 바와 같이 정전 편향기들의 형태를 취할 수 있다.
논-빔 영역들(52) 내의 컴포넌트들은, 예를 들어 도 1을 참조하여 논의된 바와 같은 방식으로, 변조된 광 신호들을 수신하도록 배열된 광 감지 엘리먼트들(40)을 포함할 수 있다. 광 감지 엘리먼트들(40)의 적절한 예시들은 포토다이오드들 및 포토트랜지스터들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 도 5에 나타난 실시예에서의 논-빔 영역들은 디멀티플렉서들(41)을 더 포함한다. 광 감지 엘리먼트들(40)에 의해 수신된 광 신호들은 1개 초과의 변조기(30)에 대한 정보를 포함하기 위해 멀티플렉싱된 신호들일 수 있다. 이에 따라, 광 감지 엘리먼트(40)에 의한 광 신호의 수신 이후에, 광 신호는 그 신호가 디멀티플렉싱되는 디멀티플렉서(41)로 전송된다. 디멀티플렉싱 이후에, 디멀티플렉싱된 신호들은 전용의 전기 접속부들(42)을 통해서 알맞은 변조기들(31)로 포워딩된다.
멀티플렉싱된 광 신호들의 이용 및 광 감지 엘리먼트들(40)과 디멀티플렉서들(41)의 배열의 결과로서, 광 감지 엘리먼트들(40)의 개수는 변조기들(30)의 개수보다 적다. 제한된 수의 광 감지 엘리먼트들(40)을 갖는 것은 논-빔 영역들(52)의 치수들의 축소를 가능하게 한다. 그후, 빔 영역들(51)은 블랭커 어레이 내의 단위 면적 당 변조기들(30)의 수를 증가시키기 위해 더욱 가깝게 함께 위치될 수 있다. 멀티플렉싱되지 않는 실시예들과 비교하여, 동일한 수의 변조기들이 이용되는 경우에 빔렛 블랭커 어레이의 레이-아웃은 더욱 소형이 될 수 있다. 블랭커 어레이의 치수들이 실질적으로 동일하게 유지되는 경우, 더욱 많은 수의 변조기들이 이용될 수 있다. 대안적으로, 논-빔 영역들(52)의 크기를 감소시키는 것 대신에, 멀티플렉싱된 실시예의 이용은 더 큰 광 수용 영역을 갖는 광 감지 엘리먼트들(40)의 이용을 가능하게 할 수 있다. 광 감지 엘리먼트(40) 마다 더 큰 광 수용 영역의 이용은 올바른 광 감지 엘리먼트(40) 쪽으로 광 신호들을 지향시킬 필요가 있는 광학(optics) 상의 복잡도를 저하시켜, 광 수용 구조를 더욱 강건하게 만든다.
도 6에 나타난 바와 같이, 변조기들(30)은 워드라인들(56), 비트 라인들(57) 및 저장 엘리먼트들(58)을 통해서 어드레싱을 허용하기 위해 컬럼들 및 로우들로 적절하게 배열될 수 있다. 이러한 어레이방향 어드레싱은 디멀티플렉서(41)로부터 변조기들(30)로 연장하는 접속부들의 수를 감소시킨다. 예를 들어, 도 6에서, 오직 10개의 접속 라인들만이 존재하는 반면, 개별적인 어드레싱은 25개의 접속 라인들로 하여금 25개의 변조기들(30)을 어드레싱하게 하는 결과를 초래한다. 접속 라인들의 이러한 감소는, 디멀티플렉서(41)와 변조기(30) 사이에서 오작동 접속으로 인한 실패에 덜 예민하게 되기 때문에, 빔렛 블랭커 어레이(9)의 신뢰도를 개선시킨다. 게다가, 접속부들은 이러한 어레이방향 어드레싱 배열로 위치되는 경우에 공간을 덜 점유할 수 있다.
도 7의 (a) 및 (b)는 빔 영역들 및 논-빔 영역들로 분할된 컬럼을 갖는 리소그래피 머신의 개략적인 도면들이며 머신의 엘리먼트들의 일부를 더욱 상세하게 나타낸다. 도 7의 (a)는 캐소드(70a) 및 건 탑재 플레이트(70b)를 갖는 전자 건(70)을 포함하는 하전 입자 소스를 나타내고, 조준 전극(72) 및 일련의 어레이 엘리먼트로서 애퍼처 어레이(6), 콘덴서 렌즈 어레이들(74), 멀티-애퍼처 어레이(75), 빔렛 블랭커 어레이(9), 빔 중단 어레이(10), 및 투영 렌즈 어레이들(12)을 나타낸다.
도 7의 (b)는 이러한 애퍼처 어레이 엘리먼트들을 통한 단면을 나타내는 확대도이다. 나타난 실시예에서, 제 1 애퍼처 어레이(6)는 조준 애퍼처 어레이(6a) 및 전류 제한 어레이(6b)를 포함한다. 이 시스템은 또한 3개의 콘덴서 렌즈 어레이들(74), 멀티-애퍼처 어레이(75), 빔렛 블랭커 어레이(9), 빔 중단 어레이(10), 및 3개의 투영 렌즈 어레이들(12)을 포함한다. 각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트는, 대응 그룹의 빔렛들이 소스로부터 타겟으로 자신의 경로 상에서 통과하는 많은 수의 애퍼처들을 포함하는 빔 영역들, 및 빔렛들을 위한 어떠한 애퍼처들도 갖지 않는 논-빔 영역들을 포함한다. 빔 영역들은 빔렛들을 전달하고 조작하기 위한 구별되는 별도의 영역들을 포함하고, 논-빔 영역들은 다양한 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 기능들의 지원을 위한 컴포넌트들 및 회로를 수용하는데 전용된 구별되는 별도의 영역들을 포함한다.
도 7의 (b)에 예시된 실시예에서, 빔렛들의 수직 컬럼이 빔렛의 궤적을 따라서 각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트의 단일 대응 빔 영역의 애퍼처들을 통해서 통과하도록, 빔 영역들은 다양한 애퍼처 어레이 엘리먼트들 상의 대응 수직 위치들에 위치된다. 나타낸 실시예에서, 빔렛들의 다수의 컬럼들이 존재하는데, 각각의 컬럼은 실질적으로 평행하는 빔렛들을 포함하고, 빔렛들의 서로 다른 컬럼들은 서로에 대해 실질적으로 평행하며, 빔렛들의 각각의 그룹은 각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트의 단일 빔 영역을 통해서 통과한다. 다른 실시예들에서, 컬럼 내의 빔렛들은 평행하지 않을 수 있고, 예를 들어 수렴하거나 분산할 수 있고, 그리고/또는 빔렛들의 컬럼들은 평행하지 않을 수 있다. 논-빔 영역들은 다양한 애퍼처 어레이 엘리먼트들 상의 대응 수직 위치들에 유사하게 위치된다. 결과 구조물은 리소그래피 머신의 투영 컬럼의 대부분의 수직 높이 내에 수직 샤프트들을 생성하며, 하전 입자 빔렛들에 의해 점유된 샤프트와 어떠한 빔렛들도 존재하지 않는 샤프트들이 교번한다. 애퍼처 어레이 엘리먼트들 및 투영 컬럼은, 예를 들어 도 8a 및 도 8b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 진공 챔버 내에 일반적으로 위치된다. 다수의 애퍼처 어레이 엘리먼트들이 메인 진공 챔버 내에서 중간 챔버에 도시되고, 또한 대안적으로, 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트는 중간 진공 챔버 아래에 그리고 외부에 나머지 애퍼처 어레이 엘리먼트들과 함께 중간 챔버 내에 위치될 수 있다.
도 7의 (b)의 실시예에서, 교번하는 빔렛 샤프트들 및 논-빔렛 샤프트들은 투영 컬럼 내 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트(6a)로부터 시작한다. 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트(6a)는 그 내부의 애퍼처들의 배열로 인해 샤프트들을 초기에 생성한다. 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트(6a)는 조준 전극의 일부를 형성할 수 있거나, 조준 전극에 매우 근접하게 위치될 수 있다. 조준 애퍼처 어레이 엘리먼트(6a)는 애퍼처 어레이(6a)의 애퍼처들과 또는 그 애퍼처들의 일부와 정렬된 애퍼처들을 갖는 전류 제한 애퍼처 어레이(6b)와 통합될 수 있다. 이러한 2개의 애퍼처 어레이 엘리먼트들에는, 공통 세트의 냉각 도관들(77)이 제공되고, 이들은 도 7의 (b)에 표시된 것과 같이 물과 같은 냉매의 통과를 위해 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 논-빔 영역들에 위치될 수 있다. 각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트 또는 통합 세트의 애퍼처 어레이 엘리먼트들은 그 자신의 냉각 도관들의 세트를 가질 수 있고, 예를 들어, 냉매의 흐름 레이트에 의해 설정되는 상이한 온도 레벨로 설정된 냉각 세트포인트를 가질 수 있다.
도 7의 (a) 및 (b)의 투영 컬럼에서, 이 컬럼은 본 실시예에서 일 세트의 3개의 콘덴서 렌즈 전극들을 포함하는 콘덴서 렌즈 어레이(74)를 포함한다. 콘덴서 렌즈 전극들(74)로부터의 아래에 멀티-애퍼처 어레이 엘리먼트(75) 및 빔렛 변조기 또는 블랭커 엘리먼트(9)가 있다. 이러한 엘리먼트들의 더 아래에, 광 옵틱 시스템 및 센서를 수용하기 위해 충분한 중간 공간(79)을 가지고, 빔 중단 어레이(10)가 제공되며, 더 아래에는 투영 렌즈 어셈블리(12)가 있다. 빔렛 편향기 어레이들은 도 7의 (a) 및 (b)에서 생략되지만, 빔 중단 어레이 위에 또는 아래에 위치될 수 있다.
이제, 투영 컬럼 그리고 이에 따라 시스템이 빔 샤프트 및 논-빔 샤프트로 부분적으로 세분됨으로써 개선된다. 도 9에 도시된 소스로부터 타겟으로의 투영 컬럼의 간략화된 도면은 각각의 서브-빔으로부터 (애퍼처 어레이(6)에 의해) 다수의 서브-빔들(7a) 그리고 (멀티-애퍼처 어레이(75)에 의해) 다수의 빔렛들(7b)을 형성하는 리소그래피 머신을 나타내며, 서브-빔렛들 및 빔렛들은 논-빔 샤프트들과 교번하는 샤프트들에서 투영 컬럼 내에 배열된다.
빔렛 블랭커 엘리먼트(9)의 위치에서의 빔 샤프트 및 논-빔 샤프트로의 이러한 분할은, 그 논-빔 영역들에서의 광 옵틱, 광 옵틱 센서들 및 연관된 그리고 추가적으로 요구된 전기 회로의 효율적인 공간 합병을 허용한다. 광 옵틱은, 패턴 스트리밍 시스템에서 빔렛 블랭커 엘리먼트, 특히 블랭커 엘리먼트 상에 위치된 광 감지 엘리먼트들로 광 신호들을 안내하는, 자유 공간 광 옵틱뿐만 아니라 광섬유들을 포함할 수 있다.
빔 샤프트 및 논-빔 샤프트는 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트(6)로부터 투영 렌즈 어레이 엘리먼트(12)로 연장할 수 있다. 이러한 연장은 컬럼 공간들뿐만 아니라 그 내부에 위아래로 포함된 엘리먼트들 모두에 관련한다. 모두의 경우들에서, 특히 애퍼처 어레이 엘리먼트들(6a 및 6b), 멀티-애퍼처 어레이(75) 및 블랭커 어레이(9), 및 빔 중지 어레이(10)에서, 논-빔 영역들에는 구조적 지지 엘리먼트들이 바람직하게 제공되어, 강도를 강화시키고 이에 따라 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 기능적 품질을 강화시킨다. 도 7의 (b)에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 지지 엘리먼트들은 투영 컬럼의 2개의 후속 애퍼처 어레이 엘리먼트들에 대해 공통일 수 있다. 구조적 엘리먼트는 또한, 구조적 냉각 엘리먼트, 예를 들어, 냉매에 대한 냉각 도관의 형태로서 기능하도록 적응될 수 있다. 이와 관련하여, 컬럼의 적어도 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트(6)에는 논-빔 영역에서 냉각 도관(77)이 제공된다.
도 10은, 하전 입자 리소그래피 머신의 빔렛이 투영 컬럼의 다양한 애퍼처 어레이 엘리먼트들을 통과함에 따른 그 하전 입자 리소그래피 머신의 빔렛의 전류 및 가열 효과의 일 예를 예시하는 도면이다. 밀리암페어(mA) 단위의 빔렛의 전류 레벨 및 와트(W) 단위의 전압 레벨들이 표시된다. 컬럼의 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트(6a)에서 열 형태로 발생하는 최대량의 전력이 구축될 것이다. 이러한 이유로, 적어도 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트(6a)에는 엘리먼트의 논-빔 영역에 위치된 냉각 엘리먼트들이 제공된다. 애퍼처 어레이 엘리먼트(6a)의 하부에서 또는 이와 통합되어, 컬럼에는 제 2의 기능적으로 전류 제한하는 애퍼처 어레이(6b)가 제공되는데, 정렬된 애퍼처 어레이 엘리먼트는 애퍼처 어레이 엘리먼트(6a) 보다 직경이 작은 애퍼처들을 갖는다. 콘덴서 렌즈 엘리먼트들(5, 74)에는 이전의 전류 제한 애퍼처 어레이 엘리먼트의 직경보다 큰 직경을 갖는 애퍼처들이 제공되어, 이에 따라, 빔렛들로부터의 열이 거의 부가되지 않으며, 어떠한 냉각 공급(cooling provision)도 제공되지 않는다. 또한, 멀티 애퍼처 어레이 엘리먼트(75) 및 블랭커 어레이(9)(도 10에 예시된 실시예에서 단일 유닛으로 통합됨)에 열이 비교적 거의 적재되지 않는다는 것이 명백해질 것이다. 그러나, 멀티-애퍼처 어레이 엘리먼트(75)에 의해 생성된 빔렛들의 품질을 개선시키기 위해, 이러한 엘리먼트 및 블랭커 엘리먼트(9) 각각에는, 마찬가지로, 강성 지지 구조와 통합된, 냉매 도관들의 세트의 형태로 냉각장치들이 제공될 수 있다. 바람직하게, 멀티 애퍼처 어레이 엘리먼트(75) 및 블랭커 엘리먼트(9)에는 공통의 냉각 시스템이 제공된다. 또한, 빔 중단 어레이(10)에는 바람직하게는 그 상부 측에 가능한 한 통합된 냉각 공급이 제공될 수 있다.
도 11은 빔 영역(81)(또한, 애퍼처 영역들로서 지칭됨) 및 논-빔 영역(82)(또한, 논-애퍼처 영역들로서 지칭됨)을 나타내는 빔렛 블랭커 엘리먼트(9)의 평면도이다. 바람직하게, 빔 영역들 및 논-빔 영역들은 빔 영역(81) 그리고 그 폭의 1/2인 논-빔 영역(82), 통상적으로는 4㎜ 폭 그리고 2㎜ 폭으로 구성된 직사각형 샤프트 단면들로 구성된다. 이러한 세트들은 맞대어 포함된 논-빔 영역들 또는 논-빔 샤프트들과 함께 시스템 내에 포함된다.
도 12는 빔/애퍼처 영역들(84) 및 논-빔/논-애퍼처 영역들(85)을 나타내는 애퍼처 어레이 엘리먼트를 관통하는 단면을 나타낸다. 지지 부재로서 내장된 냉각 도관(77)은 다수의 내부 서브-채널들(77a)을 포함하고, 이 다수의 서브-채널들(77a)을 통해서 냉매가 흐른다. 각각의 냉각 도관/지지 부재(77)는 인접 애퍼처 영역들(84) 사이에 위치되는 논-애퍼처 영역(85) 내에 위치된다.
도 13, 도 14 및 도 15는 커브된 상부 표면을 갖는 일체형 플레이트(90)를 포함하는 애퍼처 어레이 엘리먼트(6)의 실시예를 나타낸다. 애퍼처 어레이 엘리먼트(6)의 이러한 실시예는 본원에 설명된 다른 어레이 엘리먼트들과 함께, 본원에 설명된 리소그래피 시스템의 실시예들 중 임의의 실시예에 이용될 수 있고, 통합 유닛으로서 형성된 조준 애퍼처 어레이(6a) 및 전류 제한 애퍼처 어레이(6b)를 포함할 수 있고, 그리고 본원에 설명된 샤프트를 형성하는 함께 정렬된 교번하는 빔 영역 및 논-빔 영역을 포함할 수 있다.
애퍼처 어레이의 상부 표면은 상승된 돔-형상 부분(91)을 형성하기 위해 간단한 볼록 형상으로 상향하여(하전 입자 소스의 방향으로) 커브된다. 커브의 중심은 예를 들어 50㎜의 둘레를 갖는 커브된 단면의 에지 보다 약 3㎜ 더 높을 수 있다. 애퍼처 영역들(84)은 하전 입자 빔을 수용하도록 배열된 영역들을 나타내며, 각각의 애퍼처 영역(84)은 관통 홀들의 형태로 복수의 애퍼처들을 포함한다. 이 실시예에서, 애퍼처 영역들(84)은 도 11에 도시된 블랭커 어레이(9)와 같은 다른 엘리먼트들의 직사각형 형상의 빔 영역들에 일치시키기 위해 직사각형 형상이다(5개의 애퍼처 영역들이 도시되지만, 상이한 개수가 이용될 수 있다). 논-애퍼처 영역들(85)은 애퍼처들이 없는 영역들이며, 애퍼처 영역들(84) 사이에 직사각형 영역들을 형성하고 이 직사각형 영역들은 애퍼처 영역들(84)과 교번한다.
애퍼처 어레이의 상부 표면의 돔형상 부분은 시스템의 광축 둘레에 중심을 둔 코사인 함수를 따라서 상향하여 커브될 수 있다. 이 코사인 형상은 더 나은 빔 수차 감소를 제공하는 것으로 발견되었다. 돔형상 부분(91)의 반경은 하전 입자 빔의 직경 보다 더 큰 것이 바람직하며, 여기서 빔은 애퍼처 어레이의 표면을 교차한다. 다른 실시예에서, 돔형상 부분(91)은 또한 애퍼처 어레이의 상부 표면 내에 돔-형상의 하강부로서 형성될 수 있다.
애퍼처 어레이의 플레이트(90)는 플레이트 내부에 내부적으로 형성된 냉각 채널들(77a)을 포함하고, 이 채널들을 통해서 냉매가 흐를 수 있다. 냉각 채널들은, 각각의 논-애퍼처 영역의 길이를 따라서 연장하는 논-애퍼처 영역들(85)을 통해서 연장한다.
냉매는, 다른 적절한 유체들이 또한 이용될 수 있지만, 물인 것이 바람직하다. 냉매는 채널들 내에 난류(turbulent flow)를 제공하기 위해 채널들(77a)을 통해서 흐르는 것이 바람직하다. 통상적으로, 난류는 훨씬 높은 누셀트 수(Nusselt number)를 갖는다. 이는, 난류 혼합이 흐름의 경계층에서 발생하고, 강화된 열 전달이 채널 벽들로부터 흐름의 내부로 제공된다는 사실로 인한 것이다. 층류(laminar flow)에서는 채널 벽들에 수직하는 어떠한 흐름 컴포넌트도 존재하지 않으며, 이로 인해 그 방향에서 어떠한 열 전달도 냉각 유체 내에서의 훨씬 덜 효과적인 전도를 통해서만 발생한다. 난류에 대한 누셀트 수를 결정하기 위해 몇몇 관계식들이 존재하지만, 일반적으로 누셀트 수는 흐름의 레이놀즈 수(Reynolds number)에 주로 의존한다. 3㎜ 채널 및 10m/s 흐름 속도에 대해, 20℃ 물 흐름에 대한 Re=30000에 대해, 관련 누셀트 수는 190이며, 열 전달 계수는 유체-벽 온도 차이로서 용인가능한 40K이다. 이러한 추정치는, 소용돌이 대류 열 전달(turbulent convective heat transfer)이 애퍼처 어레이에 대한 적당한 열 전달 메커니즘일 수 있다는 것을 나타낸다.
수반되는 기하학적 구조의 제약들을 고려해 볼 때, 애퍼처 어레이로부터 이격하여 효율으로 열을 전달하는 오직 실용적인 방법은 대류(convection)를 통한 것이다. 전도열 전달(Conductive heat transfer)은 애퍼처 어레이 표면으로부터 히트 싱크(예를 들어, 냉각수 채널들)로 열을 이동시키는데 있어서 어느 정도까지는 항상 발생할 것이지만, 대류열 전달로 어느 시점에서 대체되어야만 한다. 층간 대류 열전달(Laminar convective heat transfer)은 불충분할 수 있지만, 난류는 수십도의 합당한 유체-채널 델타 T에서 입력되는 열을 흡수할 수 있다. 2-상 (비등(boiling)) 대류가 또한 이용될 수 있지만, 이는 훨씬 더 복잡하고, 소용돌이 대류(turbulent convection)에 대해 이점을 제공하지 않는다.
냉각수로서 일반적인 물이 선호된다. 물은 "통상적인" 유체를 가장 잘 반영하는 것 중 하나이다. 고압 시스템 및 더욱 광범위한 안전 측정치들을 요구하는 암모니아를 이용하는 것이 더 용이하다. 액체 금속과 비교하여, 오직 갈륨만이 더 잘 수행하지만, 상승된 온도에서의 물은 갈륨의 성능을 충족할 수 있으며, 요구되는 경우, 물은 갈륨보다 훨씬 더 큰 허용가능한 흐름 속도 범위를 가지며, 갈륨의 이용은 고체화, 비용, 부식성, 및 확산성과 같은 다른 문제들을 도입한다.
애퍼처 어레이는, 그 애퍼처 어레이가 단일 유닛으로서 냉각 블록과 통합되도록, 일체형 냉각 블록으로서 구성될 수 있다. 냉각 채널들, 애퍼처들 및 지지 구조는 모두 동일한 재료의 일체형 블록으로 제조될 수 있다. 이러한 설계의 큰 이점은, (하전 입자 소스에 대면하는)커브된 애퍼처 어레이 상부 표면을 허용한다는 것이다. 이러한 만곡(curvature)은 콜리메이터 구면 수차(collimator spherical aberration)에 있어서 현저한 개선을 제공한다.
제 1 애퍼처 어레이(6)는 커브된 상부 표면((예를 들어, 3㎜ 벌지(bulge) 또는 돔형상 부분(91))으로 그리고 직선형 냉각수 채널들(77a)로 구성되어 결과적으로 애퍼처 어레이 엘리먼트의 냉각수 채널들 및 커브된 상부 표면 사이의 거리를 변화시킬 수 있다. 이러한 기하학적 구조는 구면 수차 개선의 이점을 취하지만, 빔 영역들로부터 냉각수 채널들로의 더 큰 열 통로 길이를 초래하고, 그 열 통로 길이를 변화시킨다. 다른 실시예에서, 냉각 채널들은 열 통로 길이들에 있어서의 변화를 감소시키기 위해 돔형상 부분에서의 상부 표면과 유사하게 커브된다.
바람직하게, 애퍼처 어레이는 금속성 재료, 특히, 구리, 몰리브덴 또는 텅스텐으로 형성된다. 구리는 그 자신의 높은 열 전도성을 이유로 바람직하고, 몰리브된 및 텅스텐은 그들 자신의 양호한 열 전도성/팽창비를 이유로 바람직하다.
디스크(90) 및 냉각수 채널들(77a)은 종래의 방법들을 이용하여 제조될 수 있다. 커브된 상부 표면은, 요구된 표면 및 형상 허용오차들에 따라서 종래의 기법들을 이용하여 제조될 수 있다. 애퍼처 어레이의 애퍼처들은 레이저 천공될 수 있고, 또는 레이저 마이크로머시닝이 이용될 수 있다. 옥스포드 레이저는 예를 들어 레이저 천공 시스템들 및 서브-콘트랙팅을 공급한다. 실리콘, 구리, 몰리브덴, 텅스텐 및 다른 재료들의 평평한 플레이트들에서, 100 미크론 직경 홀들의 생산은 실현가능하다. 레지스트 스피닝, 리소그래피 노출 및 에칭 깊이들에 있어서의 어려움으로 인해 커브된 표면을 에칭하는 것은 바람직하지 않다. 그러나, 천공할 너무 많은 수의 홀들(예를 들어, 논-애퍼처 영역 내에서 블라인드 홀들을 포함하여 대략 100,000개의 애퍼처들) 및 500 미크론의 천공 깊이는 추가적인 고려사항으로서, 각각의 어레이를 제조하기 위해 긴 시간을 요구하며, 텅스텐 이용을 선호한다.
천공 기법을 이용하여 냉각 채널들을 제조하는 것은 직선형 채널들을 초래하며, 애퍼처 어레이 엘리먼트의 커브된 상부 표면과 냉각 채널 사이의 거리를 변화하도록 초래한다. 일체형 엘리먼트는 이른바 3D 인쇄 기법을 이용하여 제조될 수 있으며, 이는 커브된 냉각수 채널들을 갖는 구성을 가능하게 한다. 이는 냉각수 채널이 애퍼처 어레이 엘리먼트의 상부 표면의 만곡을 따르도록 허용하여, 애퍼처 어레이의 상부 표면과 냉각수 채널들 사이의 열 통로 길이가 일정하게 형성되도록하여, 결과적으로 애퍼처 어레이 엘리먼트의 빔 영역의 전체에 걸쳐서 냉각수 채널들로 더욱 일정한 열 전달을 초래한다.
애퍼처 어레이가 가열되는 동작에서, 대형-스케일의 z-방향 변형(즉, 리소그래피 컬럼의 축에 대해 평행한 방향에서)은 선대칭 보잉 효과(axisymmetric bowing effect)에 의해 영향받는다. 변형의 비대칭 특성은 커브된 어레이 표면에서 방사상으로 변화하는 온도 경도(temperature gradient)로 인한 것일 수 있다. (중심 40㎜ 직경에 걸친) z-변형에 있어서의 통상적인 변화는 구리에 대해 약 30㎛, 몰리브덴에 대해 20㎛, 그리고 텅스텐에 대해 15㎛이다.
이러한 z-변형이 비교적 높지만, 애퍼처 어레이 상부 표면의 구면 형상이 리소그래피 컬럼의 일부 구성들에서 바람직하고, 표면 형상의 구형 컴포넌트는 변형으로부터 공제될 수 있다. 도 13 내지 도 15의 애퍼처 어레이에 대한 계산들은, 3 미크론 평면도 및 200℃ 미만의 평균 온도를 유지하면서 3400W 열 부하를 소멸시킬 수 있다는 것을 나타낸다. X-Y 방향(즉, 리소그래피 컬럼의 축에 대해 수직하는 방향) 변형으로 인해, 애퍼처 위치들의 어느 정도의 사전-보상(즉, 애퍼처 어레이 내에 애퍼처들을 위치시키는 것)은 바람직하여, 애퍼처 어레이가 가열될 때의 동작 동안, 그 자체의 온도 상승으로 인한 애퍼처 어레이의 변형은 원하는 X-Y 방향 위치들을 가정하는 애퍼처들을 초래하게 한다.
도 13 내지 도 15의 애퍼처 어레이의 2가지 주요 이점들은 어레이 및 냉각 구조의 일체형 설계이다. 이는, 열 거동(thermal behaviour)에 대해 유리하고, 기하학적 구조 및 내부 응력들의 관점에서 더욱 일관된 부품 품질을 보장한다. 열-기계 특성들이 변화하는 재료들 사이의 결합을 포함하는 다른 설계들은 제조 동안 예측불가한 내부 응력들을 일으킬 수 있다.
본 발명은 앞서 논의된 특정 실시예들을 참조하여 설명되었다. 이러한 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 당업자들에게 잘 알려져 있는 다양한 변형들 및 대안적인 형태들이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 이에 따라, 특정 실시예들이 설명되었지만, 이들은 오직 예시들이며, 첨부된 청구항들에서 정의된 본 발명의 범위에 대해 한정하지 않는다.

Claims (32)

  1. 타겟의 표면으로 패턴을 전달하기 위해 복수의 빔렛(beamlet)들을 발생시키기 위한 하전 입자 리소그래피 시스템(charged particle lithography system)에 사용하도록 적응된 애퍼처 어레이 엘리먼트(aperture array element)로서,
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트는 복수의 그룹들로 배열된 복수의 애퍼처들을 포함하고, 상기 애퍼처들은 상기 빔렛들이 상기 애퍼처 어레이 엘리먼트를 통과하도록 하며;
    상기 애퍼처들의 그룹들은, 빔 영역들 사이에 형성되고 상기 빔렛들의 통과를 위한 어떠한 애퍼처들도 포함하지 않는 복수의 논(non)-빔 영역들과는 구별되는 별도의 빔 영역들을 형성하고; 그리고
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트에는 상기 애퍼처 어레이 엘리먼트를 냉각시기키 위한 냉매의 전달을 위해 적응된 냉각 채널들이 제공되고, 상기 냉각 채널들은 상기 애퍼처 어레이 엘리먼트의 상기 논-빔 영역들 내에 제공되고,
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트는 두께 및 폭을 갖는 플레이트를 포함하고,
    상기 애퍼처들은 상기 플레이트의 상기 빔 영역들 내의 상기 플레이트의 두께를 관통하여 형성되고, 상기 냉각 채널들은, 상기 논-빔 영역들 내의 상기 플레이트에 부착되고 상기 플레이트의 폭의 방향으로 연장하는 외부 엘리먼트들 내에 형성되고, 상기 냉각 채널들은 상기 애퍼처 어레이 엘리먼트를 위한 구조적 지지대를 제공하도록 적응되는,
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 채널들을 통해서 상기 냉매를 흐르게 하기 위한 냉각수 시스템을 더 포함하고,
    상기 냉각수 시스템은 상기 냉각 채널들을 통해서 상기 냉매의 난류를 생성하도록 적응되는,
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트는 텅스텐의 플레이트로 형성되는,
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트는 구리 또는 몰리브덴의 플레이트로 형성되는,
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트는 내장형 전류 제한 애퍼처 어레이를 포함하고, 상기 애퍼처 어레이 엘리먼트의 애퍼처들은 상기 애퍼처 어레이 엘리먼트의 상부 표면 아래에 오목화된 가장 좁은 부분을 갖는,
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트는 플레이트를 포함하고,
    상기 플레이트에는 빔 방향을 향해서 대면하는 커브된 상부 표면이 제공되는,
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트는 교번하는 애퍼처가 없는 영역들 및 애퍼처 영역들로 세분되고, 각각의 애퍼처 영역은 복수의 애퍼처들을 포함하고,
    상기 커브된 상부 표면은 복수의 애퍼처가 없는 영역들 및 애퍼처 영역들을 에워싸는(encompass),
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트의 커브된 상부 표면은 하전 입자 소스를 향해서 상기 상부 표면 위로 돌출하는 상승된 돔-형상 영역을 형성하는,
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트의 커브된 상부 표면은 하전 입자 소스를 향해서 상기 상부 표면 영역 내에 돔-형상 하강부를 형성하는,
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 시스템은 광축을 갖고, 상기 커브된 상부 표면은 상기 광축을 중심으로 둔 코사인 함수를 따라서 형상화되는,
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 커브된 상부 표면의 둘레는 상기 커브된 상부 표면의 높이 보다 더 큰,
    애퍼처 어레이 엘리먼트.
  12. 하전 입자 빔 발생기로서,
    발산하는(diverging) 하전 입자 빔을 발생시키도록 적응된 하전 입자 소스;
    상기 발산하는 하전 입자 빔을 굴절시키기 위한 조준 시스템(collimating system) ― 상기 조준 시스템은 제 1 전극을 포함함 ―; 및
    제 1 항에 따른 애퍼처 어레이 엘리먼트 ― 상기 애퍼처 어레이 엘리먼트는 제 2 전극을 형성함 ―
    를 포함하고,
    상기 시스템은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 가속 전계(accelerating electric field)를 생성하도록 적응되는,
    하전 입자 빔 발생기.
  13. 타겟의 표면으로 패턴을 전달하기 위한 하전 입자 리소그래피 시스템으로서,
    복수의 하전 입자 빔렛들을 발생시키기 위한 빔 발생기 ― 상기 복수의 빔렛들은 컬럼(column)을 정의함 ―; 및
    제 1 애퍼처 어레이, 블랭커 어레이, 빔 중단 어레이 및 투영 렌즈를 포함하는 복수의 애퍼처 어레이 엘리먼트들을 포함하고,
    각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트는 복수의 그룹들로 배열된 복수의 애퍼처들을 포함하고, 상기 애퍼처들을 상기 빔렛들이 상기 애퍼처 어레이 엘리먼트를 통과하게 하고,
    각각의 애퍼처 어레이 엘리먼트의 상기 애퍼처들의 그룹들은 빔 영역들 사이에 형성되고 상기 빔렛들의 통과를 위한 어떠한 애퍼처들도 포함하지 않는 복수의 논-빔 영역들과 구별되는 별도의 빔 영역들을 형성하고,
    상기 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 빔 영역들은 빔 샤프트들을 형성하도록 정렬되고, 상기 빔 샤프트들 각각은 복수의 빔렛들을 포함하고, 상기 애퍼처 어레이 엘리먼트들의 논-빔 영역들은 그 내부에 빔렛들이 존재하지 않는 논-빔 샤프트들을 형성하도록 정렬되고, 그리고
    상기 제 1 애퍼처 어레이 엘리먼트는 제 1 항에 따른 애퍼처 어레이 엘리먼트인,
    하전 입자 리소그래피 시스템.
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