TW468196B - Projection lithography device utilizing charged particles - Google Patents

Description

46 81 96 案號 88116379 年 曰 修正 —月 五、發明說明（1) 本發明係關於一種微影裝置，藉由帶 = 裝置包含一粒子-光學成像系統利用該帶 電粒子光束以成像一微影刷物體之結構於一 面，該粒子-光學系統包含-放大鏡系統…有第及 j,圓形物鏡’其係配置分別產生第一及第二旋轉對成透 鏡％。 系广疋之ΐ可自If.K‘ Waskiewicz等人於1995年7月10 至4日於SP I E年報之"帶電粒子光束源及帶電粒子光學，，中 發表名為"用於SCALPEL觀念證明工具之電子_光學設計一 文t得知’该文於1995年由SPIE出版於第2522卷。 粒子-光學成像，亦稱之為電子_光學成像，用於以微影 製造非常小的結構，諸如積體電路或光罩，其解析度係小 於可見光之波長者。 ，影體結構係藉由電子成像於石版成像表面，原理上電 子係以兩種方式帶出：連續及非連績β於連續成像中，電 子發射源或其部件之發射表面以能量極強而量少之帶電粒 子光束形成影像’使之成像於該石版成像表面上。該成像 之電子發射源（光束）係藉由如反射線圈橫移於物體之上， ，當帶電粒子光束不移動時，則該帶電粒子光束係被遮蔽 著。圖樣的像素係連續地成像於該石版成像表面。當成像 的結構較大時’則顯然需要更多的時間以掃描成像之結 構’亦即依結構區域大小比例增加成像時間。因為現今利 用於積體$路技術傾向於較大的結構成像，進而積體電路 的生產出貨量下降’因是本成像的方法係更增其重要性。 在非連續成像中，微影物體結構係藉由該帶電粒子光束

O:\60\60507.PTC 第6頁 46 81 96 _案號88116379_年月日__ 五、發明說明（2) 均勻地成像，而一聚焦透鏡系統係用以形成一影像，縮小 或不縮小影像，使該微影物體結構成像於石版成像表面。 圖樣之各圖素係同時成像，亦即非連續性，投影於該石版 成像表面。因是，該微影方法稱之為投影微影。 參考文獻中所描述之投影微影法係利用一旋轉對稱電子 透鏡系統將微影物體結構成像於石版成像表面上，該微影 物體結構係可用一（較大）的微影轉換光罩所形成，該微影 轉換光罩係成像於一石版成像表面以產生實際（較小）的微 影轉換光罩。該微影物體結構用以成像同時可藉由該實際 的微影轉換光罩，該微影物體結構成像於該石版成像表面 (可為晶元），以於其上形成積體電路。此種習知之微影方 法係稱之為SCALPEL®("散佈及角度限位投影帶電粒子光束 微影法"）。該電子透鏡之成像系統其中係具有二電子透 鏡，該系統具有一旋轉對稱透鏡場，其可共同組成一放大 鏡系統·。 本發明文中之放大鏡系統係為透鏡系統，其係轉換非平 行光束為平行向外發射之光束。該系統之最簡單之型式係 由二同軸之透鏡所組成，其後者透鏡之焦距係與前者透鏡 之焦距重合。投影微影需要一放大鏡系統，因為較大之微 影物體結構（直徑係為1 mra)必須完全成像於該石版成像表 面。該結構成像之端緣係要如其中心尖銳，其係表示物體 成像邊緣之不良將不致過大而超過其中心部份。此種情形 僅能最佳滿足於成像系統係為放大鏡系統，因是本發明對 於藉該系統而成像之執行係相當重要。 在藉由投影微影以製造積體電路時，該出貨量係取決於

O:\60\60507.PTC 第7頁 46 8196 _案號88116379__年月日 修正__ 五、發明說明（3) 帶電粒子光束通過電流之度量，藉此該石版投影物體結構 係被照射後成像（該光罩係成像於I C製造之外殼）。帶電粒 子光束之電流係設有一限制，因帶電粒子光束中的電子會 互相抵制（稱之為庫倫靜電力（Coulomb Interaction))， 造成帶電粒子光束的能量散失以及扭曲。當電流越大時上 述二效果即越強’進而造成成像系統的成像瑕疵。該成像 瑕疵可以不超過一特定數目，因是電流度則有其一定上 限，進而影響積體電路的出貨量。 前述之排斥效果越強，則帶電粒子光束的電子所蓋覆的 區域越小，亦即帶電粒子光束之橫斷面積越小。該等橫斷 面係發生於該放大鏡系統之二圓形透鏡間，可稱之為在該 二透鏡重合焦點之區域。即便該橫斷面係形於該帶電粒子 光束中而位於該放大鏡系統之前’該等之橫斷面則不致對 成像瑕疵有任何影響（幾何方面），因為其係該帶電粒子光 束之照'射部份且並非發生該帶電粒子光束路徑與該物體之 間（該微影物體結構），以及該成像（該微影成像表面）之 本發明目的之一在於使該帶電粒子光束的電流限制降 低，進而增加積體電路的生產出貨量。 本發明之微影裝置之特徵係在於該粒子~光學系统包含 第一四分極裝置及第二四分椏裝置’其係分別用以產生第 一及第二之四分極場。四分極場之收縮效果可使帶電粒子 光束與另一者以直角相交’該第一及第二四極場係分別實 質重合於該第一及第二旋轉對稱透鏡場’該四分極場之強 度係可使該微影成像物體結構成像钱刻於該石版成像表

46 81 9S 案號 88116379 a 修正 五、發明說明（4) 面。 據已知之粒子光學，四分極場對帶電粒子光束在包含光 學軸之第一平面僅具收縮效果，然而在光學軸正交之平面 上則僅具發散之效果。當二接續之四分極場係相互轉動9 0 度角時，該第一四分極場之收縮效果將正交於第二四分極 場之收縮效果。然而，其可以是該帶電粒子光束繞該二四 分極之間之光學軸旋轉所造成（當其發生於通過該旋轉對 稱磁場時），因是該其次之四分極可必須以相同的角度轉 動之，以保持其收縮效杲垂直於該第一四分極者。因為由 二四分極蚀刻成像係僅在於由其他的四分極補償一四分極 的發散效果時為可能，在本發明之内容中所述之情形係四 分極場所具之收縮效果係垂直於另一四分極場。 為得到蝕刻成像而不管該四分極之配置，該四分極的強 度通常係不完全相等。因為此等之配置及不等量的強度， 一通過該光學軸（x-z平面）平面之放大倍率將略為偏離一 平面，該平面係延伸垂直前述之平面並通過一光學軸（y-z 平面）。若不欲發生此種情形，此種不均等可由改變微影 物體結構的長寬比例補償並以該相同比例成像：由於該物 體結構係由電腦完成設計，故此種之變更可簡單地達成。 如1995年6月2曰公開之曰本專利申請第5-286948號（於 1 9 9 3年1 1月1 6日申請，公開號為7 - 1 4 2 3 1 8 )，其係藉由該 Coulomb靜電力之反作用於一帶電粒子光束中，該帶電粒 子光束係橫過一透鏡系統，藉由二四分極歪曲其橫斷面， 該二四分極係配置於該橫斷面之區域之中，以形成帶電粒 子加大之横斷面。然而，由上述參考文獻中之成像系統得

O:\60\60507.PTC 第9頁 46 8196 案號 88116379 年一 月 修正 五、發明說明（5) 知，其係形成一圓點狀光束以應用於連續成像之中（係掃 描該石版成像表面之曝露部份）。據此方法，該圓點形狀 係由一帶電粒子光束限制缝隙成像一第二帶電粒子光束限 制縫隙所形成，並藉此而成像於一微影成像表面上。其係 非常明顯，此法並非石版投影印刷法，故，參考文獻並未 提供任何必要之教示，特別針對四分極加入放大鏡特性之 石版投影印刷法。 本發明係基於下列事實的認知，當四分極加入後，該粒 子光學成像系統的放大鏡特性係僅在於該第一四分極係實 質對齋該第一透鏡，而第二四分極係實質對齊該第二透鏡 時仍得以保時，此種特性係十分地重要。各四分極光之激 發必須以此方式加以調整，而使成像得蝕刻。若該旋轉對 稱透鏡間之原距離係得以保持，該第二圓形透鏡之激發 (使該透鏡靠近於像）必須略為調整（百分之十左右之度量） 以保持系統的放大鏡特性。 在發明之微影裝置之實施例之中，粒子-光學成像系統 中之各參數值如申請專利範圍第2項所述。實施例中之帶 電粒子光束路徑模擬則揭露參數a之區間（亦即 0 . 01 < I a | < 0 . 1 )係可以接受，本實施例中參數a係該X - Z平 面之放大量Mx與y - z平面之放大量My之比例值。超出此區間 的比例值1則不具實用性。 本發明之另一實施例中，各參數值則如申請專利範圍第 3項所述，實施例中之帶電粒子光束路徑模擬揭露參數a於 申請專利項中係帶電粒子光束之電流量可約為相同不具四 分極系統的2. 6 5倍，如此亦可以相同之因素增加出貨量。

O:\60\60507.PTC 第10頁 46 81 96 _案號 88116379_年月日__ 五、發明說明（6) 其他實施例之優點則露於其他的申請專利範圍項中。 本發明將配合圖式詳述於後，圖式中所標示之號碼代表 其相對之元件，各圖式如下： 圖1係一粒子-光學成像系統，用以將微影物體結構成像 於·^微影成像表面。 圖2係圖1所示之粒子-光學成像系統，其係具有四分極 裝置。 圖3係圖2所示之粒子-光學成像系統，其係表示四分極 置於圓形透鏡之中。 圖4係圖2所示之粒子-光學成像系統之另一種四分極配 置方式。 元件代號表 2 電子發射 源 4 光學軸 6, 8, 10, 12 透鏡 10-2 鐵芯磁路 10-4 線圏 10-6,12-6 四分極裝 置 1 4 光罩 16 晶圓表面 18 橫斷面 2 0 光束橫斷 面 區 域 24 圓形帶電 粒 子 光束光圈 26 光束之孔 28,30 帶電粒子 光 束

O:\60\60507.PTC 第11頁 46 81 96 修正 a _j號881〗叩7〇___年 五、發明說明（7) 3 2,34 縫隙 3 6 ’ 3 8 焦線

成f於係L表微不影該光學成像系統’用以將微影物體結構 一雷+ & 〜成像表面，如圖所示，一帶電粒子光束係由 過該透^系S'2所產/生，該帶電粒子光束係沿一光學軸4通 形f亦卽浐、絲拟。該系統包括二軸重合於系統之光學軸之圓 縫隙透炉疋轉ί對稱）透鏡8及1 〇。雖然圖中所示圓形透鏡係 铲/所，”仍可由浸式透鏡或稱之為VAL透鏡（可變軸透 鏡)所構成之。該VAL透鏡之光學轴可藉由安排透鏡中一 J 極=略為平行偏移，該等雙極係實現一種場垂直該光 =軸而为佈。該二透鏡10及12係用以成像一微影物體結 構’、如微影光罩，於一微影成像表面i 6，如晶圓，於其上 形成積體電路。如所示之系統，透鏡丨θ之焦距fi等於丨6 〇 mm，如該光罩14至透鏡1〇之距離d〖。透鏡12之焦距％等於 4 0 mm，如該透鏡12至被照射晶圓16表面之距離d2。由此 數據可得光罩成像至晶圓表面的縮小比率為丨6 〇 : 4 〇 = 4 . 1。 當孔之直徑與.二透鏡之縫隙之比例（孔對縫隙比例）係選擇 相等’且該等透鏡之發散係相等但相反時，該系統則極難 甚至無法成像。 光罩14係經照射後藉由二聚焦透鏡6及8成像於該晶圓16 上，該等透鏡形成約略平行之帶電粒子光束，而寬度為j mm於該帶電粒子光束橫斷面區域20，其可稱之_為光罩之 區域。本圖同時表示一圓形帶電粒子光束發射光圈24，其 係具直徑160/ζπι於該透鏡10及12之重合焦點區域中。除該 透鏡10之焦距:^及該光圈24之直徑值，其同時依循該帶電

O:\60\60507.PTC 第12頁 4 6 81 9 8 __案號88116379_年月 日 倏ι 五、發明說明（8) 粒子光束之孔26之角度等於1 mrad» 圖1顯示二帶電粒子光束路徑：照射帶電粒子光束2 8 (以 實線繪製）路徑及成像帶電粒子光束3 0 (以虛線繪製）。即 便該照射帶電粒子光束及該成像帶電粒子光束並非為散射 帶電粒子光束，但仍形成部分發自電子發射2之帶電粒子 光束部份，帶電粒子光束2 8及3 0之差別係在於分別具有不 同的功能（照射及成像）^照射帶電粒子光束2 8之射線係經 由聚焦系統6、8 ’平行入射於光罩14。通過透鏡1〇平行的 射線係聚焦於透鏡1 〇及1 2共同之焦點平面，在從透鏡丨2平 行發射直至成像表面1 6 ^經過該聚焦統6、8，成像帶電粒 子光束3 0之射線以非平行方式入射於該光罩丨4 a然後，該 光罩1 4係由於透鏡1 〇而成像於無限遠處，亦即自’光罩丨4 ^ 發射之射線係平行於發射透鏡1 〇者。透鏡丨2則將此等 線聚焦於成像表面1 6 ’其係一致於該透鏡1 2之後焦距。订 光罩1 4為該帶電粒子光束2 8照射後，即成像於 該 16。 叫1豕表面 介於該二透鏡1〇與12之間，共同建構—放大 橫斷面1 8係形成於該二透鏡重合焦點之區域。;' ”丄一 該二透鏡10與12間帶電粒子光束通過的重合焦 $ I於 高度球面集中現象，而圓形帶電粒子光束光圈j產生 直徑為160#m。該光圈24的尺寸係由成像帶 孓:口之 口所需之角度加以決定，該開口角度係取決接典:束開 瑕疵，因是決定成像之解析度。 接又之成像 圖2係圖1成像系統之改良，圖丨之系統係改 分極以確保發明之一致特性。該# w分極係與該二方一鏡^ 〇

_案號88116379_年月日__ 五、發明說明（9) 及12重合，具有略增強透鏡10之強度以及略減低透鏡12強 度之效果於通過光學軸之平面（x-z平面），然而在垂直於 光學軸之平面，透鏡1 0強度則明顯略為減，而透鏡1 2強度 略增。該二四分極並未清楚顯示於圖2，但其存在係藉由 該二透鏡1 0及1 2之一較大或較小的曲率所指示，而曲率則 分別表示增強或減低之強度。由於出現二四分極，因是二 相互垂之焦線3 6及3 8則取代了圖1中之橫斷面1 8。因是， 原圖1中之光圏2 4則為圖2中與焦線同方向之二相互垂直之 缝隙所取代之β亦即y-z平面的縫隙34以及x-z平面之缝隙 32 〇 圖1之原投影系統係為放大鏡，亦即該系統之轉換矩陣T 如下：

Γ = Μ (1)

,C M J 其中Μ係系統之放大率而C = 0。在本系統中Μ = 4。 在圖2的改良系統中，C不可完全等於0 ，但C仍然很小， 該成像表面1 6之影像品質則受其影響不顯著。在x-z平面 上的角放大率則變略不相同，但此不等可以改變微影物體 結構之長_寬比例使最後成像仍具相同之比率。 為決定圖2所示系統之參數值，定義下列參數：h及f2分 別係透鏡1 0及1 2之焦距；4係透鏡1 0至光罩1 4間之距離； d2係透鏡1 2至成像表面1 6之距離；qi及。2分別係重合於透 鏡1 0及透鏡1 2之四分極之焦距。同時定義Mx及My，其係代

O:\60\60507.PTC 第14頁 46 81 96 案號 88116379 年 月 修正 五、發明說明（10) 表x-z平面及y-z平面之角放大率，而Cx(見表示式1)係x-z 平面之成像值，C y則係y - z平面之成像值。於圖2所示之系 統中，f i = d:，以利敍刻成像（亦即在X - z平面及y - z平面係 以相同方式聚焦）於該等定之成像表面1 6，該成像係儘可 能保持放大。下列表示可以導出參數f 2及。： (2) 尽=(d!2 + 2d,4 + dj - ql) 2 + + 2d22 - ql 及 Q2 di - 2d1d2 - + <3i ⑶ 及(：】 由此可得1^，（^ Μ' =(dx ^ d2- ⑷ (d-ι^ +d2) (di -q^) + d^) ~~ ^di + d2~ (5) di<dl + d2 + gl) _ ⑹ (c?! +d2) (d^ - d2g1 + ^ (c^ + g1)) (C?! + d2 + g,) (7)

0:\60\60507.PTC 第15頁 4 6 81 9 6 _案號 88116379_年月日_修正_ 五、發明說明（II) 當1 = 160 mm，d2 = 40 mm而9丨=1600 mm時，各參數之值係如 附表I :

附表I 參數 値 已知 di 160 mm 40 mm fi 160 mm qi 1600 mm 結果 fo . 40.13 mm q2 1575 mm Mx -3.5 cx 0.0022 mm'1 Mv -4.5 Cv -0.0024 mm'1 根據附表I可知透鏡12之焦距f2必須接近0. 3%或更大。其 同時顯示於x-z平面及y-z平面之放大率係表定M=4偏離 12.5%° 即便如圖2所示在該聚焦透鏡8(即在透鏡10及12與光罩 14之區域）之後帶電粒子光束28係為平行帶電粒子光束。 因為所欲之開孔角度，該帶電粒子光束實質呈現之散佈角

O:\60V60507.ptc 第16頁

4 6 81 9 S _案號88116379_年月曰__ 五、發明說明（12) 度則與該開孔角度有關，該散佈角度在實際情形為1 m r a d。對於橫斷面1 8而言，其結果係為1 6 0 /z m，其亦為該 缝隙3 2及3 4之橫向尺寸。該二縫隙之主要功能係攔截電 子，該電子經過該縫隙而散佈於該光學路徑上，因是該等 電子實際上會錯過實際的橫斷面並降低成像解析度。 由焦線3 6及3 8，該最小的帶電粒子光束橫斷面係置於該 二焦線之中間。由於四分極所造成之放大帶電粒子光束則 可加以簡單評估；亦即該最小橫斷面之尺寸。其大約之數 值係表示如下： D~d— ⑻ 其中d係接近光罩1 4之帶電粒子光束直徑約為1 m m。以附 表之值帶入，則可得D = 10〇vm。因為散佈角度已決定該焦 線的尺寸約為1 6 0 /z m，而介於二焦線3 6與3 8之間之帶電粒 子光束之總尺寸等於2 6 0 /z m。因圖1之原橫斷面1 8係為1 6 0 ，該帶電粒子光束之橫斷面之表面區則增加為 (260/160)2 = 2.65倍。因是，帶電粒子光束通過之許可電 流值亦以此倍數增加，故，積體電路之製造出貨量亦隨此 倍數而增加。 圖3所示係圖2之系統中四分極配置於該圓形透欖中。第 一圓形透鏡1 0係包括鐵芯磁路1 0 - 2用以集中由靠近光學軸 之線圈1 0 - 4所產生之磁場。於圓形透鏡之間同樣係配置該 四分極裝置，於此圖中係為線圈1 0 - 6。該第二透鏡1 2係具 有如第一透鏡1 0相同之結構，其鐵芯磁路為1 2 - 2。該四分

O:\60\60507.ptc 第17頁 46 81 9β _案號 88116379_年月曰 修正_ 五、發明說明（13) 極裝置則標示為1 2 - 6，係配置於該圓形透鏡之間。該四分 極裝置10-6及12-6可各自具有已知之形狀。其可建構包括 四個物理磁極以產生所需之四分極場，同樣地，亦可依據 所需激發之情形建構多個物理磁極，如八極、十極或十二 極，以產生所需之四分極場以及更高階之場效，進而校正 四分極場不完善之處。當該四分極場係由十或十二個物理 磁極產生時，其可能會自原光學軸平行偏移。為此以圖1 中所示之VAL透鏡之組合較為適用，且可將該四分極之光 學軸平移回復原位。 圖4所示係另一種圓形透鏡之四分極之排配方式，該實 施例之四分極係於該光學轴上方向分為二相同之部份1 0 - 8 及1 0 - 1 0。該二部份可受相同之激發，藉此該二部份之四 分極之整體強度即等同於圖3之單一四分極。當該圓形透 鏡1 0之磁場效應係超過該單一四分極時，則可採用此種之 結構。

O:\60\60507.ptc 第18頁

Claims (1)

1. d 6 81 98 _案號 88116379_年月日____ 六、申請專利範圍 1 . 一種微影裝置，用以實現以帶電粒子光束用於微影 , · 術， 該裝置包含一成像粒子-光學系統藉由該帶電粒子光束 用以成像一微影物體結構（1 4 )於一石版成像表面（1 6 )， 該粒子-光學系統係包含一實質放大鏡系統，具有第一 及第二圓形物透鏡（1 0，1 2 )，該透鏡係配置以分別產生第 一及第二旋轉對稱之透鏡場，其特徵在於 該粒子-光學系統包含第一四分極裝置（10-6)以及第二 四分極裝置（1 2 - 6 )其係安排用以分別產生第一及第二四分 極場， 該四分極場對於梦電粒子光束之收縮效果使帶電粒子光 束與另一著以直角相交， 該第一及第二四分極場係分別實質與該第一及第二旋轉 對稱透鏡場重疊， 該四分極場之強度係使該微影物體結構成像於該微影成 I. 像表面。 2.如申請專利範圍第1項所述之微影裝置，其中1 = fi /a 12=1(1/3)-(253/16)}^ 以及f2={(I6-25a2)/(64-120a 2)}4 ，其中 qi =該第一四分極之焦距長度， =該第一圓形接物透鏡之焦距長度， a= —參數，其絕對值介於0, 0 1與0. 5之間， q2 =該第二四分極之焦距長度，以及 f2=該第二圓形接物透鏡之焦距長度。

   0:\60\60507.ptc 第20頁 4 6 g1 9S 案號88116379 年月日 修正 中 其 置 裝 影 微 之 述 所 項 2 第 圍 範 利 專 圍請 範-¢- 利η 專如 請. 申 3 、 六 =丨第 α ，與 丄丨一 S第 L.該 一-離 a 及距 h之 10間 -1鏡 Q ，透 4物 V接 2=形 d ，圓 中 其 微微_ 亥亥了 -5 t 如 Η= 1 2 * Tfl TQ 影影 專 膏 =0 ，。中 離離其 距距， 之之置 間間裝 鏡鏡影 透透微 物物之 接接述 形形所 圓圓項 - -3 一一一或 第第2 亥亥、 =b 士B 與與^1 構面圍 結表範 體像Μ 物成 線 距 AIM·' 之 直 垂 互 相二 成 形 置 裝 極 分 四二 第 及 1 第 該 隙 間 之 直 垂 互 相 且 行 平二 中 其 及 以 係 ，於 6供 3 提 域 區 之 線 距 --I- 該第 於圍 鏡範 透利 物專 接請 形申 圓如二· 一 5 該 隙 間 各 中 其 置-裝U 影 微 之 述 所 項 2 至 之 構表 結該 體， 物6) 影(1 微面 一表 中像 其成 ，版 法石 方一 造在 π製成 Α之形 UU流係 電像 子成 C ο電版 於合石 介整影 係種投 度一之 寬 6+4) 之 1 該學 ’光 流該 電， 子現 電實 性所 合統 整系 的學 份光 部之 成體 形物 束大 光放 子為 粒質 電實 帶一 由由 藉藉 為係 係像 面成 下影子 如之粒 徵場電 特極帶 法分使 方四果 該二效 ，第縮 場及收 鏡一之 透第束 的受光 稱別子 對分粒 轉係電 旋束帶 三光於 第子對 及粒場 一 電極 第帶分 含像四 包成該 統該， 系 響 轉 旋二 第 及 - 第 該 與 質 實 ΊΊ 另 分 ，係 交場 相極 角分 直四 以二 者第 一及 另一 與第 束該 光

   O:\60\60507.ptc 第21頁 46 81 96 案號88116379 年月日 修正

   O:\60\60507.ptc 第22頁 46 81 96

   0:\60\60507,ptc 第23頁