TWI412053B - 多束充電粒子光學系統以及具有至少兩個電極的透鏡結構 - Google Patents

Description

多束充電粒子光學系統以及具有至少兩個電極的透鏡結構

本發明與充電粒子束線系統相關，例如一個電子束線曝光系統、掃描及非掃描電子顯微鏡及類似者相關。

本發明提出一個微透鏡陣列，用來在充電粒子束線的曝光或是成像設備中產生複數個聚焦細束線或是具有不同入射角之聚焦細束線，其中曝光或是成像設備具有零位場曲率、最小幾何像差例如彗差以及像散，陣列包括一個產生複數個充電粒子細束線的電流限制孔徑、一個與電流限制孔徑對準的透鏡陣列，以將所有細束線聚焦到一個平的成像面裡。它解決了如何在一個發散束線系統例如在多重細束線檢查系統中以最小像差產生複數個聚焦細束線的困難，其在有限的來源到目標距離的系統中特別需要，例如在多重細束線、無遮罩微影系統中。

微電子、微製造以及材料科學的進展要求在充電粒子束線的微影及檢查中持續增加空間解析力以及產能。傳統的單一束線系統遇到庫侖彌散以及低產能的困難。幾種具有多束線、多縱列以及/或是多來源特點的充電粒子束線系統正在發展以解決相互矛盾的要求。然而，為了增加充電粒子束線系統的產能並且避免庫侖彌散，很大的曝光場是期望的，這不僅需要使用從充電粒子發射源發出的軸上發散細束線，也需要離軸的發散細束線。透過透鏡陣列的導入可以產生複數個聚焦細束線，也就是可以將具有不同入射角的細束線聚焦以避免庫侖彌散，如申請人在較早的專利出版中揭露的，其在此中引用。同時，嚴格控制離軸像差是期望的。

在JP60031225、JP60039828以及J.Vac.Sci.Techn B4(5)Sep/Oct1986中，揭露了一個具有降低像差的電子矩陣透鏡，其電流限制孔徑的中心從透鏡的光學軸相對於該孔徑移位到一個最佳位置。選擇一個在分開平板中製造的電流限制孔徑位置，使得實際孔徑放置在使得離軸透鏡總像差是最小的位置，該實際孔徑沿著光學軸是對稱的。專利出版物JP60042825揭露一個修正每一個透鏡之場曲率的方法，其使用一個修正的透鏡矩陣來改變聚焦。然而，像散在增加入射角時變成最主要的，並且最後限制住最大入射角需要小於30mrad，因此系統的產能受到限制。系統的產能也因為很小的透鏡填充因子而受到限制。

在W02004/081910中以申請人的名義揭露了一種透鏡陣列，其從發散的寬束線中形成複數個聚焦細束線。其中的圖1OA揭露一個透鏡陣列的範例示意圖，但是並不表示電極的位置一定要如此與束線相對。為了降低像差，在一個特定實施例中，透鏡相對於來源是凹面的，因此偏軸的細束線可以沿著光學軸通過透鏡。在該解決方案中，透鏡平板的曲率導致不想要的工程挑戰。而且，缺點包括對所有細束線的成像平面相對於來源以一個凹表面出現。更進一步，在透鏡陣列以及空間濾器之間的對準存在一個困難，事實上在該出版物中的電流限制孔徑結構很難在一個平面表面上。

本發明的一個特定目標係實現一個微透鏡結構，其如在稍後描述的WO出版物中概念地揭露。

發明的進一步目標係實現一個替代物，特別是針對在最先揭露之JP出版物的透鏡結構改進的透鏡結構。

本發明的另一個目標是產生一個在發散束線中放置的微透鏡平坦成像平面。

本發明的進一步目標是將該所實現之透鏡陣列中的成像像差減到最小。

本發明的另一個目標是要改進充電粒子束線系統的解析度，該束線從來源出發並具有至少一個發散的充電粒子束。

本發明的另一個目標是要改進這種充電粒子束線系統的產能。

本發明的另一個目標是要控制數個束線的均勻性。

為了至少部分達到這些目標，本發明與在申請專利範圍1中定義的充電粒子光學系統有關。以這種措施中，根據本發明，相對於先前習知技術的微透鏡結構，有效電場的高度降低了一千倍的因次，造成在針對成像像差之強次佳條件中，使細束線有效地通過透鏡部件的機會強烈降低。透過在針對成像像差之強次佳條件可能可以如本發明而將方法優化，例如使該透鏡在新透鏡尺度以及有效場尺度中使尺寸變化，也就是保持在如申請專利範圍中聲明的最小尺度內，而其在效果上以及在基本原理上與本發明使用的方法完全不同。

本發明在其進一步的加工中也與產生複數個聚焦充電粒子束的設備有關，或是與在充電粒子束線系統中具有不同入射角的聚焦束線有關，其包括：a)位於透鏡陣列前面或是後面的一個電流限制孔徑陣列，以將發散充電粒子束線分裂為複數個充電粒子束線；b)一個透鏡陣列包括複數個透鏡，其使不同入射角的細束線聚焦到一個平面；c)上述該與透鏡陣列中之透鏡對準的電流限制孔徑，用於一個具有特定入射角的細束線，其使得實際孔徑沿著光學軸是對稱的，並且位於透鏡中就產生像差而言為最佳的位置，也就是在中心位置，雖然不一定是在中心。

以這種方法，以最大量使用發散電流來改進產能是可能的，該電流從來源發射，在目標表面上的每一個區域具有足夠的細束線。此外，在每一細束線中具有足夠大的電流係與本發明為基礎的深入理解以及目標一致，其可能透過使每一個透鏡的像差減到最小來完成。將像差的總合減到最少提供了細束線開口角增加的可能，其對電流增加是有利的。而且，就像差及電流來說，細束線的均勻性可以由透鏡陣列中透鏡的參數調整來控制。

在一個實施例中，電流限制孔徑對準透鏡陣列中的每一個透鏡。根據本發明電流限制孔徑最好是在相同的平板上製造，第一或是最後透鏡電極也是，但是也可以在分開的平板上製造。電流限制孔徑放置在一個無場區域，而電流限制孔徑使用表面區域的直徑，更普遍地其尺寸、大小或是量級可以為束線電流的均勻性而改變，特別是作為它到透鏡中心之距離的一個函數。

在進一步的加工中，透鏡陣列包括兩個平面電極，其分開少於幾十微米的距離。該兩個電極彼此對準。鏜孔直徑，通常鏜孔的大小在兩個電極中是相同的，並且比電極的厚度更小以限制透鏡場不會很深地地穿入透鏡孔，其替代地稱為透鏡孔徑。在一個圓柱形開口的特定實施例中，增加透鏡尺寸的直徑以進行離軸透鏡的場曲率修正。

在另一個實施例中，透鏡陣列包括一個單一平面電極，其具有面向透鏡孔的至少二個、最好三個宏觀電極。第一電極具有與孔徑透鏡電極相同或是更高的電位，而第二電極具有比第一電極更高的電位，並且第三電極具有比第二電極低的電位。該孔徑透鏡的直徑比該透鏡電極的厚度小以限制透鏡場避免很深地穿入透鏡孔中。在進一步的加工中，如果實現了使場從宏觀電極中穿入，可以使在孔徑透鏡之孔洞中形成孔徑透鏡的效應，可以透過使在該孔徑透鏡前面的場比在中央透鏡的場更弱而使得在孔徑透鏡陣列中離軸孔徑透鏡的強度變得較弱。以此方法，透過使用在離軸透鏡中的較大焦距修正場的曲率，也就是將成像 平面帶入一個平面表面。對於離軸透鏡，最好增加透鏡直徑以修正場曲率。

在進一步的實施例中，透鏡陣列包括三個平面電極並且開口角限制孔徑係在一個分開的平板上製造。三個電極以一種方法對準，其中束線的中心以一個特定的入射角穿過每一個電極的中心。為了進行離軸透鏡的場曲率修正，例如以直徑表達時的透鏡孔截面大小最好是做得很大。

在進一步的加工中，不管任何特定的實施例，透鏡孔係做成橢圓形的以修正像散。就是因為這個要注意的觀點，如果不是全部，原則上如實施例所描述的大部分特點或是不在這份文件中的特點都可以組合在一起。

對於每一種類型的透鏡陣列，不同的微製程流程已經朝向高產能及較佳透鏡性能發展，其細節不在這裡說明。更進一步，本發明可以替代地在下面整段之定義中定義。

一個具有受限透鏡場的微透鏡陣列：在二電極透鏡陣列的案例中，兩個電極之間的分隔比幾十微米小，並且透鏡鏜孔直徑在橢圓形狀之案例中的最小直徑係小於透鏡電極的厚度；在孔徑透鏡陣列的案例中，透鏡直徑比電極的厚度更小。透過該方法，對於離軸的細束線，第三階像差尤其彗差以及像散將減到最少。

由於離軸細束線的物鏡距離較長，第一階場曲率係由離軸透鏡孔的半徑增加而補償，因此透鏡陣列的每一個透鏡都將細束線聚焦在相同成像平面中。

替代地，對於孔徑透鏡陣列，場曲率可以透過添加三個面朝透鏡孔徑的宏觀電極而修正，其中第一宏觀電極的電位與孔徑透鏡陣列的電位比較是相同或更高的。這個結構導致在透鏡孔徑陣列前面的彎曲等電位平面。等電位平面的彎曲率導致離軸透鏡的孔徑透鏡強度小於中央透鏡的強度，因此透過該方法可以修正該場曲率。

在上面提到的設備可以是具有已移位電流限制孔徑的孔徑透鏡、一個由SOI晶圓製成二電極微透鏡陣列或是透過兩個晶圓結合的二電極微透鏡陣列製成。

替代地，一個三電極透鏡陣列可以用來產生複數個細束線或是將具有不同入射角的束線聚焦，其中使透鏡電極歪斜以使得束線之中心穿過每一個電極的中心。場曲率陣列可以透過透鏡陣列中離軸透鏡半徑的增加而修正。橢圓形透鏡孔可以用來修正像散。在這種情況下，電流限制孔徑在一個分開的平板上製造。

在上面定義中的電流限制孔徑以及第一或是最後電極係由一片晶圓製造，透過光學微影術來完成對準。在上面定義中提到的電流限制孔徑係在一個無場區域，該無場區域係透過限制透鏡鏜孔的直徑小於電極厚度而達成可以改變。電流限制孔徑的直徑以得到細束線電流的均一性。

圖1顯示一個電流限制孔徑CLA以及透鏡2的對準，通常，陣列一部分的這種孔徑CLA包含在一個孔徑平板AP中。透鏡的電流限制孔徑CLA係在一個使得例如充電粒子細束線3具有一個特定入射角α的位置，實際孔徑VA位於透鏡2的中心部分，並且沿著透鏡的光學軸OA是對稱的。在這裡，透鏡的中央，也就是中心，指的是透鏡的幾何中心。在二電極透鏡的案例中，透鏡的中央是在兩個電極的中央，並且在三電極透鏡的案例中，透鏡的中央是在孔徑的端面。該圖像進一步顯示一個成像平面IP。

在圖2及圖3中，二電極透鏡陣列的兩個範例以透鏡結構5、6表示，其也簡要地標示為透鏡組。與傳統上典型地10%填充因子的充電粒子透鏡比較，目前之二電極透鏡的填充因子可以是85%並且更高，且沒有明顯地增加彗差、像散以及場曲率。這些透鏡結構與孔徑平板AP一起製作，其在此與一個電極整合，因此形成所謂的孔徑透鏡陣列。在該透鏡結構中，二個電極彼此對準。這些透鏡顯示出圓柱形孔洞H1，其直徑dl小於第一電極厚度De。這種措施的效果係使得如在圖9中說明的透鏡實際電場Ef可以避免深深地穿入透鏡孔H1。電流限制孔徑CLA在第一透鏡電極上製作，並且其位於無場區域。增加離軸之透鏡孔H1的半徑以修正第一階場曲率，令人驚訝地，變化的半徑呈現出對透鏡強度的很大效果，大到比足以修正第一階場曲率還大。經由這個動作，由透鏡陣列形成的成像大小彼此相等，並且沒有引起進一步的像差。

在圖4中顯示了一個孔徑透鏡的示意圖，其中孔徑平板AP由一片晶圓製成，其具有電流限制孔徑CLA以及透鏡孔H1的。

電流限制孔徑CLA係在一個使實際孔徑VA位於電極E之端面的位置，並且使其沿著光學軸是對稱的。使透鏡鏜孔直徑dl小於電極厚度De以限制附在其中的透鏡場Ef不致於很深地穿入透鏡孔H1。圖4的右手側面指出一個等同的版本，其中透鏡開口或是電極的順序以及電流限制孔徑陣列的順序相對於入射細束線的方向是倒轉的。

在圖5中顯示了一個孔徑透鏡的範例，在這裡顯示了一個整合的孔徑透鏡陣列IAL，其具有面對孔徑透鏡的三個宏觀電極ME1、ME2及ME3，也就是通過孔徑透鏡陣列的所有束線均在宏觀電極的中央部分通過宏觀電極組合ME1、ME2及ME3。第一電極ME1的電位V1等於或是大於在孔徑透鏡IAL的電位V0，也就是V0＝<V1，而第二電極ME2的電位V2大於V1，也就是V2>V1。第三大電極ME3的電位V3小於V2，也就是V3＝<V2。該圖表示此替代實施例的等位線EPL。在這裡孔徑透鏡在鏜孔或是透鏡孔洞H1的較低端形成。從該說明中可以更清楚了解，由於區域地在彼此之間的等位線距離比到孔徑透鏡AL的距離還要靠近，中央孔徑透鏡或是如在較大實施例情況下的多個透鏡，分別地將比相對離軸的多個孔徑透鏡更強。因此，中央孔徑透鏡比數個離軸透鏡更強，這個現象在這裡用來修正場曲率。事實上，增加在離軸透鏡孔洞的焦距將使得通常為彎曲的成像面變成平的，至少效果上是平的。替代地並且額外地，如果想要的話，場曲率也可能由透鏡尺寸的增加而修正，在此，離軸孔徑透鏡A具有環形孔徑以級增加的半徑dl。將本孔徑透鏡陣列IAL所形成的影像投影在平的成像面FIP上。

圖6提供一個很大的反轉安排範例其在功能上是等同的安排，其中電流限制孔徑在細束線的主要觀看方向來說係位於宏觀透鏡ME1－ME3的下方，並且具有適當安排的電位。在圖5範例中提供一個宏觀透鏡對細束線的準直效應，本範例中的安排可以設定為以零強度模式及非零強度模式操作。非零模式在這裡說明並且提供了一個如圖5安排的相應聚焦效應，而在未描述的零強度模式中，場僅施加用來產生複數個聚焦束線而不具有場曲率修正的功能。

因為像差與透鏡的折射能力成正比，因此當宏觀透鏡在零強度模式操作時，像差尤其是場曲率以及色偏誤差很小，也就是零強度宏觀透鏡不引入額外像差。

圖6以稍為更詳盡的方式進一步說明在該三個宏觀透鏡之透鏡結構的等位線效應，並且也展示宏觀透鏡ME1－ME3的電場效應。該圖特別說明等位線在最中央透鏡孔中是如何彼此最靠近的，並且在離軸透鏡孔中是如何相互遠離的。

圖7顯示一個三電極的透鏡，包括一個在分開之孔徑平板AP中製造的電流限制孔徑CLA以及三個電極Es1－Es3。電流限制孔徑CLA對準三電極Es1－Es3，以這種方法，實際孔徑VA係在中央電極的中心部分，並且沿著每一個透鏡的光學軸為對稱的。三個電極E1－E3以一種方式歪斜，其中束線的中心通過每一個電極孔洞H1的中心。

在圖8中，三電極透鏡陣列顯示對離軸透鏡有漸增的半徑，因此修正了場曲率。每一個透鏡的成像以這種透鏡結構投射在平的成像面中。除了這個措施，根據本發明可以用橢圓形透鏡孔H1來修正殘餘像散。

圖9提供一個先前習知技術之透鏡結構之尺寸及結構的差異說明，例如在前面引用、在1986年九月/十月之J.Vac.Sci,Technol.B4(5)中的先前技術在圖的上面部分表示，相對於根據本發明結構的該部分，在圖中圈起來並依照尺寸表示，並且在圖的較低部分提供了一個爆炸圖。

從後者很明顯，透鏡孔HL截面的最大尺度dl相當於並且最好小於透鏡電極的厚度，而使透鏡場限制在電極的厚度內。

除了如在前面描述的概念以及所有相關的細節，如熟習該項技術者可以直接並且明白地導出的，本發明與所有在下面申請專利範圍組合中定義的特性有關，並且與在附圖的所有細節有關。在下面的申請專利範圍組合不是對前面術語之意義的定置，在圖中任何與結構相應的參考數字是用來支援申請專利範圍的閱讀目的，其僅僅包含用來指出前面術語的範例意義，並且因此在括弧之間包括。

2．．．透鏡

3．．．充電粒子細束線

5、6．．．透鏡結構

AP．．．孔徑平板

AL．．．孔徑透鏡

CLA．．．電流限制孔徑

dl．．．直徑

De．．．第一電極厚度

E．．．電極

Ef．．．附屬電場

Es1－Es3．．．電極

FIP．．．成像平面

H1．．．圓柱形孔洞

HL．．．透鏡孔

IAL．．．整合孔徑透鏡陣列

IP．．．成像平面

ME1、ME2及ME3．．．宏觀電極

OA．．．光學軸

VA．．．實際孔徑

本發明將透過範例的方法在下面的實施例中根據本發明進一步闡明充電粒子光學系統，其中：圖1是充電的粒子或是光學束線通過一個透鏡系統的示意性描述，其中透鏡系統具有透鏡及束線電流限制開口；圖2說明一個二電極微透鏡，在這裡由兩個晶圓的結合所產生，並且顯示一個移位的孔徑；圖3表示圖2的替代實施例，其具有一個由SOI晶圓產生的電極；圖4概要地說明兩個等同的整合孔徑透鏡，其具有移位的電流限制孔徑；圖5以及6說明一個孔徑透鏡陣列的實施例，其與三個宏觀透鏡結合，圖6因而說明等位線的作用，以及在透鏡陣列位置中考慮等位線作用時的要求；圖7說明一個具有移位之電極的微單透鏡；圖8說明一個具有場曲率修正裝置的微單透鏡陣列；圖9說明在先前習知技術之透鏡及依據本發明之透鏡之間的尺寸及結構差異。

在圖中，相應的結構特性，也就是至少功能上相應的特性以相同參考數字指出。

AP．．．孔徑平板

CLA．．．電流限制孔徑

dl．．．直徑

De．．．第一電極厚度

E．．．電極

H1．．．圓柱形孔洞

VA．．．實際孔徑

Claims (16)

1. 一種多束線充電粒子光學系統，其包括具有至少兩個電極的靜電透鏡結構，並設置透鏡孔徑，以及其中該兩個電極係以相互距離小於該孔徑的直徑的方式整合，其中在該孔徑中受到該電極影響的透鏡場的有效尺寸製作成極小，因為該透鏡孔徑包括直徑小於該電極中至少一個的厚度之圓柱形孔洞。
2. 根據申請專利範圍第1項的系統，其進一步包括用於產生充電粒子束線的充電粒子源，其中該透鏡結構包含在該束線部分內。
3. 根據申請專利範圍第1或2項的系統，其中在該電極之間的距離小於一釐米，尤其是小於幾十微米。
4. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項的系統，其中該透鏡場被限制在該電極的厚度內。
5. 根據申請專利範圍第1至4項中任一項的系統，其中該透鏡結構包含在用於將複數個細束線聚焦到一平的成像面之一發散束線。
6. 根據申請專利範圍第1至5項中任一項的系統，其中該透鏡的實體尺寸製作成極小，尤其是小於一毫米，更特別小於幾十微米。
7. 根據申請專利範圍第1至6項中任一項的系統，其中一電流限制孔徑係與一透鏡結合，其相對於該結構中的一透鏡而對準，使得在該透鏡中由該電流限制孔徑所影響的實際孔徑位於關於最小化像差總合的一最佳位置。
8. 根據申請專利範圍第7項的系統，其中該實際孔徑位於該透鏡場的中心。
9. 根據申請專利範圍第1至8項中任一項的系統，其中與該透鏡場有關的透鏡孔徑直徑是距離的函數，該距離為相關透鏡孔徑到該電極的中心點的距離。
10. 根據申請專利範圍第1至9項中任一項的系統，其中該透鏡結構與一電流限制孔徑平板結合，在經結合的透鏡孔徑的軸向投射限制中，該電流限制孔徑的位置是該相關透鏡孔徑到該經結合的電極的中心點距離的函數。
11. 根據申請專利範圍第10項的系統，其中該電流限制孔徑朝著該結合的電極的中心點相對於該相關透鏡孔徑的中心點以逐漸增加的距離偏移，其中該距離為該電流限制孔徑離開該電極的中心點的距離。
12. 根據申請專利範圍第10至11項中任一項的系統，其中該電流限制孔徑平板形成一具有該透鏡的整合結構。
13. 根據申請專利範圍第10至12項中任一項的系統，其中該系統中的一電流限制孔徑平板之電流限制孔徑的至少一部分係修改為遍及該系統的細束線的均勻的電流分佈的效果。
14. 根據申請專利範圍第10至13項中任一項的系統，其中一電流限制孔徑的該表面區域的尺寸是該相關孔徑到電流限制孔徑的陣列中的中心點之距離的函數，該電流限制孔徑係在位於含有該陣列的孔徑平板中，特別是遍及該系統的細束線的均勻的電流分佈的效果。
15. 根據申請專利範圍第1至14項中任一項的系統，其包括兩個由絕緣層上覆矽晶圓所製造的電極。
16. 一種具有至少兩個電極的透鏡結構，其設有透鏡孔徑，其中該至少兩個電極係以相互距離小於該孔徑的直徑的方式整合，其中在該孔徑中受到該電極影響的透鏡場的有效尺寸製作成極小，因為該透鏡孔徑包括直徑小於該電極中至少一個的厚度之圓柱形孔洞。