WO1999038187A1 - Microscopio electronico de barrido de baja energia y grabador por haz electronico basados en una microlente plana integrada - Google Patents

Microscopio electronico de barrido de baja energia y grabador por haz electronico basados en una microlente plana integrada Download PDF

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    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale
    • H01J2237/3175—Lithography

Definitions

  • proximity effects M. McCord and MJ Rooks, "Electron beam lithography, in: Handbook of microlithography, micromachining and microfabrication / P.Rai-Choudhury, Editor. Volume 1, pp. 139-250. SPIE Optical Engineering Press, 1997].
  • the presented invention is based on the microlens produced by means of microelectronic technology in one cycle; This main feature makes an array of electronic beam markers quite feasible. Description of the invention
  • FIG. 1 The drawing of the integrated optoelectronic (microlensing) system is shown in Figure 1. It is a flat silicon "chip" with dimensions of 1 x 1 x 0.05 cm 3 .
  • the chip consists of two ultra-thin silicon membranes (0.5 ⁇ m wide) grown on a thicker substrate, and four coplanar deflection electrodes.
  • the 1 ⁇ m hole (first opening) has been made in the first membrane whose role is to extract electrons from a emitter and spatially limit the initial beam.
  • the second focusing membrane is separated from the first by an insulating sheet (SiO 2 ) and has a larger hole of about 50 ⁇ m in diameter whose axis is well aligned with the first perforation.
  • SiO 2 insulating sheet
  • Quadrupole deflection is represented as four quarters of a flat O-ring located symmetrically around the central holes.
  • Appropriate conductive strips connect the membranes and the deflection unit with the contact areas where the external connections of the chip will be made.
  • the initial electronic beam that passes through the cavity in the chip substrate is first cut through the extraction hole; then, with the electronic retarding potential applied to the focusing membrane, the electronic paths are concentrated by the focusing field at a point ("spot") often.
  • the focusing distance can be controlled by the membrane potentials.
  • the electronic beam deviates laterally and as a result the focused spot can sweep an area over the sample to produce an image in the electron microscope mode. scanning or to write a pattern in the electron beam lithography mode.
  • the manufacture of the microlens is based entirely on conventional microelectronic technology: electron beam lithography, oxidation and electrochemical polishing by reaction with ions (R ⁇ E - Reactive Ion Etching).
  • the Process flow scheme is shown in Figure 3.
  • the extraction mesh is defined (step 1). Isolated from the previous one by an insulator of a thick thickness, the focusing electrode and deflector are electro-chemically stamped and polished (2).
  • a hole of one diameter diameter is made by electron beam lithography (4), and then the cavity is enlarged by R ⁇ E (5).
  • the final stage of the lens manufacturing is done in situ and includes heat treatment and electric field to reduce leaks and increase the breakdown voltage of the electrodes.
  • the arrangement and manufacturing technology of the proposed microlenser provides the possibility of manufacturing a matrix of microlenses in a single substrate without implying any assembly or manual alignment stage.
  • Another important distinguishing feature of the proposed invention is that the performance of the microlens does not depend on the type and characteristics (such as the size of the emitting area, etc.) of the electron source.
  • the emitter is placed 1-2 mm above the microlens, so that the size of the source is completely defined by the inlet opening. This gives the opportunity to use any type of electronic transmitter; thermo-ionic, Schottky type or a cold field source.
  • a wide beam source with a very large emitting area (such as a porous silicon surface [5]) can be used as a common emitter for a multicolumn collection.
  • the previously described microlenser has been manufactured and tested in an operating prototype of the low energy scanning electron microscope built for this purpose.
  • the experimental equipment is shown schematically in Figure 2.
  • the microlenser was installed horizontally on a console stand in the vacuum chamber. It was a sharp tungsten tip that could produce an initial electronic beam with a current in the range of the microamp and an energy of 300 eV.
  • a mesh of fine gold strips was chosen as the sample.
  • the mesh sample was mounted on a platform with a translation mechanism in all three directions of space, driven by a piezo-electric so that both the distance from the lens to the sample and the lateral position of the sample could be changed.
  • a standard electron multiplier was used as a detector and counter of transmitted electrons.
  • the detector count changes from around zero (when the beam is completely overshadowed by the bar) to a maximum value, giving the width of this transition the mediated size of the spot "in the sample.
  • the (negative) potential of the focusing electrode is chosen so that it has a minimum width in the transition curve.
  • the beam sweeps a rectangular area with the help of a microlensle deflector, a two-dimensional image of the sample can be obtained. In that case the resolution can be estimated with the standard method adopted in microscopy and is given by the minimum distinguishable feature size.
  • Figure 4 gives an example of the two-dimensional image of the sample thus obtained in the position where two bars intersect.
  • the scanning range is 1.6x1.6 mm 2
  • the energy of the electron is 300 eV
  • the focusing voltage is - 1751 /.
  • the presence of two small holes in the horizontal bar allows us to estimate the resolution achieved: a resolution of around 30 nm is easily determined from the intensity profile shown at the bottom of Figure 4.

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Abstract

El invento presentado utiliza un nuevo concepto de columna de microscopio electrónico que se emplea para focalizar y desviar haces: la denominada microlente. Esta microlente es un 'chip' integrado plano, de dimensiones 1x1x0.05 cm3, producido enteramente mediante tecnología microelectrónica. El 'chip' consta de dos membranas de silicio ultrafinas con aberturas microscópicas para la focalización del haz electrónico, y de un deflector electrostático cuadrupolar coplanario. El ancho haz electrónico inicial es reducido a un punto o mancha ('spot') pequeño mediante la aplicación a las membranas de potenciales electrónicos apropiados, y el deflector barre el haz enfocado a lo largo de la muestra para obtener una imagen rastreada de ésta ('modo microscopio') o para escribir un patrón sobre ella ('modo litografía').

Description

1
TITULO
MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO DE BAJA ENERGÍA Y GRABADOR POR HAZ ELECTRÓNICO BASADOS EN UNA MICROLENTE PLANA INTEGRADA
Antecedentes
Desde la invención del Microscopio Electrónico de Barrido (SEM - Scanning Electron Microscope) en los años treinta, grandes esfuerzos en investigación y desarrollo se han dedicado al diseño y mejora de sus componente clave - la columna - que engloba todos los elementos necesarios para la creación del haz de electrones, su focalización y desviación [P.W. Hawkes and E. Kasper, Principies of electrón optics, Academic Press, London (1989)]. Aunque estos microscopios están hoy en día muy extendidos y una gran variedad de ellos existe, su principal elemento, la columna, continúa siendo grande, complicada y cara, especialmente para instrumentos de alta resolución. La posterior aplicación del microscopio electrónico de barrido como un instrumento para la litografía por haz electrónico (EBL - Electron Beam Lithography) reveló su principal limitación, ya que su rendimiento ("throughput") resulta ser insuficiente en la escritura directa, lo que impide la aplicación industrial de esta técnica, por otro lado muy eficaz.
La demanda de un microscopio electrónico de barrido versátil, de bajo costo y de baja energía, y de un grabador litográfico por haz electrónico para crear estructuras en la escala por debajo de los 100 nm ha colocado en la agenda la tarea de desarrollar y construir una columna optoelectrónica miniaturizada basada en un enfoque electrostático en lugar de magnético. La idea de la miniaturización fue concebida (a parte de por otras ventajas) para preparar el terreno para una multicolumna - es decir, una colección de haces electrónicos enfocados que podrían escribir simultáneamente y por tanto aumentarían sustancialmente el rendimineto de la litografía por haz electrónico (EBL). El trabajo en esta dirección fue iniciado en los Estados Unidos por T. H. P. Chang y sus colaboradores en los años ochenta, y a mediados de los noventa informaron sobre una microcolumna operativa, con un tamaño menor que 3 cm3, con un emisor Schottky operando en el rango de 1 - 2 keV, y una resolución de 12 nm en el modo de transmisión del microscopio electrónico de barrido [E. Kratschmer, H.S. Kim, M.G.R. Thomson, K.Y. Lee, S.A. Rishton, M.L. Yu and T.H.P. Chang, "An electrón beam microcolumn with improved resolυtion, beam current and stability", J. Vac. Sci. Technol. B 13(6) (1995) 2498; T.H.P. Chang, M.G.R. Thomson, M.L. Yu, E. Kratschmer, H.S. Kim, K.Y. Lee, S.A. Rishton and S. Zolgamain, "Electrón beam technology - SEM to microcolumn", Microelectronic Eng., 32 (1996) 113]. Sin embargo, el diseño y especialmente la tecnología de esta microcolumna no permite su incorporación en una matriz de grabadores por haz: (1 ) todos los elementos (más de diez) se producen separadamente y deben ser posteriormente ensamblados manualmente con una precisión muy alta; (2) se necesita la cabeza del microscopio de barrido de efecto túnel (STM - Scanning Tunneling Microscope) para la colocación precisa del emisor en la cámara de vacío muy próximo a la abertura de entrada; (3) el emisor Schottky empleado disipa una potencia de 2 - 3 W por haz que es inaceptable para los grabadores en formación. Además, la energía electrónica de la que se ha dado parte para esta columna no podría se menor de 1000 eV - aunque baja en comparación con microscopios electrónicos de barrido convencionales, es todavía suficiente para provocar efectos detectables de proximidad ("proximity effects") [M. McCord and M.J. Rooks, "Electrón beam lithography, in: Handbook of microlithography, micromachining and microfabrication / P.Rai-Choudhury, Editor. Volume 1 , pp. 139-250. SPIE Optical Engineering Press, 1997].
A diferencia de éste, el invento presentado se basa en la microlente producida por medio de la tecnología microelectrónica en un ciclo; esta característica principal hace que una matriz de marcadores por haz electrónico sea bastante factible. Descripción del invento
El dibujo del sistema optoelectrónico integrado (microlente) se muestra en la figura 1. Es un "chip" plano de silicio con unas dimensiones de 1 x1 x0.05 cm3. El chip se compone de dos membranas ultrafinas de silicio (0.5 μm de ancho) crecidas en un sustrato más grueso, y de cuatro electrodos de deflexión coplanarios. El agujero de 1 μm (primera abertura) se ha practicado en la primera membrana cuyo papel consiste en extraer los electrones de un emisor y limitar espacialmente el haz inicial. La segunda membraba focalizadora está separada de la primera por una lámina aislante (SiO2) y tiene un agujero más grande de alrededor de 50 μm de diámetro cuyo eje está bien alineado con la primera perforación.
La deflexión cuadrupolar se representa como cuatro cuartos de un O-ring plano situado simétricamente alrededor de los agujeros centrales. Unas tiras conductoras apropiadas conectan las membranas y la unidad de deflexión con las áreas de contacto donde se realizarán las conexiones externas del chip.
Como se muestra en la figura 2, el haz electrónico inicial que atraviesa la cavidad en el sustrato del chip es primero cortado por el agujero de extracción; a continuación, con el potencial electrónico retardador aplicado a la membrana focalizadora, las trayectorias electrónicas son concentradas por el campo focalizador en un punto ("spot") menudo. La distancia de focalización puede ser controlada mediante los potenciales de las membranas.
Cuando se aplican potenciales eléctricos iguales pero opuestos en signo a las parejas opuestas de segmentos de deflexión, el haz electrónico se desvía lateralmente y en consecuencia el "spot" enfocado puede barrer un área sobre la muestra para producir una imagen en el modo de microscopio electrónico de barrido o para escribir un patrón ("pattern") en el modo de litografía por haz electrónico.
La fabricación de la microlente se basa completamente en la tecnología microelectrónica convencional: litografía por haz electrónico, oxidación y pulido electro-químico por reacción con iones (RÍE - Reactive Ion Etching). El esquema de flujo del proceso se muestra en la figura 3. Después de la formación de la cavidad piramidal en la parte trasera del sustrato de silicio, se define la malla de extracción (paso 1 ). Aislada de la anterior por un aislante de una miera de espesor, los electrodos focalizador y deflector son estampados y pulidos electro-químicamente (2). Después del pulido electro-químico local del aislante (3), un agujero de una miera de diámetro es practicado por litografía por haz electrónico (4), y posteriormente la cavidad es agrandada por RÍE (5). La estapa final de la fabricación de la lente se realiza in situ e incluye el tratamiento térmico y por campo eléctrico para reducir fugas y aumentar la tensión de ruptura de los electrodos.
Como se ve, la disposición y la tecnología de fabricación de la microlente propuesta proporciona la posibilidad de fabricar una matriz de microlentes en un único sustrato sin implicar ninguna etapa de ensamblaje o alineamiento manual. Otra característica diferenciadora importante del invento propuesto es que el rendimiento de la microlente no depende del tipo y características (como el tamaño del área emisor, etc) de la fuente de electrones. Como se mostrará en el ejemplo, el emisor se coloca 1 - 2 mm por encima de la microlente, de manera que el tamaño de la fuente está completamente definido por la abertura de entrada. Esto da la oportunidad de usar cualquier tipo de emisor electrónico; termo-iónico, de tipo Schottky o una fuente de campo frío. Es más, una fuente de haz ancho con un área emisora muy grande (como una superficie porosa de silicio [5]) puede ser usada como un emisor común para una colección de multicolumnas.
Ejemplo
La microlente anteriormente decrita se ha fabricado y probado en un prototipo operativo del microscopio electrónico de barrido de baja energía construido con este propósito. El equipo experimental se muestra esquemáticamente en la figura 2. La microlente fue instalada horizontalmente en un soporte de consola en la cámara de vacío. Fue una punta afilada de tungsteno la que pudo producir un haz electrónico inicial con una corriente en el rango del microamperio y una energía de 300 eV. Con el fin de estimar con precisión el diámetro del "spot" focalizado en la muestra, se eligió una malla de tiras finas de oro como muestra. La muestra- malla se montó en una plataforma con un mecanismo de traslación en las tres direcciones del espacio, conducido por un piezo-eléctrico de manera que tanto la distancia de la lente a la muestra como la posición lateral de la muestra podía ser cambiada. Un multiplicador de electrones estándar se usó como detector y contador de electrones transmitidos.
Cuando el haz es barrido sobre una barra de la malla el recuento del detector cambia desde alrededor de cero (cuando el haz es ensombrecido por completo por la barra) hasta un valor máximo, dándonos la anchura de esta transición la mediada del tamaño del "spot" en la muestra. El potencial (negativo) del electrodo focalizador se elige de forma que se tenga una anchura mínima en la curva de transición. Por otro lado, si el haz barre un área rectangular con la ayuda de un deflector de la microlente, se puede obtener una imagen bidimensional de la muestra. En ese caso se puede estimar la resolución con el método estándar adoptado en microscopía y viene dado por el tamaño de la rasgo mínimo distinguible.
La figura 4 da un ejemplo de la imagen en dos dimensiones de la muestra así obtenida en la posición en la que dos barras se cruzan. El rango de barrido es 1.6x1.6 mm2, la energía del electrón es 300 eV, el voltaje de focalización es - 1751/. La presencia de dos pequeños agujeros en la barra horizontal nos permite estimar la resolución lograda: a partir del perfil de intensidad mostrado en la parte inferior de la figura 4 se determina fácilmente una resolución de alrededor de 30 nm.

Claims

Reivindicaciones
1. Un nuevo tipo de columna optoelectrónica basada en la lente ultracompacta completamente integrada se propone, el cual ofrece una solución simple y barata para el microscopio electrónico de barrido compacto de baja energía (por debajo de 350 eV) y un instrumento de litografía por haz electrónico para ser usado en el rango de menos de 100nm.
2. El diseño de la microlente y, especialmente, el procedimiento de fabricación permite integrar múltiples lentes en una matriz para realizar litografía por haz electrónico múltiple, aumentando así el rendimiento de tal sistema litográfico por haz electrónico hasta un nivel industrial aceptable para la escritura directa.
3. El funcionamineto y comportamiento de la microlente no depende del tipo y características del emisor de electrones; no hay necesidad de los complicados procedimientos de preparación de emisores, colocación y alineamiento.
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