（电工理论与新技术专业论文）纳米级电子束曝光机聚焦偏转系统的研究.pdf

纳米级电子束曝光机聚焦偏转系统的研究 缴、五级像差的校正前总像差为7 纳米，总畸变擞5 4 纳米，电子束上靶角 为0 0 0 0 3 度。第二释是黢物镜双偏转器系统，流过方商耦反的嘏流豹两个 物镜可以消去各向同性和备向异性畸变、横向色差等四种基本的像差，对 于双偏转器系统，通过使第二个偏转器旒转，会引入另外的各向辩性像麓， 搜总体像楚大大减小。该双透镜双偏转器的纳米级聚焦镳转系统在1 毫米 偏转场，1 8 毫弧度电子策孔径角时，包括三级、五级像麓的校正后总像藏 为1 8 6 纳米，总壤变量0 。3 1 微米，宅子窳主靶角为& 0 3 4 度； 零谂交鑫擘键薪煮楚； 1 、 利用目前最先进的商用电子光学软件，用二阶有限元法计算了空间 场分布，优仡了瓴括五缀像差在内的偏转系统，获得的偏转精度大 大优于常规的s e m 偏转嚣。 2 、 把偏转像麓和电子束入射角综合考虑，获得了精废更高、结构更合 理懿聚焦镳转系绞。 3 、 提出了三偏转聚焦偏转系统和双物镜双偏转系统，这两种偏转系统 浚在l m m 穰转场这銎| 绫米级魄予紊臻先要求，入射亳子足乎溪 直上靶。 关键诵；毫予寒瀑毙，纳岽缀聚焦褊转系统，薅缀像簇 摘要 r e s e a r c ho nf o c u s i n g - d e f l e c t i o ns y s t e mf o rn a n o m e t e r - s c a l e e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h ym a c h i n e ( l i uz h u m i n 由 d i r e c t e db yp r o f e s s o rg u w e n q i a j e i s t r a c t e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h ym a c h i n ei st h ek e yi n s t r u m e n tf o rm a s km a m n ga n d r e s e a r c ho fn a n o m e t e rd e v i c e t h ew i d t ho ft h ef i n e s tl i n ei s5 n mi ne - b e a m l i t h o g r a p h y m o d i f i e d e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h ym a 商i n eb a s e do ns c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) h a sg r e a tf u t u r ei nl a ba n du n i v e r s i t yf o ri t sl o wp r i c e a n df l e x i b i l i t y b u ts m a l ld e f l e c t i o nf i e l dl e s st h a n1 0 0m i c r o m e t e rr e s u l t e di nl o w p r o d u c t i v i t y , e n l a r g i n gd e f l e c t i o nf i e l d ，u s i n gh i g h e rb r i 曲tc a t h o d e ，h i g h e rs p e e d s t a g ea n dh i g h e rs e n s i t i v er e s i s t c a l l e f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e m ，a m o n gw h i c h e n l a r g i n gt h ef i e l di st h em o s tp o t e n t i a l s y s t e ma b e r r a t i o n sa r es u e ct oi n c r e a s ew l 氆 d e f l e c t i o nf i e l de n l a r g i n go n l y , s or e s e a r c ho nl o wa b e r r a t i o n s ，l a r g ed e f l e c t i o nf i e l d a n dn a n o m e t e rs c a l ef o c u s i n gd e f l e c t i o ns y s t e mh a sk c o m eu r g e n ta tp r e s e n t t w o p a r t sa r ei n c l u d e da sf o l l o w s ( 1 ) o p t i m u md e s i g no fn a n o m e t e r - s c a l ef o c u s i n gd e f l e c t i o nb a s e do f f j s m 一3 5 c fs e ma n dr e l a t e dr e s e a r c h w i t ht h ea i do ft h ea d v a n c e de l e c t r o n o p t i c ss o f t w a r ed e v e l o p e db ym u n r o sl t d ， f i e l dd i s t r i b u t i o ni sc a l c u l a t e da c c u r a t e l yb ys e c o n d o r d e rf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d o p t i c a lc o l u m ni so p t i m i z e db yd a m p e dl e a s ts q u a r e sm e t h o d o p t i m u mv a r i a b l e sa r e t h ep o s i t i o n ，r e l a t i v er o t a t e da n g i ea n dr e l a t i v es t r e n g t h so fd e f l e c t o r s ，f i f t h - o r d e r a b e r r a t i o n sa n dl a d i n ga n g l ea r ec h o s e na st h eo b j e c t i v e t h r o u g hc h a n g i n gp o s i t i o n s ， r e l a t i v er o t a t e da n g l e ，a n dr e l a t i v es l 羚n 孚h so ft h ed e f l e c t o r s ，d e f l e c t i o nf i e l d ，w h i c h s u i tf o rn a n o m e t e r e x p o s u r e ，i se x p a n d e dt o2 5 0m i c r o m e t e r s o m ed e f l e c t o r s , w h i c h c a l le l i m i n a t ef o u r - f o l da b e r r a t i o n s ，a r ec o m p a r e di ns e n s i t i v i t ya n d p e r f o r m a n c e i ti s f o u n dt h a ts y s t e mw i t ht w od e f l e c t o r si nd i f f e r e n tl e n g t hh a sh i ；g h e s ts e n s i t i v i t yi nt h e p r e _ l e n sd o u b l ed e f l e c t i o ns y s t e m ，w h e nt h ev a l u eo fo p t i m u mr e l a t i v es t r e n g t hi s 纳米级电子柬曝光机聚焦偏转系统的研究 n e g a t i v eo n e e d d yc u r r e n tr e s u l t e di nt h ep o s i t i o n a le r r o ra n dd e c r e a s i n go f d e f l e c t i o ns p e e di nt h em a g n e t i cf o c u s i n gd e f l e c t i o ns y s t e m an e ws t r u c t u r e i n c l u d i n go u t e r a n di n n e r - l a y e rf e r r i t er i n g si si n t r o d u c e dt oc o r r e c te d d yc u r r e n t t h e t w ol a y e r sa r es p a c e db yc e r a m i cs p a c e ru n i f o r m l ya n ds t a g g e r e de a c ho t h e r _ i nr a d i a l d i r e c t i o n t h en e ws t r u c t u r en o to n l yc o r r e c t st h ee d d yc u r r e n t ，b u ta l s oi n c r e a s e st h e s e n s i t i v i t yo ft h ed e f l e c t i o nw i t h o u td e c r e a s i n gt h ep e r f o r m a n c e ( 2 ) r e s e a r c ho n 攮en a n o m e t e r - s c a l ef o c u s i n gd e f l e c t i o ns y s t e mw i t hv e r t i c a l l a n d i n ge l e c t r o nb e a ma ti m a g ep l a n e t w ok i n d so fn e wn a n o m e t e rd e f l e c t o rs y s t e ma t eb r o u g h tf o r w a r dt h r o u g ht h e a b o v ea n a l y s i s o n ei saf o c u s i n g - d e f l e c t i o ns y s t e mo ft h r e ed e f l e c t o r sb a s e do nt h e v a lp r i n c i p l e t o t a la b e r r a t i o n sa n dd i s t o r t i o no ft h es y s t e mw i t h o u td y n a m i c c o r r e c t i o na r e7 n ma n d5 4 n mr e s p e c t i v e l ya tt h ec o r n e ro ft h ef i e l d1 0 x l 。0 m m 2 i t s a p e r t u r ea n g l ei s1 8 m r a da n dl a n d i n ga n g l eo ft h ee l e c t r o nb e a mi sl e s st h a n0 0 0 0 3 d e g r e e 。 t h eo t h e ri saf o c u s i n g - d e f l e c t i o ns y s t e mw i t ht w oo b j e c t i v el e n sa n dt w o d e f l e c t o r s 。d o u b l eo b j e c t i v el e n ss y s t e mw i t ho p p o s i t ec u r r e n tc a l le l i m i n a t ef o u ro f t h ep r i m a r y a b e r r a t i o n s ，n a m e l y , i s o t r o p i ca n da n i s o t r o p i ed i s t o r t i o n ，a n di s o t r o p i c a n da n i s o t r o p i ct r a n s v e r s ec h r o m a t i ca b e r r a t i o n a f t e rd y n a m i cc o r r e c t i o n ，t o t a l a b e r r a t i o n sa n dd i s t o r t i o no ft h es y s t e ma r e1 8 6 n ma n d3 1 0 n mr e s p e c t i v e l ya tt h e c o r n e l o ft h ef i e l d1 x 1 m n 2 i t sa p e r t u r e 柚舀ei s1 8 m i n da n d l a n d i n ga n g l eo ft h e e l e c t r o nb e a mi sl e s st h a n0 0 3 4d e g r e e 。 k e y w o r d s ：e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h y , n a n o m e t e r - s c a l ef o c u s i n g - d e f l e c t i o ns y s t e m ， h i g h - o r d e ra b e r r a t i o n s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微纳米加工与曝光技术 近几十年来，微纳加工技术得到了快速的发展，这些发展与半导体微电子 产业的发展密切相关，半导体微电子产业的发展借助于微纳加工技术的发展，同 时又推动微纳加工技术向更细更精方向发展，在过去的十年，半导体微电子产业 把微纳加工推进到了深亚微米阶段，现在正向纳米阶段发展。在与半导体微电子 产业相关的微纳加工技术中，如图形曝光、材料刻蚀、薄膜生长、离子注入、粘 结互连等技术，图形曝光技术是微电子产业的主要驱动者。曝光图形的分辨率和 套刻精度的不断提高促成了器件性能的提高和成本下降。所谓曝光就是在涂有感 光胶的晶片上形成所要求的图形。曝光工艺可以分成传统光学、电子束、离子束、 x 射线和极紫外曝光等【1 1 。 闰1 - 11 0 纳米线宽的电子康曝光圈 闭1 - 25 纳米线擞的电子荣曝光图 传统光学曝光是指以紫外光或者超紫外光来实现的曝光工艺，i 垃几十年来， 光学曝毙在举导俸器转魏集戏毫路垒产羔一藏发挥餐援萁重簧懿终麓，夔着器终 向0 1 微米以下逼近，衍射效应等限制使得光学曝光技术面l i 毹严峻挑战。人们正 在磷究更短波长耱党滚，研制更高透射率静透镜耪料和设计更大数餐孔径角的光 学系统，但怒，更短波长的超紫外光衾缩短然深，同时又会被目前可供使用的光 学材料强烈瑕收，跌丽破坏系统的稳定性。而增加数值孑l 径势必缩短焦距并使像 纳米级电子柬曝光机聚焦偏转系统的研究 差增大。 电子束曝光的最大特点是其分辨率极高，加速电压通常在1 0 5 0 k v 之间， 相应的电子束波长为o 0 l - - 0 0 0 5 纳米，如此短的波长使它在曝光时的衍射效应 显得微乎其微，它的图形分辨率主要取决于束斑尺寸和电子束在感光胶内的散射 效应。通常认为电子束曝光的极限分辨率是3 纳米左右，图1 - 1 、1 - 2 是用电子 束曝光制作的高分辨率图形，线宽分别为1 0 纳米和5 纳米【2 1 。限制电子束曝光 的广泛应用主要在于其低的生产率。 在原理上，离子束曝光和电子柬曝光有很多相似之处，有很高的分辨率，离 子束的一个重要特点是可以进行带图形的注入、曝光、刻蚀、缺陷修复和离子感 应沉积等。但是掩摸制作、对准技术等难题使得离子束曝光提供商品化产品还需 时日。 经过3 0 年的发展，x 射线曝光技术已日趋成熟，逐渐接近工业应用，美国 s a l 公司利用千瓦级密集激光等离子体聚焦源开发了x r s 2 0 0 0x 射线曝光机， 已用于s a n d e r 公司的ga a s 器件生产，生产o 1 3 微米标准的器件，日本c a n o n 公司的第二代x 射线曝光机x a - 1 0 0 0 也已提供给a s e t ( t h ea s s o c i a t i o no f s u p e v a d v a n c e de l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , j a p a n 佣于研究和生产。 e u v 是指介于v u v 和软x 射线之间的那一段波长的辐射线。e u v l 通常 利用波长为1 1 1 4 纳米的辐射线和多层膜反射缩小系统，将反射型掩模投影到 工件面上。e u v l 技术由于其波长短，可以获得极高的分辨率，而且能保持较长 的焦深，e u v l 实验已获得1 0 0 纳米线宽等间距光栅图形和7 0 纳米孤立线条。 但这种技术目前仍处于研究阶段，一些关键技术正在探索中，如掩模的最佳化设 计、精密光学元件的制作、定位对准技术、系统稳定性和激光等离子体源。 除上述曝光方法外，研究人员还提出了一些特殊的图形制作方法，如模板直 接压印( i m p r i n tl i t h o g r a p h y ) 、软式刻印( s o f tl i t h o g r a p h y ) 、近场光亥l j ( n e a r - f i e l d l i t h o g r a p h y ) 和探针临近光刻( p r o x i m i t yp r o b el i t h o g r a p h y ) 等，这些方法均可以形成 微纳米图形，但它们仍处于实验室探索阶段，尚不具备生产性【3 4 1 。 2 第一章绪论 1 2 国内外电子束曝光技术的状况和应用 嘏子索瀑毙是2 0 毽纪6 0 年钱在扫接甑镜毂基餮i 上发疑起来静藩耨技术， 1 9 6 4 年英国剑桥大学的a n b r o e r s 在第六属国际三束会议上提出；f q 用电子束刻 蚀l u m 线条的徽细加工技术，弓l 起轰动。1 9 6 5 年t h pc h a n g 在蓟耩大学成功 研制出世界上第一台电子束曝光机。1 9 7 0 年法国t h o m s o nc s f 公司尊先成功的 将激光干涉定位装置应用予电子束曝光系统，形成了一台完蒋的电子束曝光枫， 但低浆生产搴制约繁它的应腿。7 0 冬钱以来廷发盼一系列技术，如成形电子东、 可变矩形柬、光栅扫描曝光提高了电予束曝光系的生产率。从2 0 世纪8 0 年代到 篼年代，案遗认为深噩微米领域瓣志滚骧巍技术爨然是毙攀曝光按泰，买巍亳 分辨率和灵活性的电子束曝光技术在掩模版制作方丽和纳米器件的研制和生产 牵发挥重要佟霜。缭夺投影电子柬漆先系统溉其有捺籀电予柬离分瓣率酌伉煮j 又具有高生产率的优势，是比较理想的、能用于微纳器件大规模生产的曝光设备， 其熬本原理怒，电予束经多级聚光镜汇聚瑶，形成平行照射的电子柬，照射剿有 镂空曩形的摭模上，嘏子束努过镂空掩模后，形成撼模图形的电子像再经投影系 统缩小并投影到工件上。缩小投影瓤子束曝光技术的理论研究始于2 0 世纪6 0 年代拐期，1 9 7 5 年囊美国穆m 公司突戏实验撵攫莠获褥曝焱试验缕莱，僵怒鸯 于掩模制造、对准技术和系统稳定性等问题，该技术没有得到突破性进展。随着 半导体工艺囊亚徽米送入缀涞，竣觳掩摸鼓求和篷予光学竣诗酶送麓，2 0 毽纪 8 0 举代末，缩小投影电子束曝光技术取得了突破性j 展，首先是b e l l 实验凝予 1 9 8 9 年开始研究一种其有角度限制酌电子柬缩，j 、投影成像系统( s c a t t e r i n gw i t h a n g u l a rl i m i t a t i o np r o j e c t i o ne l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h y , 简称s c a l p e l ) 。 s c a l p e l 系统原理如图1 3 所示。 强1 3s c a l p e l 系统曝巍蘸瑾强 入射电子 散射掩模 透镜 角度限制光阑 透镜 曝光面 3 纳米级电子束曝光机聚焦偏转系统的研究 1 9 9 4 年开始建立原理验证实验装置，1 9 9 7 年完成曝光验证装置，目前该机 装备在v j r g j n i a 大学的实验室，图1 - 4 所示为原理样机。该机的分辨率限制主要 源于空间电荷效应、像差。s c a l p e l 很快进入生产用实验机的研制工作，1 9 9 9 年由美国a p p l i e d m a t e r i a l s 公司和荷兰a s m l 公司合资成立了e l i t h 公司专门从 事s c a l p e l 技术的商品化阁。 耍l - 4s c a l p e l 曝光实验规 在同时期，日本n i k o n 公司秘美国的i b m 公司合弦，研究弛具露可 变轴浸没透镜的电予束缩小投影成像系统( p r o j e d i o nr e d u c t i o ne x p o s u r ew i t h v a r i a b l e a x i sl m m e f s i o nl e n s e s 篱稼p r e v a i l ) 6 1 。p r e v a i l 曝光瓿的毫孑炎学 原理如图1 - 5 所示 4 露爨帮分 投影部分 圈l 嗒p r e v a i l 曝光援戆毫子毙学骧壤 预偏转器 主偏转器和投影镜 第一章绪论 该系统与s c a l p e l 有很多相同点，如，它们都采用具有散射作用的掩模和 高能量电子束，都采用电偏转和机械移动相结合的方法来实现全场扫描，不同点 是s c a l p e l 采用薄膜为基础的散射性掩摸，而p r e v a i l 采用散射镂空掩摸， 该机目前存在的主要问题有子场拼接、套刻、生产率、i 临近效应校正、空间电荷 效应、硅片发热等问题。图1 7 所示为p r e v a i l 生产样机外貌。目前，提高生产 率的方法主要是加大曝光场、减少建立时间( s e t t l i n g t i m e ) 、提高工件台的速度， 而加大曝光场是最主要的措施。 图1 - 7p r e v a i l 生产样机外貌 上述两个系统可l ；l 得到4 0 纳米线宽的线条，有希望成为2 1 世纪取代光学曝 竞技零，用乎0 。1 徽涞戮下嚣释大瓣藤生产豹曝竞手段。 鞠l - 8 微光学阵列争束曝光示意图 5 纳米级电子束曝光机聚焦偏转系统的研究 此外，一些实验室，如i b m 实验室、韩国的s u m m o m 大学等还在研究低 能的微阵列系统和多源电子束曝光系统，以提高电子柬曝光的生产率【。7 8 ，但这 类系统的开发工作离生产使用还比较远。图1 - 8 所示微光学阵列多束曝光原理。 我国的电子束曝光技术开发的起步并不晚。1 9 6 4 年，在中国科学院黄兰友 教授领导下，由该院科仪厂、电工研究所等合作研究电子束加工机，该机器既可 以完成电子束热加工，也可以进行电子束曝光。此后，中国科学院电工研究所、 信息产业部4 8 研究所、哈尔滨工业大学和山东大学等单位一直在研究电子束曝 光技术，并开发了多种电子束曝光机。具有代表性的系统有：d 一2 微米级可变 矩形电子束曝光机( 中国科学院电工研究所、中国科学院光电技术研究所、中国 - 一 科学院科仪中心和中国科学院电子学研究所合作研制) ，最细线宽l u m ，可制作 5 英寸掩模板和直写4 英寸硅片。d y - 7 深皿微米电子束曝光机( 中国科学院电 工研究所研制) 的最细线宽0 1 u r e 1 0 l ，图1 9 为d y - 7 深亚微米电子束曝光机。 d b - 7 深亚微米电子束曝光机( 信息产业部4 8 研究所研制) 的最细线宽o 3 u m 。 爨1 - 9d y - 7 瀑亚羰涨电子裘曝光提 2 0 0 2 年3 月，中国科学院电工研究所还完成了电子束缩小投影成像曝光原 理装鬻装臻裁，获爨7 8 n m 羚分辨率翔形。东痃装登上完成了一系歹原理试验， 为该类曝光样机研制打下了坚实基础，菇大犬缩短了我国在该研究领域与国外的 差菠。 6 第一章绪论 1 3 电子束曝光技术的应用及问题 掩模的制造是半导体生产的关键技术，决定了半导体器件的性能和品质。随 着器件集成度的提高，器件的特征尺寸愈来愈小，目前掩模制造主要有电子束和 激光两类曝光设备，而电子束设备无论在性能上还是数量上均占优势。最先进的 激光制版系统，其束径在o 2 微米左右，如a d p l i e dm a t e r i a l s 公司的a l t a 3 9 0 0 型，它可以制作用于0 1 8 微米和0 1 5 微米器件生产的掩模，但对尺寸要求更小 的器件的掩模，只能用电子柬曝光设备来制作。 适用于掩模制造的代表性商品型电子束曝光系统主要有：a p p l i e dm a t e r i a l s 公司的m e b e s 5 5 0 0 ，m e b e s e x a i a 型，l e i c a 公司的s b 3 5 0m v 型，j e o l 公司 的j b x 3 0 3 0 型，n u f l a r et e c h n o l o g y 公司的e b m 4 0 0 0 b 型，h i t a c h i 的h b 7 0 0 0 0 型，i b m 公司开发的e l - 4 型。 电子束曝光系统除了制作掩模外，另一个重要用途是无掩模直接光刻，主要 用于半导体新产品的开发、新器件新电路的研制和半导体科学研究，箍于电子束 壹写的商分辨率使褥其可以获撂几令继米宽豹图形线条，电子束壹写在单毫予晶 体管，单电子存储器的研究中得到广泛应用f 1 1 】。有代表性的几种机型商，l e i c a 公 司茨v b 6 h r ，j e o l 公司懿j b x 9 3 0 0 ，r 越i t h 戆r a i t h l 5 0 ，c r e s t e c 公司赘 c a b l - 9 0 0 0 t f 等。 毙刻是徽遣子梳械系统耩究豹未要工艺，对手镶徽电税、徽泵等运蘩墼强麓| 械结构及包括微传感器、微执行器和相关电路的微机电系统，在制作过程中校往 需要l o 多次光蓊。微辊槭系统中的汽刻工慧可以周常规紫外曝光，也可用电子 束曝光，由于电子柬曝光图形易于修改，无镶制作摭摸，因此常常被优先袋用， 特剐在实验窳研究阶段。 魄予隶曝光除了上述应用磺究终，还被攘手三缝缝搀鲍囊l 造、全惑图形穰终 和电子束诱导沉积警方面。 为了瀵跫耱理联究及半簿俸器僚窝集残壤路玺产戆需要，要求邀予素攀溅设 备具有更高的分辨率、更高的生产举、更高的图形定位精度以及更便捷的操作。 开发电子光学柱设诗软件，设计祗像差豹电予光学校，既疆商了分辨率又有利于 提高图形精度和生产率，是提升曝光机性能的关键课题， 低的曝光生产率是阻碍电子柬曝光在生产使用中的主要原因，以下几方酾的 7 纳米级电子束曝光机聚焦偏转系统的研究 研究有助于提高生产率。 一新的曝光方式的研究，如可变成形柬电子束曝光、缩小投影电子束、微 光柱阵列曝光。 二加大扫描场 三高亮度电子源 四高速数据处理与传输 五高速偏转系统 六高速x 、y 工件台 七快捷、智能化的软件系统 八高灵敏度感光胶 8 第一章绪论 1 4 基于扫描电镜的纳米级电子束曝光系统研究的意义及存在的问题 由s e m 改造的电子束曝光系统具有很高的分辨率，但受到小扫描场和低生 产率的限制。尽管如此，对于大学和普通实验室来说，因其价格便宜、操作灵活 仍然受到欢迎【1 2 , 1 3 。s e m 改装机虽然无法和专用的电子束曝光机相媲美，但该 曝光系统在国内外很多实验室得到了广泛的应用，具有很好的应用前景。实际应 用包括量子器件制作，如量子线、量子结、超导量子干涉器件；光学结构如全息 照相、线形和环形光栅；电一机械结构，如声表面波器件、微机电系统器件；小 尺寸的掩模和小型传感器的制作；新型电子束抗蚀剂实验和直接电子束沉结等。 s e m 豹羧装圭簧楚设计一令国影发生器鞠数模转换电爨，一觳袋惩1 2 使虱 1 6 位的d a c 来驱动龟镜的偏转器，电子束幽静电或电磁束闸来调制，束闸通常 安藏在电子寐的交叉斑辩近。作为一耪替代瓣办法，电子束可亩电予稔的电辩中 线圈来关断，甚至根本不用关断电子柬，将电子束偏转到加工工件上没有图形的 区域。由于小型机算机和d a c 技术的发展，s e m 改装机已取得徽大的改进。 另外，s e m 追求的是崧裹的放大倍率时畜攫疑的分辨率，即缀小的辘上像 差，而对轴外像差要求不是很严格，也就是说随着扫描场的增加引起的系统像差 懿惑裂蠼热，孬剿，s e m 验扫攒线霾豹匮数遥豢较多，一般奁一羲夔鞋上。嚣 此扫描电镜的扫描速度一般都较慢，但这并不影响电镜的使用。对于电子束曝光 撬，既要求蠢离豹辘上努瓣搴，又希蓬在大鹣扫搐场肉其寄夺静辘辩像差，弱薅 还希龌获得商的扫描速度以提高产率。一般来说，满足纳米级图形曝光的扫描电 镜的扫描场在1 0 0 微米班肉l 堋。西藏，基于s e m 静电子束曝光枫馥造必须考虑 偏转系统的优化设计。 扫描电镜的另一限制主蔡是工件台，仪用于图像观察的正件台的定位精度通 鬻焱l 微张，移动范重邀缀有限，鬼了实现扫描场阕图形的壤确捞攘，在鸯珏王 面上需要有规律的放置定位标记，这就导致额外的处理过程和使用光刻技术预先 进符对准标记豹毒l 誊，最好挠隽系统配鍪激毙测量z 俘台。常觅翡以s e m 为基 础的改装电子束曝光系统如农1 - 1 所示。 9 纳米绂电子柬曝光机聚焦偏转系统的研究 表1 1 以s e m 为基础的改装电子束曝光系统 厂裔 j c n a b i l v r a i t hg m b h r a i 氇g m b hl c i c a 型号 n p g s e l p h y - p l u s r a i t h1 5 0e b l n a n o w r i t c r 最小柬斑根据s e m根据s e m2 n m 最细线宽根据s e m根攒s e m) t i m 扫描场加m 可调1 0 0可调1 0 01 埘0 0 加速邀莲k ve 4 0移莲80 2 3 l 秘l 速度i h z o 12 61 01 控制橇托p cp cp c 1 0 第一章绪论 1 s 聚焦偏转系统的作用及其概要 电子束光刻在适应微电子器件不断发展的同时，其自身也在不断的发展和完 善，由于用途和技术方案的不同，电子束曝光机按扫描方式分类，可分为矢量扫 描和光栅扫描两类；按束斑形状分类，可分为高斯圆形束、固定成形束、可变成 形束；按曝光方式分类，可分为扫描型和投影型。但是，无论是哪种类型的曝光 机，都具有一个非常核心的部件，即包括产生电子束的电子枪、聚焦成像的电子 透镜系统以及扫描作图的电子束偏转系统的电子光学柱，其原理框图如图1 1 0 所示，电子光学柱性能的好坏直接决定着电子束曝光机的性能指标。 图卜1 0 电子束曝光机电子光学柱 电子束曝光机的发展是随着电子光学理论的发展而发展的，计算机运算速度 的提高使数值计算方法成功地应用到电子光学设计中，1 9 7 4 年，m u n r o 最初将 有限元引入到电子光学的计算中，相对有限差分的数值方法，有限元法更加适合 于物理条件，几何边界条件比较复杂的问题1 1 5 , 1 6 | 。m u n r o ，o h i w a 等人推导了计算 任何磁一静电组合的聚焦偏转系统的光学性能的计算公式。1 9 8 2 年，m u n r o ，z h u x i e - q i n g 等人比较完整总结了电子光学设计的一般理论和方法，首先推导了聚焦 一偏转器系统的近轴区的电磁场方程，得到空闾场分布后，进而去求解电子的轨 迹方程，以及系统的像差，并成功地将阻尼最小二乘法应用到电子光学的优化中， 1 l 纳米级电子柬曝光机聚焦偏转系统的研究 当希望减小某个像差时，可以加大对应的权因子，通常只将彗差、色差等像差作 为优化的目标函数，因为场曲、畸变、像散可以由动态校正元件得到校正 1 7 , 1 8 , 1 9 , z 0 。随着扫描场的增加，高级像差所占的比例越来越明显，基于三级像差 理论方法，他们推导了通用的计算高级像差的方程。基于这些理论，编制了套 比较完善的电子光学设计软件，该软件已达到商用的水平，已经在许多国家得到 很好的应用。借助这套软件，日本日立公司完成了h d 8 0 0 d 型，美国的b e l l 实 验室完成了s c a l p e l 机的电子光学柱设计【2 1 l 。 对于极靴结构如图1 1 1 所示的磁透镜，l i e b m a n n 等的研究指出：当极靴端 面的直径比极靴孔的直径大三倍以上，极靴孔的轴向深度比上下两极靴之间的间 隙s 以及极靴孔都大时，极靴端面直径及孔的深度对轴上场不再有影响，对轴上 场分布起决定型作用是上、下极靴孔的直径d 。，d 2 ，及间隙s ，只要磁路其它部 分既没有过大的间隙，也没有饱和，则磁路对轴上场分布的影响是可以忽略的。 这个事实使我们可用简单的几何参量去考察透镜的性能【2 2 1 。a s a a l a m i r 对如图 1 1 2r i e c k e r u s k a 型透镜结构的参数d ，s 做了分析，指出，当s d = 2 时，透镜 的球差和色差最小1 2 3 2 4 1 。 饧忒。 渺叨 图1 1 1 磁透镜的几何参量示意圈图1 1 2r i e c k e - r u s k a 型透镜参数 在进行电子光学系统设计时，通常分两步进行： ( 1 ) 根据电子束曝光机总体指标的要求，设计电子枪和聚焦成像系统。 ( 2 ) 结合物镜，设计聚焦偏转复合系统。 应该指出的是，在进行设计计算时必须把这两步工作有机结合起来考虑。 第一章绪论 根据激励源的不同，电子透镜包括静电透镜和磁透镜两大类，静电透镜通常 由加有一定电压的具有旋转对称的电极组合而成，磁透镜一般由具有旋转对称的 几何形状的永久磁铁、通电线圈( 带或不带极靴) 构成。偏转器包括静电偏转器 和磁偏转器两类。 磁偏转器通常有环形、鞍形、复合形如图1 1 3 所示。 ( a ) 环形 鞍型 ( c ) 复合鞍型 图1 1 3 几种常见磁偏转器的结构示意图 静电偏转器有等截面电极共用式( 八极、十二、十六、8 + 4 n 等) ，非等截面 电极分离式( 十二、二十、二十八、4 + 8 n 极) 。 钆v 少 赴u 8 1 v 1 啦h 州 咖v ，。 絮州1 a 2 v y + a l v x ) o j - a 2 v y + a l v x 一一1 v v + a 2 v x - v l 气 ! v ， ( a ) 八极、电极共用式供电示意图( b ) 十二极、电极分离式供电示意图 图1 1 4 八极、十二极静电偏转器的供电示意图 文献【2 5 】分析了无限长和有限长电极共用式和电极分离式多级静电偏转器 的场分布，推导出获得均匀场的条件，并用有限差分法计算得其数值解，得到了 光轴上场分布的近似方程。指出，电极共用式结构简单，但供电比较复杂；而电 纳米级电子柬曝光机聚焦偏转系统的研究 极分离式结构复杂，但供电比较简单，图1 1 4 为八极、十二极静电偏转器的供 电示意图。 静电偏转器基本只受极板电容和驱动电路输出电阻的影响，相对磁偏转器， 静电偏转器有较快的偏转速度，但像差和偏转灵敏度要差一些，当然，如果偏转 场小，这点是可以忽略的，值得注意的是，静电偏转器易产生电荷积累，导致电 子束的偏移。 一般的电子束器件、仪器和装鼍中，聚焦场和扫描场在空间上是相互分开不 重叠的，但是在电子束曝光机中，透镜场和偏转场在空问上重叠在一起的聚焦 偏转复合系统使某些偏转像差可适当补偿磁透镜的轴外像差，使总体像差大大减 - - r 小。 文献 2 6 1 结合谝转器物理结构帮镳旅电路迸行设诗，指躐，线瀚疆数释麓丈 输出电流由下列因素决定：偏放的最大输出熊力( 通常为- i - 4 a ) ；偏转场的建立时 间的溪求。 磁偏转器的偏转速度低，像差和偏转灵敏度好；赘电偏转器具鸯棂高的偏转 速度。鉴于上述特点，双通道的甚至多通道的聚焦偏转系统得到了广泛应用，通 常主镶转采矮磁馕转，予场浆臻静电镶转器。这撑，篾满是了裹分辨搴率又糖褰 了生产率。也有全部采用静电偏转系统的，m r r 公司生产的e b 5 7 电子束曝光机 豹臻转系统采霜两级筠疆静电编转瓣，漕滁了3 次、5 次场分量l 瑚，其瞧德鲤 表1 - 2 所示： 表1 - 2e b 5 7 电子束曝光机的偏转系统僚能 篇尝篇皇= = = 掣攀掣= 皇= 皇端= 墨奄高苹蒜嫦端： ：篇：；薯= = = 拳= = 篇：= ：! ：! 拳：= ：= = = 崔0 掰酆es 盛幽瓣辑e 瓣 r a o k n 妇a s b i t1 2 b i t 1 8 h i t n 撕嘲l m yl ，2 螨鞋 s 蛐 糟舻1 0 挥i 妒 t 咖弘躐i s 刚n 他 l p p m c o 喇 科v士3 7 v 1 1 1 9 2 v 融麴壕i 鲐n 辩嚣& | 0 t s a r ! 1 1 3 0 f $ o v e r6 嘲。啦t h 毫 根据偏转器在系统中的位置，磁- 磁聚焦偏转系统有图1 1 5 所示六种基本类 型，m u n f o 等人就这几种类型作了计算分析l 嚣1 。 1 4 第一章绪论 z奎望羔 砀汤 a ) 传统静透镜螽单偏转 臣虱匾因心刘图 囟囡 习囫 协传统的透镜前取偏转 闼臣蚕羹划随 因囟 砀历 c ) 第二个偏转器旋转某个角度的透镜前双偏转 。因赵省 囟磁搦+ d ) 第= 偏转器个踅子物锐中的双懒转 越因黼 历囟沥 心透镜内单偏转 圈翻因图 历圜因历 鸯蒂寄一令黎穰转嚣耱透镜蠹穰转 图l ，1 5 几种不同类型的磁磁浆焦偏转蕊统 传统豹遴镜螽荦镶转妊须餐有避够静空阚菝置偏转器，随着工作距离酌增 搬，畸变和场曲会减小，球蓉会增加，对于特定的系统，偏转器有一个最佳位嚣， 搜褥总体像麓最夸。来加动态校正时，场曲怒影响其性能的擞要像麓，应尽凝使 纳米级电子束曝光机聚焦偏转系统的研究 像面离透镜较远，加有动态校正，通常使像面离透镜较近，使得在该处球差基本 等于偏转像差。 对于传统的透镜前双偏转，当电子束通过透镜中心交于光轴时，像差最小， 相对于单偏转，其性能要差一些，因为电子束进入第二个偏转器时己远离光轴。 通过改变第二个偏转器对第一个偏转器的相对转角可以提高前双偏转的性 能，该想法首先由o h i w a 等人提出，因为电子束进入透镜后，会产生旋转，从 而引入各向异性像差，通过使第二个偏转器旋转，引入另外的各向异性像差，这 些各向异性像差相互补偿，使总体像差大大减小，通常有一个最佳的旋转角。将 旋转某个角度的第二个偏转器置于透镜内，可进一步提高双偏转系统的性能，- 该 方法由o h i w a 等人提出，被称为“移动物镜( m o l ) ”系统【2 9 1 ，该方法能大大减 小场曲，这样，就可使像面靠近物镜，从而减小了球差。透镜内单偏转由p f e i f f e r 提出，该系统可使物像距离变小，相应减小球差和了电荷间的相互作用。其性能 和将旋转某个角度的第二个偏转器置于透镜内的系统差不多。将双偏转器置于透 镜内( 前者为预偏转器) 的系统的性能较透镜内单偏转的性能提高近一倍。 在o h i w a 等人搬出的被称为“移动物镜”系统的基础上，陈仲埔研究了电 子柬在磁复会馕转系统孛匏遮动软遗窝像差与电子窳主爨逡之闼 l 奄芙系，撼爨了 一阶近似的“摆动物镜( s o l ) ”和“摆动浸没物镜( s o i l ) ”概念1 3 0 , 3 1 1 。 炎钕予m o l ，h c p f e i f f e r 提爨了“交辘耪镜( v a l ) ”豹穰念，将豫黼移 到物镜极靴隧，又设计了浸没物镜( v a i l ) 的光学系统，该系统实现了低的像 差又使电子柬垂直入射靶面1 3 2 , 3 3 。强1 - t 6 、瀚1 - 1 7 分巍是v a i l , 和v a i l 酌潦理 示意图。最初的、，a k v a i l 等概念研究的是磁一磁复会聚焦偏转系统，后来对磁 一磁，磁一静电，静电一磁，静电一静电等的v a i l 、s o i l 条件进行了补充，并 比较了性能1 3 4 蚓。 y a s u m i c h iu n o 婶人也对电子光学的五级像差做了推导、分析，指出，为了 霞毫予束臻巍系统爨有离豹分辨率耪位萋饕疫，设谤一夸 聂像差移馒穗子垂嶷入 射的聚焦偏转系统至关重蔓，透镜内偏转、m o l 、v a l 、v a i l 、均匀场原理、 多遗道偏转簿常常 誉为一觳後设计方澍糍。 文献 3 7 1 分析了嚣种光学元件设计、安装带来的畸变( 动态和静态畸变) ， 通常的两种畸变为桶形和枕形，当偏转场和逐镜场鼗加时，可能产擞s 形畸变。 预 转 第一章绪论 此外偏转器的结构不对称或安装不对中时还会引入各种非对称畸变。而动态畸变 主要是由于