专利名称：一种电子束缩小投影曝光成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微电子领域专用设备中的电子束曝光机，特别是涉及一种可实现50纳米以下分辨率的电子束缩小投影曝光成像系统。
背景技术：
电子束曝光机作为下一代微电子专用设备实现70纳米以下分辨率的关键是在保证高分辨率的同时，实现大面积曝光和一定的产率。通常情况下，电子光学设计中，高分辨率电子束曝光的面积比较小，可变光轴情况下的电子束曝光机在硅片上的一个曝光子场面积是250微米，可以实现100纳米的分辨率。通过偏转电子束和光轴(MOL和VAL法，即.Moving Objective Lens，H.Ohiwa，Electron Commun.Jpn.54B，44，1971，Variable Axis Lens，H.C.Pfeiffer，Appl.Phys.Lette.Vol.39，No.9.1981)，实现大面积曝光。对给定的掩膜到硅片的距离和系统的性能指标后，光学性能主要依赖于磁透镜的几何参数--极间距(S)和极靴孔的直径(D)，其最高分辨率受到电子光学有关设计理论的限制。对称的磁透镜设计中，电子束缩小透影曝光成像系统由对称磁透镜组成，即第一和第二个透镜的励磁电流方向相反，位置和几何尺寸满足对称透镜的要求( I1＝-I2，L1＝M×L2，S1＝M×S2，D1＝M×D2)。
如果S和D比较大，像差就比较小，但是，电子束到达掩模的角度(IA)和落在硅片上的角度(LA)将增加，尤其是在一个较大的曝光场的边缘处，IA和LA将会增加，这样会破坏电磁场分布的轴对称性，使电子轨迹的主线追迹通过掩模和到达硅片时，远离垂直交于所到达的面，物镜光阑处将会有场的重迭(Comprehensive Analysis of Electron Optical Design ofSCALPELR-HT/Alpha，Emerging Lithographic Technologies IV，ElzabethA.Dobisz，Editor，Proceeding of SPIE Vol.3997，2002)，进一步会导致相差和畸变的增加，要保持同样分辨率和畸变量，其代价将是减少曝光场的尺寸，这样影响产率。另一方面，如果D和S较小，同样的曝光场的尺寸内，LA和IA较小，但是，D和S太小的磁透镜，又会增加磁透镜系统的几何像差。在通常的理论指导和限制下，如果没有外加设计条件，D和S有一个最佳值。因此，欲保持同样的曝光场的尺寸，同时又要进一步减小像差、提高成像质量，必须要产生新的设计思想。
有鉴于上述现有的电子束缩小投影曝光成像系统存在的缺陷，本发明创建一种新型结构的电子束缩小投影曝光成像系统，能够改进一般现有的电子束缩小投影曝光成像系统的结构、完善和提高其性能，使高分辨、高产率电子束曝光机更适用于芯片制造的需要。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有的电子束缩小投影曝光成像系统存在的缺陷，而提供一种新型结构的电子束缩小投影曝光成像系统，使其能够达到增加磁透镜的极间距(S)和极靴孔的直径(D)的同时，保持同样的曝光场的尺寸，同时又要进一步减小像差、提高成像质量，实现50纳米以下分辨率的目标，可以进一步减小电子光学设计中的极限像差，同时保证成像系统满足远心条件，减少畸变。
本发明解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种电子束缩小投影曝光成像系统，包括电子枪、聚光镜、照明物镜、缩小投影成像物镜以及物镜光阑，其中该电子枪发出的电子经过聚光镜和照明物镜均匀照射在掩模上，通过缩小投影成像物镜和物镜光阑，在硅片上得到曝光图型，其特征在于该缩小投影成像物镜由非对称磁透镜组成，但是，磁透镜的线圈是复合线圈，实现理想的磁场分布，第一透镜和第二透镜的励磁电流相反，在透镜的下部设有磁屏用以屏蔽漏磁。
前述的一种电子束缩小投影曝光成像系统，其中所述的缩小投影成像物镜上设有偏转器，在成像物镜和偏转器之间有单层磁环，用以提高偏转灵敏度和减少电磁感应产生的涡流。
前述的一种电子束缩小投影曝光成像系统，其中所述的磁屏厚度为3-3.5毫米。
电子束缩小成像系统设计中，增加磁透镜的极间距(S)和极靴孔的直径(D)是提高分辨率的途径之一。但是，过大地增加D和S会产生漏磁，导致轴上电磁场在物镜光阑和像面处不为零，破坏电磁场分布的轴对称性和电子轨迹不能垂直交于像平面，进一步会导致像差和畸变的增加。该发明通过在适当位置设计一定尺寸磁屏的方案，来补偿由于增加D和S产生的漏磁和轴上磁场分布的不对称。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明通过适当位置设计磁屏的设计方法，解决了由于增加磁透镜的极间距(S)和极靴孔的直径(D)产生的漏磁问题和修正电磁场分布，限制LA和IA满足其远心的成像光学系统的要求，在减少像差的同时，不带来附加的畸变。同时补偿由于D和S增加带来的物镜光阑处的电磁场增加，保证D和S的增加可以继续减小像差，跨越原来设计的极限。实现了高分辨率和高产率。
综上所述，本发明一种电子束缩小投影曝光成像系统，具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用，该设计发明不论在结构上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了有效及实用的效果，确实具有增进系统性能的功效，从而更加适用于实现50纳米分辨率的下一代曝光机的光学设计，为一新颖、进步、实用的创新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
图1是本发明的电子束缩小投影曝光成像系统的结构示意图；图2a和图2b表示了在硅片成像位置附近的磁场的变化情况；图3a和图3b表示物镜光阑附近磁场密度的分布。
图中符号1，电子枪 2a，聚光透镜 2b，照明透镜 3，掩模4a.投影物镜第一个磁透镜 4b.投影物镜第二个磁透镜 5.物镜光阑6，硅片 7a，7b，7c，偏转器 8，磁屏 9，磁环具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电子束缩小投影曝光成像系统，将具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如下。
该发明所涉及的问题是电子束缩小投影光学系统的设计优化问题，该系统如图1所示(图中符号的意义见符号说明)，电子枪1发出的电子经过聚光镜2a和照明物镜2b，均匀照射在掩模3上，通过缩小投影成像物镜4a、4b和物镜光阑5，在硅片6上得到一定分辨率的曝光图型。
该电子束缩小透影曝光成像系统由非对称磁透镜组成，即第一和第二个透镜的励磁电流方向相反，但是两个磁透镜的位置和几何尺寸没有完全遵循对称透镜(I1＝-I2，L1＝M×L2，S1＝M×S2，D1＝M×D2)的要求，初始设计M＝4，D1＝180.5mm，D2＝90.25mm，S1＝46mm，S2＝23mm，磁透镜内部复合线圈用于调整磁场分布，实现低像差设计。偏转器7b和7c可以偏转电子束实现大面积曝光。子场面积为0.25mm×0.25mm，主场面积4.5mm×4.5mm。在投影第一物镜4a和偏转器7b之间、第二物镜4b和偏转器7c之间单层磁环9，每个磁环的尺寸为3.5-5mm，目的是提高偏转灵敏度和减少电磁感应产生的涡流。
其技术指标为250微米的子场内的最高分辨率为32.80nm，电子轨迹的主线在硅片上的入射角(LA)为0.036°(不为零)，畸变为0.33nm。
增加透镜磁极极靴孔的直径(D)和间距(S)，分辨率可以提高，其最高分辨率受到电子光学有关设计理论的限制。对称的磁透镜设计中，如果S和D比较大，像差比较小，但是，电子束到达掩膜的角度(IA)和落在硅片上的角度(LA)将增加，尤其是在一个较大的曝光场的边缘处，IA和LA将会增加，这样会破坏电磁分布的轴对称性，使电子轨迹的主线追迹到掩模和硅片时，远离垂直交于所到达的面，物镜光阑处将会有场的重迭，进一步会导致相差和畸变的增加。以往的设计是，在保证一定的子场大小和分辨率的情况下，有一个最佳的D和S，保证物镜光阑处的轴上磁场近视为零和电子到达硅片的轨迹垂直与硅片，继续增加D和S几乎是不可能的。该发明在物镜光阑和硅片附近，设计一定尺寸的磁屏，用以补偿和抵消由于D和S的增加而在物镜光阑和硅片处产生的附加磁场(漏磁)。这样，可以进一步增加D和S，同时，进一步减少像差和畸变。
现在，通过增大级靴孔经和级靴间距的办法进一步增加成像分辨率，靴孔经和级靴间距分别为D1＝188mm，D2＝100mm，S1＝47mm，S2＝28mm，这时，分辨率可以提高到28.85nm，但是LA增加到0.063°，畸变增加为0.40nm。为了解决这个问题，在投影第一物镜4a和偏转器7b之间、第二物镜4b和偏转器7c之间设计4-5mm厚的磁屏，补偿和限制由于进一步增加D和S产生漏磁所带来的附加磁场，改善光轴附近的磁场分布，减小像差。
在第一物镜4a下部(物镜光阑侧)和第二物镜4b下面位置(硅片附近)设计3-3.5mm厚的磁屏，屏蔽由于增加D和S产生的漏磁，保证在物镜光阑5中心处的磁场为零和磁场分布的轴对称性，同时，使电子轨迹以近90度角入射到硅片，保证其远心成像和最小畸变。这时，分辨率为28.20nm，LA＝0.04°，畸变为0.029nm。
发明的效果在实际系统中，没有绝对理想设计，也就是说，在没有加磁屏的成像系统的设计中，250微米的子场内的最高分辨率为32.80nm，电子轨迹的主线在硅片上的入射角(LA)为0.036°(不为零)畸变为0.33nm，这时候的第一(二)透镜磁极极靴孔的直径为D1(D2)，透镜俩两个磁极极靴的间距为S1(S2)。如果将D1(D2)增加为D1′(D2′)，分辨率可以提高到28.85nm，但是LA增加到0.063°，畸变为0.40nm。如果在透镜1和透镜2的适当位置设计一定尺寸的磁屏(如图1所示)，这时，分辨率为28.20nm，LA＝0.04°，畸变为0.029nm。
由于增加D值使物镜光阑中心(光阑和透镜光轴的交点)处的磁场辐射密度增加，同时增加了硅片上成像位置附近的磁场辐射密度，这是增加D使LA和畸变增加的主要原因。图2表示了在硅片成像位置附近的磁场的变化情况，曲线1表示原始设计的磁场密度分布，曲线2表示增加D后，磁场密度分布，曲线3表示增加D，同时设计磁屏后的磁场密度分布。图3表示物镜光阑附近磁场密度的分布，曲线1表示原始设计的磁场密度分布，曲线2表示增加D和磁屏后，磁场密度分布。结果表明，设计磁屏可以弥补由于D的增加产生的物镜光阑附近和硅片附近轴上磁场强度的变化，实现物镜光阑附近和硅片附近轴上磁场强度接近零的效果，满足成像系统的对称性条件和远心的要求，进一步减少像差和畸变，优化成像质量。
这些数据仅仅是为了说明该发明的效果，其绝对值随原始设计有所不同，原始设计的进一步优化和S/D比率的进一步优化，可以使该发明对电子束缩小透影曝光成像系统向高分辨率的优化具有更大的意义。
主要符号说明B磁场强度，单位是Tesla；Z光轴上的位置，单位是mm；D1和D2磁透镜1和磁透镜2的极靴孔直径；S1和S2分别是磁透镜1和磁透镜2两个极靴的间距；LA电子轨迹在硅片上曝光子场最大边缘处的入射角。
IA电子轨迹在掩膜上曝光子场最大边缘处的入射角。
L1掩模到物镜光阑的距离L2物镜光阑的距离到硅片的距离M缩小比率以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种电子束缩小投影曝光成像系统，包括电子枪(1)、聚光镜(2a)、照明物镜(2b)、缩小投影成像物镜(4a、4b)以及物镜光阑(5)，其中该电子枪(1)发出的电子经过聚光镜(2a)和照明物镜(2b)均匀照射在掩模(3)上，通过非对称缩小投影成像物镜(4a、4b)和物镜光阑(5)，在硅片(6)上得到曝光图型，其特征在于该缩小投影成像物镜(4a、4b)由非对称磁透镜组成，利用复合线圈调整次场分布，第一透镜(4a)和第二透镜(4b)的励磁电流相反，在透镜的轴内侧和下部设有磁屏(8)用以屏蔽漏磁。
2.根据权利要求1所述的一种电子束缩小投影曝光成像系统，其特征在于所述的缩小投影成像物镜(4a、4b)上设有偏转器(7b、7c)，在成像物镜(4a、4b)和偏转器(7b、7c)之间有单层磁环(9)，用以提高偏转灵敏度和减少电磁感应产生的涡流。
3.根据权利要求1或2所述的一种电子束缩小投影曝光成像系统，其特征在于所述的磁屏(8)的厚度为3-3.5毫米。
全文摘要
本发明涉及一种可实现50纳米以下分辨率的电子束缩小投影曝光成像系统，包括电子枪、聚光镜、照明物镜、非对称缩小投影成像物镜以及物镜光阑，其中该电子枪发出的电子经过聚光镜和照明物镜均匀照射在掩模上，通过缩小投影成像物镜和物镜光阑，在硅片上得到曝光图型，其特征在于该缩小投影成像物镜由非对称磁透镜组成，第一透镜和第二透镜的励磁电流相反，在透镜的下部设有磁屏用以屏蔽漏磁。本发明通过适当位置设计磁屏的设计方法，解决了由于增加磁透镜的极间距(S)和极靴孔的直径(D)产生的漏磁问题和修正电磁场分布，限制LA和IA满足其远心的成像光学系统的要求，在减少像差的同时，不带来附加的畸变。实现了高分辨率和高产率。
文档编号G03F7/20GK1567091SQ03137518
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月9日 优先权日2003年6月9日
发明者李艳秋 申请人:中国科学院电工研究所