用于高生产量制图的自适应射束电流的制作方法

本发明大体涉及用于以图案沉积材料的方法和设备。

背景技术：

诸如电子射束系统、离子射束系统、激光射束系统、团簇射束系统和中性粒子射束系统的射束系统被用于通过刻蚀或者沉积材料创建表面上的特征。聚焦射束被用于从样品移除材料，并将材料沉积到样品上。材料能够通过溅射而被移除，其中，射束中的粒子的动量物理地从样品表面撞击原子或分子。

粒子或者激光射束可以被用于诱导化学反应。在一些情况下，射束诱导前体气体的分解。前体气体优选地是稳定的，从而其不与远离射束碰撞区域的工件反应。沉积或者刻蚀的分辨率由射束直径以及射束和工件之间的相互作用的区确定。本文中使用“分辨率”以提及过程能够生产的最小的特征尺寸。

在射束诱导的沉积中，分解产物包括剩余在工件上的非挥发性产物和最终由真空泵所移除的挥发性产物。例如，气态的有机金属化合物(诸如，六羰基钨)可以被提供在样品附近并且被吸附到表面上。射束使六羰基钨分解，以使钨在射束碰撞点处留在工件上。

在射束诱导的刻蚀中，前体气体与工件材料形成挥发性副产物，其最终通过真空泵来移除。例如，碘能够被用作前体气体以刻蚀硅，碘在射束存在的情况下与硅形成挥发性化合物。许多沉积前体和刻蚀前体在本领域中是已知的。在诸如碳60粒子的射束的一些情况下，在射束中的材料在不使前体分离的情况下被直接地沉积到表面上。

不同类型的射束提供不同量的能量，并且在样品处具有不同的斑点尺寸。更高能量典型地对应于更高的刻蚀或者沉积率，但是对应于更低的分辨率。当带电的粒子射束能够被聚焦到比激光束更小得多的斑点时，在工件上的射束斑点的尺寸典型地与射束中的电流有关。射束电流通常由射束路径中的孔的尺寸确定。较小的孔阻挡更多的离轴粒子，其典型地不聚焦，以及在该轴附近的粒子。阻挡离轴粒子减小了射束电流。而且，减小射束电流使得射束由于在射束中的带电粒子的排斥力而展开的趋势减小。改变孔典型地要求将新的孔物理地移到射束路径中，并且将新的孔置于中心，这花费一些时间。在一些系统中，电流也可以通过控制源的设置(诸如，等离子体密度或者提取电压)控制。

使用液体金属离子源的典型聚焦离子射束系统能够以约3nm到约3mm之间的斑点尺寸产生在约1pA到约100nA之间的电流。等离子体离子聚焦离子射束源能够以约4nm到约5mm之间的斑点尺寸产生在约1.5pA到约1.5μA之间的电流。电子射束电流典型地以从小于纳米到约3nm的斑点尺寸在约0.5pA到约0.5μA之间。小的、高分辨率的射束典型地具有低的电流，这产生低的刻蚀或者沉积率。例如，聚焦的电子射束诱导沉积的速率典型地在约5x10^-4μm^3.nC^-1左右。离子射束能够典型地使用射束诱导沉积以高达约每分钟一微米的速率沉积薄膜。

通过射束的多次扫描能够形成三维结构，其中在每次扫描时刻蚀或沉积附加材料。射束射到(address)的每一个点被称为“停留点”。在其期间射束保持在一个点处的时段被称为“停留时段”。提供到一个点的能量或者粒子的总量被称为“剂量”，并且也可以指代在单个停留时段或者到多个停留时段期间的剂量。扫描可以指代其中射束以诸如长方形的规则图案在处理区域之上扫描的光栅图案，或者可以指代其中射束以不规则图案被引导朝着个体点的扫描，。

要制造的图案可以通过示出了射束要被引导到的停留点的“位图”表示。能够使射束跨工件上的不要被射到的点迅速地偏离，或者能够使射束在停留点之间消失。为了形成沉积或者刻蚀材料的图案，电流系统允许用户指定在X，Y平面上的哪些点暴露以及针对每个点指定的停留时段。当机器操作者期望形成具有大和小的特征二者的图案时，操作者需要选择射束，该射束提供足够的分辨率以产生更精细的特征，这导致过多的时间用于形成更大的特征，其不要求高分辨率。

技术实现要素：

本发明的目标是提供改进的射束处理。

根据本发明的一些实施例，在制图期间的单个扫描内改变射束电流。位图的分析被执行，以确定图案的哪些区域需要低的射束电流来产生精细的特征，以及位图的哪些区域能够在更高的射束电流下被写入，以便提高生产量。通过考虑从使用更高的射束电流所节约的时间与改变射束电流所花费的时间之间的权衡，可以实现通过位图的射束路径的自动优化。实施例适用于使用单个扫描制造结构，或者使用重复扫描制造三维结构。

前文已经相当宽泛地概述本发明的特征和技术优点，以便使后续的本发明的详细描述可以被更好地理解。本发明的附加特征和优点将在下文中被描述。本领域技术人员应该领会的是，公开的构思和具体实施例可以被容易地用作修改或设计用于实现本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员也应该认识到，这样的等同构造不脱离如所附的权利要求书中所阐述的本发明的范围。

附图说明

为了更彻底地理解本发明及其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：

图1示出了能够被用于实施本发明的带电粒子射束系统。

图2是用于形成针对3-D材料沉积的图案的3-D CAD模型的表示。

图3是具有不同尺寸的特征的层的示意图。

图4示出了由材料沉积工艺形成的3-D结构。

图5是示出了实施本发明的方法的步骤的流程图。

图6示出了用针对在位图上的每一个停留点的优选射束电流转换为位图的制图层。

图7示出了图6的位图，其中基于改变电流的时间以及每停留点的优选电流优化针对每一个停留点的电流。

具体实施方式

要使用射束处理制造的典型图案可以包括变化尺寸的特征。当使用带电粒子射束对工件制图时，每像素的最大射束电流典型地由用户针对期望要制造的最小隔离特征来确定。然后，用于最小特征的射束电流被施加到整个图案，这导致任何大的区域特征将会使用与最小特征相同的射束电流被沉积。这大量增加了对更大区域制图所需的时间。因此，在电流系统中，可以取决于特征的尺寸改变射束停留时间；然而，射束电流保持恒定，从而导致了比优化的更长的处理时间。申请人已经认识到这个问题，并且在一些实施例中，当更大的射束电流所节省的时间大于改变射束电流所需的时间时，改变单个扫描内的射束电流。

在一些实施例中，提供了一种用于规划用于以要制造的图案进行材料沉积的射束路径的方法，该图案被称为“结构图案”，其具有特征。结构图案被分析以确定在结构图案中的特征的尺寸。遍历结构图案的射束路径被配置，并且针对在结构图案中的每一个点所需的射束电流被确定。结构图案可以具有不同尺寸的特征，其中一些特征在面积或者体积上大于其他特征。取决于特征的尺寸，可以沿着射束路径改变射束电流。配置针对每一个点所需的射束电流包括确定针对该点的可接受射束电流。例如，针对相对小的特征的材料沉积对于高精度要求低的射束电流；然而，相对大的特征能够使用用于更快的沉积的更高的射束电流来沉积。在结构图案中的每一个特征在允许特征的精确沉积可接受的最高射束电流下来沉积。结构图案可以包括多个平面层，在单个射束扫描中沉积每一个平面层。

在一些实施例中，提供了一种规划用于用射束处理工件的射束路径的方法，该方法包括：提供要被射束处理的工件；提供具有多个可选择的射束强度的射束系统；提供具有要在工件上制图的至少一个位图的结构图案；分析每一个位图以确定用于位图上的每一个停留点的最佳的射束强度，以创建射束强度位图；分析射束强度位图以隔离可以用类似的射束强度处理的区；以及对于每一个可选择的射束强度规划针对像素化的位图的射束路径。

根据另一个实施例，材料被沉积在包括变化尺寸的特征的结构图案中。通过结构图案的射束路径被规划，并且每一个特征的尺寸被确定。针对在结构图案中的每一个点所需的射束电流取决于每一个特征的尺寸沿着射束路径被改变。配置针对在图案中的每一个点的射束电流包括确定针对该点的可接受射束剂量。对于相对小的特征，对于高精度要求低的射束电流，并且对于相对大的特征，更高的射束电流能够用于更快的沉积。在允许特征的精确沉积可接受的最高射束电流下沉积在结构图案中的每一个特征。结构图案可以包括多个平面层，在单个射束扫描中沉积每一个平面层。由于改变射束电流所需的时间，因此射束电流不是基于个体停留点的要求选择的，而是基于停留点的组选择的。即，花费时间在单个停留点处增加射束电流可能是不值得的——仅仅增加停留时段用于该单个点可能是更高效的。如果几个顺序的停留点的所需分辨率允许使用大的射束电流，则投入时间改变射束电流用于这些多个的停留点可能是有利的。

图1示出了能够被用于实现本发明的实施例的双射束系统102。合适的射束系统是商业可获得的，例如从FEI公司、Hillsboro、Oregon，本发明的受让人商业可获得的。虽然合适的硬件的示例在下文中被提供，但是本发明并不限于以任何特定类型的硬件来实施。

双射束系统102具有垂直安装的电子射束镜筒104和聚焦离子射束(FIB)镜筒106，其被安装成与可抽空的样品室108上的垂直线成近似52度的角度。样品室可以由泵系统109抽空，该泵系统典型地包括涡轮分子泵、油扩散泵、离子吸气泵、涡旋泵或者其他已知的泵送装置中的一个或者多个或者组合。

电子射束镜筒104包括用于产生电子的诸如肖特基发射器或者冷场发射器的电子源110以及电子光学透镜112和114，其形成精细聚焦的电子射束116。电子源110典型地被维持在典型地被维持在接地电位处的工件118的电位之上的500V与30kV之间的电位处。

工件118可以例如是半导体器件、微机电系统(MEMS)或者光刻掩模。可以借助于偏转线圈120将电子射束116的碰撞点定位在工件118的表面上，并且在工件118的表面之上进行扫描。透镜112和114和偏转线圈120的操作由扫描电子显微镜电源和控制单元122控制。透镜和偏转单元可以使用电场、磁场或者其组合。

工件118在样品室108内的可移动的平台124上。平台124可以优选地在水平面(X和Y轴)中移动，和垂直地(Z轴)移动，并且可以倾斜近似六十(60)度以及绕Z轴旋转。门127可以被打开用于将工件118插入到X-Y-Z平台124上，并也用于保养内部气体供给存储器(未示出)，如果使用内部气体供给存储器的话。门是互锁的，使得如果样品室108被抽空，则门不能被打开。平台124可以例如通过珀尔帖(Peltier)冷却器(未示出)来冷却，或者通过例如电阻加热器126来加热。

安装在真空室上的是用于保持前体或者激活材料的多个气体喷射系统(GIS)130(示出两个)以及用于将气体引导到工件表面的针132。每一个GIS还包括装置134，其用于调节到工件的前体材料的供给。在这个示例中，调节装置被描述为可调节的阀，但是调节装置也可以例如包括调节的加热器，其用于加热前体材料以控制其蒸气压力。

聚焦离子射束镜筒106包括将离子源146以及包括引出电极150的聚焦镜筒148定位在其内的上颈部144，以及包括物镜151的静电光学系统。离子源146可以包括液体金属镓离子源、等离子体离子源、液体金属合金源、或者任何其他类型的离子源。聚焦镜筒148的轴与电子镜筒的轴倾斜52度。离子射束152从离子源146经过聚焦镜筒148，并且在静电偏转器154之间朝着工件118通过。

FIB电源和控制单元156提供离子源146处的电位。FIB电源和控制单元156被耦合到偏转板154，其可以促使离子射束在工件118的上表面上描绘出对应的图案。在一些系统中，偏转板被放置在最后的透镜之前，如本领域中公知的那样。当FIB电源和控制单元156施加消隐电压到消隐电极时，在离子射束聚焦镜筒148内的射束消隐电极(未示出)促使离子射束152碰撞到消隐孔(未示出)上，而不是碰撞到工件118上。

系统控制器138控制双射束系统102的各种部件的操作。通过系统控制器138，用户可以通过输入到常规用户接口(未示出)中的指令促使以所需的方式扫描离子射束152或者电子射束116。可替换地，系统控制器138可以根据存储在计算机存储器140中的程序指令控制双射束系统102。系统控制器138包括制图引擎，其将结构的二维或者三维模型转换为一系列的位图，并且然后转换为电信号用于控制离子射束或者电子射束。计算机存储器140可以存储用于实现本文中所描述的任何方法的指令。图1是在美国专利号8,853,078中示出和描述的双射束系统，该专利被转让给本发明的受让人，并且因此通过参考被并入，并且是供本发明使用的双射束系统的仅一个示例。

图2示出了3-D计算机辅助设计(CAD)模型200，其被用于通过材料沉积形成3-D图案。模型200包括变化的形状和尺寸的特征202、204、206。为了产生三维位图，模型200可以被分为多个平面层，其合起来表示三维模型。然后，每一个层可以被发送到制图引擎，并且被配置为所需图案的位图。这个过程可以使用来自ReplicatorG开源(open source)3D打印软件的GCODE生成器程序来实现，该软件在replicat.org/generators可获得，或者如果不能获得，则在www.archive.org可获得。

图3示出了由从模型200取得的平面水平层所形成的位图，在该模型200中，区302对应于特征202的一个层次(level)，区304对应于特征204的一个层次并且区306对应于特征206的一个层次。射束系统的制图算法确定在每一个平面层上的哪些点暴露到沿着射束路径的具体射束电流。然后，位图通过电子射束或离子射束适当地被制图，即，“写入”。可以通过从表面沉积材料或者刻蚀材料，或者这两者的某种结合形成制图。

图4示出了使用现有技术的方法从模型200(图2)产生的3-D结构的示例。模型被分为层，其中位图对应于每一个层。相同的停留时段和射束电流被用于每一个位图中的所有停留点。剂量(即，停留时段乘以电流)被设置在更高的水平，以减小处理时间。然而，可以看出，特征206的小的尖顶部分没有被适当地形成，因为每像素的剂量太高。这可以通过将全局剂量设置得更低来修正，但是制图然后将会花费更长得多的时间。改变位图图案内的射束电流允许以较高电流(和较小停留时段)形成较大尺度特征，而以较低射束电流形成较小尺度特征。这导致较高图案保真度与较高生产量。

在本发明的一个实施例中，针对每一个停留点的所需射束剂量由制图引擎确定。然后，制图引擎确定如何通过设置实现剂量的停留时段和电流的组合实现剂量。射束扫描在层中的所有高电流像素，并且然后扫描所有低电流像素。当斑点尺寸需要是小的，或者可以在没有后果的情况下是大的时，优选的是，改变射束电流，因为增加生产量。优选的是，当具有大的斑点尺寸是不合期望的时，调节停留时间。例如，区306(图3)表示特征206(图2)的小的尖顶。典型地，较小特征要求较低射束电流，以实现精确的材料沉积。能够用较高射束电流沉积诸如区302(图3)的较大特征，较高射束电流可以以较短停留时间提供较高剂量。将全局剂量设置得较低将会导致精确的材料沉积；然而，这将会大量增加大约几个小时的生产时间。较高全局剂量减小处理时间，但是，误差能够出现，从而导致不精确的材料沉积。

图5示出了流程图500，其描述了本发明的实施例的步骤。在步骤502中，将三维模型分解为层。在步骤504中，创建对应于第一层的位图。在步骤506中，在位图上的每一个停留点被分析以确定针对该停留点的最佳射束电流和停留时间。通过周围的停留点确定最佳电流。图6示出了具有特征602、604和606的位图。以交叉影线示出的停留点608使用低射束电流来最佳地写入，并且以实心黑色示出的停留点610用高射束电流来最佳地写入。各种方法可以被用于确定针对每一个停留点的最佳射束电流。来自于特征边缘的一定数量的停留点内的停留点使用低射束电流来优选地写入，以限定特征的尖锐边缘。在图6中，接触边缘或者具有接触特征边缘的拐角的停留点用低电流来写入。

取决于射束系统，可以花费约一分钟和五分钟之间的时间来通过物理地改变在射束路径中的射束限定孔改变电流。因此，应用在步骤506中计算和在图6中示出的停留时间和射束电流不是高效的。例如，在使用等离子体离子源的聚焦离子射束系统中，使用具有约1μm和1mm之间的直径的射束限定孔(BDA)，高的射束电流典型地在约100pA和约1mA之间，其中典型操作使用具有约100μm孔径的BDA具有约1μA的电流。使用具有大约1μm和1000μm之间的直径的BDA，低的电流可以在约1pA和100nA之间，其中典型操作使用约100μm的BDA直径具有约80nA的射束电流。

如果停留时段是3ms，并且电流被增加到原来的15倍，则停留时段能够被减小到200ns(3ms×1/15)以输送相同的剂量，时间节约为2.8ms。为了恢复改变孔所需的时间(例如，60秒)，受益于较高电流的停留点的数目将需要是至少60秒除以2.8ms，或者21500个停留点。例如，图案不是由单个来回(pass)构成，而是由上千个来回构成。对于由500×500个像素构成的具有1000个来回的图案或者层等同于2.5亿个总的停留点，从而使得射束电流转换非常时间有效。如上文讨论的，期望写入的整个图案或者结构被分为层。层厚度被标定为10-50nm，这取决于所期望的图案保真度。因此，图案可以具有比如100个层，并且每一个层将使射束越过其比如从数十到数千次。

在步骤508中，通过针对改变电流所需的时间平衡从增加射束电流所致的增加的生产量，确定要在每一个停留点处使用的射束电流和停留时间。

图7示出了例如以交叉图形示出的停留点702(虽然使用高射束电流被最佳地制图)将使用低射束电流来制图，因为减小的停留时间不补偿改变孔所需的时间。

在步骤510中，设置射束，并且在步骤512中，扫描要以该射束电流扫描的图案的部分。如果在判定块514中确定层的制图还未完成，则在块516中改变射束电流，并且工件在步骤512中以新的射束电流被再次制图。如果在判定块514中确定层的制图完成，则在判定块518中确定是否存在附加层要制图。如果是这样的话，则在步骤504中将下一层转换为位图，并且过程重复。当在判定块518中确定所有的层已经被制图，则过程结束。

优选地，将模型分为层和将层转换为位图通过系统控制器或者另一个计算机来自动地执行。虽然在图2中示出的模型由射束诱导沉积产生，但是其他实施例使用射束诱导刻蚀。

虽然示例描述在两个电流水平之间切换，但是其他实施例可以使用3、4或者更多个电流水平，在一些实施例中包括连续的电流值范围。也已知的是，射束电流可以确定材料是在前体气体存在的情况下被沉积还是被刻蚀。大的电流可以耗尽附着到基底的前体气体，并且比沉积材料更快地移除基底材料。改变射束电流可以用于在一些实施例中以从沉积过程切换到刻蚀过程。

本发明的一些实施例提供一种用于射束诱导材料沉积的方法，包括以下步骤：

确定要沉积的二维特征的图；

分析该图以确定要沉积的二维特征的尺寸；

从要沉积的二维特征的尺寸确定针对二维特征的每一个点的射束电流；

确定用于沉积二维特征的射束扫描路径；以及

以用于沉积材料的扫描图案扫描射束从而形成二维特征，不同的射束电流被用于扫描图案中的至少一些点。

在一些实施例中，以用于沉积材料的扫描图案扫描射束从而形成二维特征，包括：

使用第一射束电流扫描第一组二维特征点；

改变射束路径中的孔；以及

使用第二射束电流扫描第二组二维特征点。

在一些实施例中，使用第一射束电流扫描第一组二维特征点包括在不同的点处使用不同的停留时间。

一些实施例还包括：

提供三维结构的描述；以及

将三维结构分为多个二维层；

以及，其中，确定要沉积的二维特征的图包括确定二维层中的一个的图。

一些实施例还包括：

提供三维结构的描述；以及

将三维结构分为多个二维层图；

以及，其中，权利要求1的步骤被执行用于每一个二维层图。

在一些实施例中，第一射束电流被选择用于结构图案中的一些特征，以及第二射束电流被选择用于结构图案中的其他特征。

一些实施例提供一种射束诱导材料处理的方法，包括以下步骤：

提供具有变化尺寸的特征的结构图案；

分析结构图案以确定结构图案中的特征的尺寸；

确定遍历结构图案的射束路径；以及

确定针对结构图案中的每一个点所需的射束电流，其中，射束电流在结构图案中的不同的点处变化；以及

沿着射束路径使用在结构图案中的每一个点处确定的射束电流扫描射束。

在一些实施例中，射束电流根据包含点的特征的尺寸在结构图案中的不同的点处变化。

在一些实施例中，射束处理包括材料沉积。

在一些实施例中，结构图案包括多个平面层，将在单个射束扫描中沉积每一个平面层。

在一些实施例中，射束电流在单个射束路径扫描期间变化。

一些实施例提供一种用射束进行的射束诱导处理工件的方法，该方法包括以下步骤：

提供具有要在工件上制图的至少一个二维位图的结构图案；

分析至少一个位图以确定被用于一个或者多个位图中的每一个像素的射束电流，以创建射束电流位图；

分析所述射束电流位图以确定要用类似的射束电流处理的区：

规划针对位图的射束路径用于处理工件；以及

沿着规划的射束路径以选择的射束电流引导射束用于处理工件，至少两个不同的射束电流被用在用于处理工件的规划的射束路径中。

在一些实施例中，沿着规划的射束路径引导射束包括改变孔，通过该孔引导射束，以在规划的射束路径内选择不同的射束电流用于处理二维射束路径。

在一些实施例中，沿着规划的射束路径以选择的射束电流引导射束包括在不同的点处使用不同的停留时间。

在一些实施例中，提供具有要在工件上制图的至少一个位图的结构图案，包括：

提供三维结构的描述；以及

将三维结构分为多个二维位图。

一些实施例还包括，对于多个二维层的每一个：

分析对应的位图以确定被用于一个或者多个位图中的每一个像素的射束电流，以创建射束电流位图；

分析所述射束电流位图以确定要用类似的射束电流处理的区；

规划针对位图的射束路径用于处理工件；以及

沿着规划的射束路径以选择的射束电流引导射束用于处理工件，至少两个不同的射束电流被用在用于处理工件的规划的射束路径中。

一些实施例提供一种用于执行工件的射束处理的设备，该设备包括：

具有多个可选择的强度的射束系统，所述系统产生定向射束；

一个或者多个射束透镜，用于引导和聚焦所述射束；

沉积前体喷射系统；以及

用于控制所述设备的控制器，所述控制器从计算机系统接收指令，所述计算机系统被编程为执行上述方法的任何一个的步骤。

尽管本发明及其优点已经被详细地描述，但是，应该理解的是，在不脱离如所附的权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在本文中做出各种变化、替代和变更。而且，本申请的范围不旨在限于在说明书中描述的过程、机器、制造、物质的组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员将容易地从本发明的公开内容领会到的，可以根据本发明利用目前存在的或者以后要开发的过程、机器、制造、物质的组成、装置、方法或步骤，其执行基本上相同的功能或者实现与本文中描述的对应实施例基本上相同的结果。因此，所附的权利要求旨在在其范围内包括这样的过程、机器、制造、物质的组成、装置、方法或步骤。