DE3222275A1

DE3222275A1 - Ablenk- und fokussiersystem fuer einen strahl aus geladenen teilchen

Info

Publication number: DE3222275A1
Application number: DE19823222275
Authority: DE
Inventors: Teruo Tokorozawa Saitama Hosokawa; Hirofumi Kiyose Tokyo Morita
Original assignee: Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1981-06-15
Filing date: 1982-06-14
Publication date: 1982-12-30
Also published as: JPH0213418B2; GB2104281A; FR2507816B1; DE3222275C2; GB2104281B; US4525629A; FR2507816A1; JPS57206173A

Description

Γ _ 5 _ "I

Die Erfindung betrifft ein Ablenk- und Fokussiersystem für einen Teilchenstrahl aus geladenen Teilchen, mit einer magnetischen Linse und einem elektrostatischen Deflektor (elektrostatische Ablenkeinheit)*

Ein derartiges Ablenk- und Fokussiersystem für geladene Teilchenstrahlen (nachstehend als "Strahl" bezeichnet), wird beispielsweise in Kathodenstrahlröhren, Fernsehaufnahmeröhren, Elektronenstrahlverarbeitungseinrichtungen, Elektronenstrahlbelichtungseinrichtungen oder Rasterelektronen-

t5 mikroskopen verwendet»

Mit zunehmendem Einsatz von VLSI-Schaltkreisen wird die Entwicklung schneller und hochgenauer Elektronenstrahlbelichtungseinrichtungen zunehmend interessant. Zur Realisierung einer derartigen Belichtungseinrichtung ist ein qualitativ hochwertiges Ablenk- und Fokussiersystem erforderlich. In einer Elektronenstrahlbelichtungseinrichtung wird ein von einer Elektronenkanone erzeugter Strahl zu einem Strahl mit quadratischem Querschnitt geformte Dieser im Querschnitt quadratische Strahl wird dann verkleinert und anschließend fokussiert und abgelenkt und damit auf eine gewünschte Stelle auf einer Target-Ebene oder einem Proben-Wafer auf einem Tisch projiziert* Das Ablenk- und Fokussiersystem darf allenfalls kleine Aberrationen aufgrund der Ablenkung des Strahls, d.h. chromatische Aberrationen, einen astigmatischen unscharfe-oder Streukreis_f eine Feldkrümmung oder Verzerrung aufweisen, und der Auftreffwinkel, mit dem der Strahl auf dem Target einfällt, sollte klein sein. Wenn die Aberrationen und der Auftreffwinkel groß sind, werden die Auflösung und die Strukturgenauigkeit verschlechtert.

Im Hinblick auf eine schnelle Ablenkung des Strahls ist die elektrostatische gegenüber der magnetischen Ablenkung bevorzugte

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Wenn der Strahl durch ein fokussierendes Magnetfeld und ein ablenkendes elektrostatisches Feld fokussiert und abgelenkt wird, die einander überlappen und sich gleichförmig über den gesamten Ablenk- und Fokussierraum erstrecken, sind die Aberrationen außerordentlich gering und der Auftreffwinkel ist ausreichend klein, so daß der Strahl praktisch vertikal auf eine Bildebene oder das Target auftrifft.

Bei einer Elektronenstrahlbelichtungsanlage ist jedoch ^ objektebenenseitig vom Ablenk- und Fokussiersystem eine Verkleinerungslinse angeordnet, während bildebenenseitig ein Wafer oder ein Tisch vorgesehen ist, so daß es schwierig ist, ein vollständig gleichförmiges elektromagnetisches Feld über den gesamten Ablenk- und Fokussierraum zu erhalten. ^ So ergeben sich im Ablenk- und Fokussiersystem objektebenenseitig und bildebenenseitig Ausfransungen, wo sich das elektrische Feld und das magnetische Feld abrupt ändern. Wenn das elektromagnetische Feld derartige Ausfransungen aufweist, sind die elektronenoptischen Eigenschaften des Systems verschieden von denen bei gleichförmiger Verteilung. Daraus ergibt sich, daß sowohl die Aberrationen als auch der Auftreffwinkel zunehmen.

Ein in einer Linse angeordneter magnetischer Deflektor ist

° beispielsweise von J.L₀ Mauer et al in "Electron Optics of an Electron-Beam Lithographie System", IBM J. Res. Develop. Seiten 514 - 521, November 1977, beschrieben. Dieser Deflektor weist große Aberrationen und Auftreffwinkel auf, und da bei diesem Deflektor eine magnetische Ablenkung ^ erfolgt, ist die Ablenkgeschwindigkeit gering.

Ferner liegen Vorschläge vor, wonach mehrere Ablenkstufen vorgesehen und derart abgestimmt sind, daß die Ablenkaberrationen durch die jeweiligen Deflektoren gegeneinander

ausgeglichen werden, um im gesamten System kleine Aberrationen und kleine Auftreffwinkel zu realisieren (vgl.

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z.B. "Advanced deflection concept for large area, high resolution e-beam lithography" von H.C. Pfeiffer et al., J. Vac. Sei. Technol., 19(4), November/Dezember 1981, Seiten 1058 bis 1063). Dabei werden Linsen mit variabler Achse, 4-stufige Deflektoren und ein dynamischer Stigmator verwendet, um die Ablenkaberrationen und den Auftreffwinkel zu verringern. Die Ablenkabberationen werden vollständig ausgeschaltet, und die Bedingung für vertikales Auftreffen wird ebenfalls bei einem derartigen mehrstufigen Ablenksystem erfüllt. Diese Tatsachen wurden theoretisch ab gehandelt von T. Hosokawa in "Systematic elimination of third order aberrations in electron beam scanning system", Optik, Bd. 56_f Nr. 1(1980), Seiten 21 - 30.

Wegen der mehrstufigen Deflektoren ist jedoch in diesem Fall eine große Anzahl von Stromversorgungen zum Ansteuern der Deflektoren erforderlich. Da die Stromversorgung für ein derartiges Ablenk- und Fokusiersystem sehr teuer ist, werden die Kosten bei einem derartigen mehrstufigen Ablenksystem sehr hoch. Ferner werden hohe Anforderungen an die Herstellungstechnik gestellt, wenn die Anzahl der Ablenkstufen erhöht wird. Dieses Erfordernis stellt ebenfalls eine Behinderung für die Realisierung eines mehrstufigen Ablenksystems dar.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ablenk- und Fokussiersystem für einen Teilchenstrahl aus geladenen Teilchen anzugeben, das bei einfacher Anordnung eine Reduktion der Aberrationen und eine Verringerung des Auftreffwinkels gestattet.

Diese Aufgabe wird insbesondere mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen System wird ein gleichförmiges elektromagnetisches Feld ohne Ausfransungen nicht gerichtet.

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jedoch werden Ausfransungen, die bei einer elektromagnetischen Feldverteilung in dem System erzeugt werden, ausgenutzt und derart abgestimmt, daß man eine elektromagnetische Feldverteilung mit geringen Aberrationen und kleinem Auftreffwinkel erhält, ebenso wie man ein gleichförmiges elektromagnetisches Feld ohne Ausfransungen bei einfacher Konstruktion erhält.

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Bei dem erfindungsgemäßen System können ferner die Parameter so gewählt werden, daß ein magnetisches Fokussierfeld und ein elektrostatisches Ablenkfeld im Mittelbereich einer magnetischen Linse eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung aufweisen, um den vorstehend erläuterten Nachteilen beim Stand der Technik zu begegnen.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1A einen schematischen Längsschnitt eines erfinfindungsgemäßen Ablenk- und Fokussiersystems,

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Figur 1B

Figur 2

Figuren 3A
bis 3D

Figur 4

einen Querschnitt entlang der Linie A-A¹ in Figur 1A,

eine schematische Darstellung eines magnetischen Fokussisrfeldes und eines elektrostatischen Ablenkfeldes in dem erfindungsgemäßen System mit möglichst großer Gleichförmigkeit der Feldverteilungen im Mittelbereich ₍

schematische Darstellungen der Ausfransungen des magnetischen Fokussierfeldes und des elektrostatischen Ablenkfeldes,

eine komplexe Darstellung der Beziehung zwischen der Ausfransungslage und dem Ablenk-Astigmatismus-Koeffizienten,

Figuren 5Α Diagramme der axialen magnetischen Fokussierfeld verteilung bzw. der axialen elektrostatischen Ablenkfeldverteilung vor der Abstimmung,

Figuren 6A
und 6B

Diagramme der axialen magnetischen Fökussierfeldverteilung bzw. der axialen elektrostatischen Ablenkfeldverteilung nach der Abstimmung,

Figur 7 eine komplexe Darstellung der Beziehung zwisehen dem Koeffizienten der Ablenkunschärfen-

länge und der Ausfransungsbreitej.

Figur 8 eine komplexe Darstellung der Beziehung zwischen dem Koeffizienten der Ablenkunschärfenlänge und der Position der Ausfransung,

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Figur 9 eine komplexe Darstellung der Beziehung zwischen dem Ablenkastigmatismuskoeffizienten und der Ausfransungsbreite,

Figur 10 eine komplexe Darstellung der Beziehung zwischen dem Ablenkastigmatismuskoeffizienten und der Position der Ausfransung,

Figur 11

eine komplexe Darstellung der Beziehung zwischen dem Koeffizienten der chromatischen Ablenkaberration und der Ausfransungsbreite,

Figur 12 eine komplexe Darstellung der Beziehung zwisehen dem Koeffizienten der chromatischen Ab—

lenkaberration und der Position der Ausfransung,

Figur 13 eine komplexe Darstellung der Beziehung zwisehen dem Koeffizienten für den vertikalen Auf-

treffehler und der Breite der Ausfransung,

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Figur 14 eine komplexe Darstellung der Beziehung zwischen dem Koeffizienten für den vertikalen Auftrefffehler und der Lage der Ausfransung,

Figuren 15A schematische Darstellungen zur Erläuterung der ^Un Definitionen für die Breite und die Lage der Ausfransung in den Figuren 7 bis 14,

Figuren 16A Verteilungskurven zur Erläuterung der optima^un len und tatsächlichen axialen, magnetischen

Fokussierfeldverteilungen bzw. axialen, elektrostatischen Ablenkfeldverteilungen,

Figur 17 einen Längsschnitt einer 24usführungsform eines erfindungsgemäßen Ablenk- und Fokussier sy stems

mit beispielhaften Bemessungsangaben für verschiedene Bauteile,

Figur 18 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ablenk- und

Fokussiersystems und

Figur 19 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines elektrostatischen Deflektors mit einer Schirmelektrode.

Das in den Figuren 1A und 1B dargestellte erfindungsgemäße System weist eine magnetische Linse 1 zum Fokussieren eines einfallenden Teilchenstrahls aus geladenen Teilchen, eine Fokussierungsspule 2 sowie magnetische Ringe 3 aus magnetischem Material auf, die innerhalb der magnetischen Linse 1 und im wesentlichen konzentrisch zu dieser angeordnet sind. Diese Ringe 3 sind in Richtung der Mittelachse der magnetischen Linse 1 voneinander getrennt angeordnet. Im wesentlichen konzentrisch zur magnetischen Linse 1 und innerhalb der Ringe 3 sind Ablenkelektroden 4 eines elektrostatischen Deflektors angeordnet. Im wesentlichen konzentrisch zur mag-

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netischen Linse 1 sind objektebenenseitig und bildebenenseitig gegenüber dem elektrostatischen Deflektor ringartige Masseelektroden (geerdete Elektroden) 5 und 5' vorgesehen. Abstandshalter 6, 6¹ und 6" aus nicht-magnetischem Material halten und stützen die Ringe 3 und die Masseelektroden 5 und 5'; ein zylindrischer Isolator 7 stützt die Ablenkelektroden 4'; Zwischenräume 8 und 8¹ zwischen den Elektroden 5 und 5' und den Ablenkelektroden 4 dienen zum Einstellen der Stärke des elektrostatischen Ablenkfeldes. Der elektrostatische Deflektor mit den Ablenkelektroden 4 ist über den abstützenden Isolator 7 innerhalb der magnetischen Linse 1 angeordnet, so daß das magnetische Fokussierfeld das elektrostatische Ablenkfeld überlappt (vgl. Figur 2). .

So kann beispielsweise der Ring 3 aus Permalloy bestehen, 80 mm Innendurchmesser und 120 mm Außendurchmesser haben sowie 5 bis 15 mm dick sein. Die Ringe 3 sind abwechselnd mit . ringartigen Abstandsstücken 6 gestapelt. Die Ablenkelektroden 4, die ringartigen Masseelektroden 5 und 5' sowie die Abstandsstücke 6, 6' und 6" bestehen aus einem nicht-magnetischen Leiter, beispielsweise aus Phosphorbronze. Der elektrostatische Deflektor weist mindestens vier, vorzugsweise acht oder mehr, beispielsweise acht bis zwölf Ablenkelektroden 4 (zum Verhindern einer vierfachen Aberration) auf, die in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind. Jede Ablenkelektrode 4 ist länglich ausgebildet, beispielsweise in Form einer Platte, Stange oder Zylinder mit vorzugsweise einer Länge von 50 bis 150 mm. Die Form kann in gewünschter Weise variiert werden, wobei jedoch alle Elektroden 4 die gleiche Form aufweisen sollten. Die jeweiligen Elektroden 4 sind* käfigartig isoliert angeordnet und konzentrisch zur magnetischen Linse 1. Der Innendurchmesser des elektrostatischen D'eflektors beträgt 40 mm und der Außendurchmesser 50 bis 60 mm.

Da durch die Größe der Zwischenräume 8,8' die elektrostatische

Ablenkfeldverteilung eingestellt werden kann, ist es beispielsweise möglich, bei kleinerem Zwischenraum eine relativ scharfe Feldbe-]_ grenzung (geringe AusfranSung) zu erzielen. ■

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Bei dieser Ausführungsform sind das magnetische Fokussierfeld und das elektrostatische Ablenkfeld so festgelegt, daß sie im wesentlichen gleichförmige Stärke im Mittelbereich der magnetischen Linse 1 in der nachstehenden Weise haben.

1. Die Lage der Ringe 3 in der magnetischen Linse 1, der Innendurchmesser und der Außendurchmesser sowie beispielsweise die Querschnittsform des Rings 3 werden in geeigneter Weise als Parameter so festgelegt, daß das magnetische Fokussjerfeld auf im wesentlichen gleichförmige Stärke in einem vorgegebenen Intervall im Mittelbe-/ reich der magnetischen Linse eingestellt wird und daß Ausfransungen des magnetischen Fokussierfeldes abgestimmt werden.

2. Die Position, der Innendurchmesser, der Außendurchmesser, die Breite und die Querschnittsform der Äblenkelektroden

4 des elektrostatischen Deflektors sowie die Lage, der Innendurchmesser, der Außendurchmesser, die Breite und die Querschnittsform der ringförmigen Masseelektroden

5 und 5", die zu beiden Seiten der Objekt- und Bildebenen angeordnet sind, werden in geeigneter Weise so parametrisch festgelegt, daß das elektrostatische Ablenkfeld im elektrostatischen Deflektor, d.h. in der magnetischen Linse 1, eine im wesentlichen gleichförmige Stärke in einem vorgegebenen Intervall im Mittelabschnitt der magnetischen Linse 1 aufweist. Ferner werden die Lage, der Innendurchmesser, der Außendurchmesser, die Breite und die Querschnittsform der ringförmigen Masseelektroden 5 und 5¹, die auf beiden Seiten der Objekt- und Bildebenen angeordnet sind, in besonders geeigneter Weise ausgewählt, um die Ausfransungen der elektrostatischen Ablenkfeldverteilung einzustellen und zu steuern.

Dadurch werden die Aberrationen vermindert, und der Strahl fällt auf der Targetebene vertikal oder mit einem geringen Auftreffwinkel ein, wobei das magnetische Fokussierteld und

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das elektrostatische Ablenkfeld mit im wesentlichen gleichförmiger Stärke in einem geeigneten Intervall im Mittelabschnitt der magnetischen Linse 1 verwendet und die Ausfransungen des elektromagnetischen Feldes abgestimmt und eingestellt werden.

Die Figur 2 zeigt schematisch die Verteilung des magnetischen Fokussierfeldes und des elektrostatischen Ablenkfeldes bei dem erfindungsgemäßen System gemäß Figur 1. Die Figur 2 zeigt etwas übertrieben die Gleichförmigkeit dieser Verteilungen in der Nähe des Mittelabschnitts der Linse für die Erzeugung eines fokussierenden Magnetfeldes. Tatsächlich ist es schwierig, im wesentlichen gleichförmige Felder für die magnetische Fokussierung und die elektrostatische Ablenkung über den gesamten Ablenk- und Fokussierraum im Ablenk- und Fokussiersystem zu realisieren. Gemäß Figur 2 nehmen die magnetische Fokussierf eldverteilung 9 und die elektrostatische Ablenkfeldverteilung 10 in der Nähe der beiden Enden der magnetischen Linse 1 ab. Erfindungsgemäß können jedoch die Länge des Abschnitts, wo sich die Felder im wesentlichen gleichförmig im Mittelabschnitt der magnetischen Linse 1 verteilen, sowie die Form des Abfall der Feldstärken in der Nähe der beiden Endabschnitte der magnetischen Linse 1 , d.h. die Ausfransungen, durch geeignete Variation der vorstehend erläuterten Parameter der magnetischen Linse und des elektrostatischen Deflektors leicht gesteuert werden. Dadurch können größere Strahlaberrationen und Strahlauf treff winkel vermieden werden,

im Rahmen der Erfindung sind bei Untersuchungen der Aberrationsformel bei einem System, bei dem das magnetische Fokussierfeld und ein elektrostatisches Ablenkfeld einander überlagert sind, die folgenden Tatsachen ermittelt worden. Wenn die magnetische Fokussierfeldverteilung und die elektrostatische Ablenkfeldverteilung in geeigneter Weise durch die Ringe 3, die Ablenkelektroden 4 und die ring-

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förraigen Masseelektroden 5 und 5' abgestimmt werden, können die Einflüsse der Ausfransungen auf die Aberrationen und den Fehler des vertikalen Auftreffwinkels durch die vorstehenden Abstimmungen mit lediglich einem einstufigen Deflektor vermieden werden, und zwar im Unterschied zum Stand der Technik, wo mehrere Deflektoren erforderlich sind.

Es sei angenommen, daß lediglich eine Ausfransung in jeder axialen _t magnetischen Fokussierfeldverteilung und der axialen, elektrostatischen Ablenkfeldverteilung vorhanden ist (vgl. Figuren 3A bis 3D) und daß die Ausfransung durch eine geeignete Kurve, beispielsweise eine sinusförmige Kurve, simuliert werden kann. Für diesen Fall ist die Beziehung zwischen einem Koeffizienten für den Ablenkastigmatismus

^5 und die Lage der Ausfransung in Figur 4 dargestellt. Dabei wird angenommen, daß die Breite der Ausfransung fest ist und die Lage der Ausfransung als Parameter vorliegt. Ferner zeigen die Figuren 3A und 3B Ausfransungen-der axialen, magnetischen Fokussierfeldverteilung objektebenenseitig bzw. bildebenenseitig. Die Figuren 3C und 3D zeigen Ausfransungen der axialen, elektrostatischen Ablenkfeldverteilung objektebenenseitig bzw» hildebenenseitig.

Es werden ferner unter Berücksichtigung des Ablenkastigma- ° tismus die Lage eines Punktes A vor der vorstehenden Abstimmung betrachtet. In diesem Fall befindet sich die objektebenenseitige Ausfransung (I) und die bildebenenseitige Ausfransung (II) des magnetischen Fokussierfeldes an den Stellen (I) bzw. (II) in Figur 5A, und diese Ausfransungen

(I) und (II) entsprechen den X-Punkten (I) bzw. (II) in Figur 4. In ähnlicher Weise befinden sich die objektebenenseitige Ausfransung (III) und die bildebenenseitige Ausfransung (IV) des elektrostatischen Ablenkfeldes an den Stellen (III) bzw. (IV) in Figur 5B_f und diese Ausfransungen (III) und (IV) entsprechen den X-Punkten (III) bzw. (IV) in Figur 4.

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Beispielsweise beträgt der Abstand zwischen der Objektebene und der Bildebene 200 mm und der Koeffizient für den Ablenkastigmatismus am Punkt A ist 0,36 μΐη. Dieser Koeffizient für den Ablenkastigmatismus sowie andere Aberrationen, die nachstehend näher erläutert werden,werden an einer Ecke eines elektrostatischen Ablenkbereichs von 10 mm gemessen, wenn der Öffnungswinkel (Divergenz) des Strahls 5 mrad beträgt. Bei anderen wesentlichen Aberrationen betragen die Ablenkunschärfestrecke 0,10 μΐη, die chromatische Ablenk— Aberration 0,23 μΐη und der Auftreffwinkel 2,2 mrad/1mmC3 . Hierbei ist der Ablenkastigmatismus so groß,, daß er reduziert werden sollte. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß die Lage und die Breite der vier Ausfransungen derart - eingestellt, daß ein Punkt des Ablenkastigmatismus sich an den Ursprung O entsprechend dem Idealzustand annähert.

Wenn die jeweiligen Positionen der Ausfransungen im den Figuren 5A und 5B nach■rechts und links verschoben werden_f so bewegen sich .die Orte der Ausfransungen in Richtung L bzw. R gemäß Figur 4, Wenn beispielsweise die bildebenenseitige Ausfransung .(IV) des elektrostatischen Ablenkfeldes in Figur 5B nach links verschoben wird, so bewegt sich der entsprechende X-Punkt (IV) in L-Richtung in Figur 4» Dadurch nähert sich der Punkt A an den Ursprung O an, und der Ablenkastigmatismus verringert sich. Wenn beispielsweise die Ausfransung um 3 mrn nach links in Figur 5B verschoben wird, so bewegt sich der Punkt A zum Punkt B_f so daß sich der Ablenkastigmatismus auf 0,26 μΐη verringert. In diesem Fall betragen der Koeffizient für die Ablenkunschärfestrecke 0,11 μΐη, der Koeffizient für die chromatische Ablenkaberration 0,25 μΐη und der Fehlerkoeffizient für den vertikalen Auftreffwinkel 1,8 mrad/mm Π. Dadurch wird von den hauptsächlichen Aberrationen der Ablenkastigmatismus auf 2/3 des Werts vor der Abstimmung re-

° duziert, während die übrigen Aberrationen im wesentlichen gleich bleiben, also im wesentlichen die gleichen Werte wie vor der Abstimmung aufweisen.

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Vorstehend wurde die Reduktion des Ablenkastigmatismus durch Abstimmen der Lage der Ausfransungen der magnetischen Fokussierfeldverteilung und der elektrostatischen Ablenkfeldverteilung erläutert. Tatsächlich werden die Beziehnungen der Ablenkunschärfestrecke, des Ablenkastigmatismus, der chromatischen Ablenkaberration und des Auftreffwinkels mit den Positionen und Breiten der Ausfransungen gemäß den Figuren 7 bis 14 erhalten. Dadurch werden die optimalen Positionen und Breiten der Ausfransungen, die sowohl die verschiedenen Aberrationen als auch den Auftreffwinkel vermindern, erhalten. Die Positionen und Breiten der Ausfransungen in den Figuren 7 bis 14 sind gemäß den Figuren 15A und 15B definiert. In Figur 15A sind die Breite W₁₁ und die Lage Z₁₁ der objektebenenseitigen Ausfransung des mag-

netischen Fokusierfeldes sowie die Breite W,_ und die Position Z₁„ der bildebenenseitigen Ausfransung des magne-

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tischen-Fokussierfeldes angegeben. In Figur 15B sind die Breite W . und die Position Z der objektebenenseitigen · Ausfransung sowie die Breite W _ und die Position Z „ der bildebenenseitigen Ausfransung des elektrostatischen Ablenkfeldes dargestellt.

Dadurch erhält man die optimale magnetische Fokussierfeldverteilung und die optimale elektrostatische Ablenkfeld-

verteilung beispielsweise entsprechend den gestrichelten Linien in den Figuren 16A bzw. 16Bc Vergleicht man die Magnetfeldverteilung in Figur 16A mit der elektrostatischen Ablenkfeldverteilung in Figur 16B, so zeigt sich, daß die Position der Ausfransung auf der Objektebenenseite A des

magnetischen Fokussierfeldes koinzident ist mit der des

elektrostatischen Ablenkfeldes. Verschiebt sich die Lage der Ausfransung zur Bildebenenseite B, so nimmt das magnetische Fokussierfeld mit einer relativ schwachen Sinusform in der Nähe der Mittellage zwischen der Objektebene A 35

und der Bildebene B zu, so daß die Verteilung des magnetischen Fokussierfeldes eine Zone mit gleichförmiger Stärke

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in einem kurzen Intervall im Mittelabschnitt aufweist. Dann nimmt das magnetische Fokussierfeld wieder mit einer relativ schwachen Sinusform ab. Dabei ist die Ausfransung auf der Bildebenenseite B des magnetischen Fokussöerfeldes an der Stelle der Bildebene B nicht null, und die Ausfransung erstreckt sich bis zu einer Stelle, die geringfügig außerhalb der Bildebenenlage B, d.h. der Lage einer Probe, ist.

Andererseits steigt das elektrostatische Ablenkfeld von der Position der Objektebene steiler sinusförmig an als beim magnetischen Fokussierfeld. Nach diesem starken Anstieg bleibt die Stärke des elektrostatischen Ablenkfeldes über ein relativ großes Intervall gleichförmig„ In der Nähe der Bildebenenlage fällt das elektrostatische Ablenkfeld' stark sinusförmig ab. Dabei ist das elektrostatische Ablenkfeld an der Position der Bildebene vollständig null im Gegensatz zum magnetischen Fokussierfeld.

Selbst wenn das elektrostatische Ablenkfeld in der Nähe der Position B der Bildebene null ist, hat das magnetische Fokussierfeld einen endlichen Wert, so daß die Abweichung der geladenen Teilchen aufgrund des elektrostatischen Äblenkfeldes durch das magnetische Fokussierfeld bis zur Probe reduziert werden kann. Folglich können der Auftreffwinkel und die Aberrationen, insbesondere der Ablenkastigmatismus, vermindert werden. Das elektrostatische Ablenkfeld verteilt sich gleichförmig über den größten Teil mit Ausnahme der beiden Abschnitte mit den Ausfransungen, so daß die geladenen Teilchen mit einem großen Ablenkwert durch eine geringe Spannung abgelenkt werden können. Daher kann die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Ablenk- und Fokussiersystems erhöht werden.

Die speziellen Formen und Anordnungen der magnetischen Fokussierlinse und des elektrostatischen Deflektors werden in der nachstehenden Weise festgelegt, um eine optimale elektromagnetische Feldverteilung zu erzielen.

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Bei der magnetischen Fokussierlinse 1 werden die Anzahl der Ringe 3 und deren Breiten und Abstände nacheinander so abgestimmt, daß die tatsächliche magnetische Fokussierfeld verteilung mit der optimalen Verteilung gemäß Figur 16A übereinstimmt. Der Innendurchmesser des Rings 3 wird so festgelegt, daß der elektrostatische Deflektor eingebaut werden kann. Dieser Ring 3 dient zur Verringerung der Asymmetrie des Magnetfeldes, die durch die üngleichförmigkeit der Windung der Fokussierspule 2 verursacht wird.

Beim elektrostatischen Deflektor werden die Länge der Ablenkelektrode 4 in Längsrichtung sowie die Abstände zwischen den Ablenkelektroden 4 und den ringförmigen Masseelektroden 5 und 5¹ nacheinander abgestimmt, so daß die tatsächliehe elektrostatische Ablenkfeldverteilung mit der optimalen. Verteilung gemäß Figur 16B möglichst weitgehend übereinstimmt. Die Gleichförmigkeit des elektrostatischen Ablenkfeldes wird hauptsächlich durch den einstufigen elektrostatischen Deflektor 4 erreicht. Die beiden Ausfransungen des elektrostatischen Ablenkfeldes werden hauptsächlich durch die ringförmigen Masseelektroden 5 und 5¹ gebildet. Ferner kann man die elektrostatische Ablenkfeldverteilung gemäß Figur 16B auch nur durch den elektrostatischen Deflektor ohne Verwendung von ringförmigen Masseelektroden 5 und 5" erreichen.

Um die Herstellungsgenauigkeit zu verbessern, können die Ablenkelektroden 4 des elektrostatischen Deflektors und die ringförmigen Masseelektroden 5 und 5' die gleichen Innendurchmesser aufweisen.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ablenk- und Fokusslersystems, das in dieser Weise konstruiert ist, ist in Figur 17 dargestellt mit Abmessungsbeispielen für verschiedene Elemente des Systems. Diese Abmessungen sind in mm angegeben und können beispielsweise unter Beibehaltung der Proportionen erhöht oder erniedrigt werden. Mit diesem

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System erhält man die magnetische Fokussierfeldverteilung und die elektrostatische Ablenkfeldverteilung gemäß den durchgezogenen Linien in den Figuren 16A bzw. 16B. Ferner sind bei dieser Ausführungsform die Ablenkelektroden 4 vom bildebenenseitigen Endabschnitt des Rings 3 in Richtung der Mittelachse der Magnetspule 2 zur Objektebenenseite verschoben." Die Ablenkelektroden 4 haben den gleichen Innendurchmesser wie die ringförmigen Masseelektroden 5- und 5' „

In Figur 18 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Ablenk- und Fokussiersystems dargestellt, wobei die gleichen Bezugszeichen wie bei den Figuren 1A und 1B für gleiche Bauelemente verwendet werden« Zur Aufnahme der Fokussierspule 2 sind ein oberes und ein unteres Gehäuseteil 11 bzw. 12 aus magnetischem Material vorgesehen, die mit Hilfe einer Schraube 13 starr miteinander verbunden sind. Die Fokussierspule 2 ist auf einem ringförmigen Abstandsstück 14 befestigt, das wiederum auf der Bodenfläche des unteren Gehäuseteils 12 angeordnet ist« Die Gehäuseteile 11 und 12

bilden ferner eine Kammer zur Aufnahme der Ringe 3, die beispielsweise aus Permalloy bestehen, sowie eine Kammer zur Aufnahme der Ablenkelektroden 4 des elektrostatischen Deflektors sowie der Masseelektroden 5 und 5'ο Um die innere Mantelfläche der Fokussierspule 2 ist ein hohlzylindrisches

Dichtungsteil 15 aus unmagnetischem Material angeordnet, um den Innenraum des'Dichtungsteils 15 vakuumdicht abzudichten. Das Dichtungsteil 15 richtet ferner den Ring 3 und das Abstandsstück 6 aus, das beispielsweise aus Phosphorbronze besteht. Das Dichtungsteil 15 ist luftdicht an den Gehäuse-

teilen 11 und 12 mit Hilfe von O-Ringen 16 und 17 befestigt. Am Dichtungsteil· 15 ist ein Anschluß 19 befestigt, der mit den Ablenkelektroden 4 über einen Verbindungszapfen 18 verbunden ist. Am Dichtungsteil 15 sind ferner Anschlußzapfen 22 befestigt, die mit einem Stigmator verbunden sind,

der wiederum durch Umwickeln einer Stigmatorspule 20 mit

einer Wicklung 21 gebildet wird. Diese Anschlußzapfen 22 L J

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sind ferner mit einem Anschluß 23 verbunden, der an den Gehäuseteilen 11 und 12 befestigt ist. Um den Stigmator ist eine dynamische Fokussierspule 24 angeordnet. Ein Anschluß für die Stromzufuhr der magnetischen Fokussierspulen 2 ist ebenfalls am Gehäuseteil 12 befestigt. Eine Schirmelektrode (Abschirmelektrode) 26 in Form eines Hohlzylinders umgibt den Außenmantel des Isolators 7.

Während die bildebenenseitige, ringförmige Masseelektrode die gleiche Form wie die objektebenenseitige, ringförmige Massenelektrode 5 haben kann (vgl. Figur 1A), hat bei der vorliegenden Ausführungsform die Masseelektrode 5¹ einen Flansch 5A¹ als Abstandsstück zum Abstützen des elektrostatischen Deflektors, sowie einen sich in Axialrichtung erstreckenden, ringförmigen Abschnitt,· der langer ist als bei der objektebenenseitigen Masseelektrode 5. Zum Auspumpen des Innenraums der Masseelektrode 5' ist in der Ringwandung eine öffnung-5B^f vorgesehen«·Der obere Endabschnitt des oberen Gehäuseteils 11 weist einen Flansch 11A zum Abdecken der objektebenenseitigen, ringförmigen Masseelektrode 5 auf, so daß das im System erzeugte Magnetfeld keine (objektebenenseitige) Vorstufe beeinflußt. Da der elektrostatische Deflektor mit den Ablenkelektroden 4 gegenüber der Kombination aus den Ringen 3 und den Abstandsstücken 6 zur Objektebenenseite hin verschoben ist, ist der Oberseitenabschnitt 11B des oberen Gehäuseteils 11 dicker als der untere Oberflächenabschnitt 12A des unteren Gehäuseteils 12.

Die Figur 18 zeigt ferner einen Probentisch 31 zur Auflage einer Standardprobe, um die Form des Strahlquerschnitts auf der Objektfläche des Ablenk- und Fokussiersystems zu bestimmen. Mit Hilfe eines Detektors 32 werden vom Probentisch 31 reflektierte Elektronen nachgewiesen; ferner ist ein Probentisch 33 für Wafer vorgesehen sowie ein Detektor 34 zum Ermitteln der Strahlbedingungen auf dem Probentisch 33.

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^222275

Die Figur 19 zeigt eine Querschnittsansicht des elektrostatischen Deflektors mit Ablenkelektroden 4 gemäß Figur 18, gesehen von der Objektebenenseite« Gemäß Figur 19 ist der Isolator 7 jeweils ein an der betreffenden Ablenkelektrode befestigter Streifen- Mehrere Kombinationen, bestehend aus der Elektrode 4 und dem isolierenden Streifen 7 sind in Umfangsrichtung und im Abstand zueinander auf der Innenmantelfläche der zylindrischen Schirmelektrode 26 angeordnet. Die Schirmelektrode 26 wird auf einem gleichmäßigen Potential, beispielsweise auf Massepotential gehalten und kann aus Phosphorbronze bestehen. Gemäß Figur weist die Schirmelektrode 26 eine öffnung 26A auf, in die ein Isolator 26B mit einer Bohrung 26C eingesetzt ist. Ein Verbindungszapfen 18 ist starr in die Bohrung 26C eingesetzt, so daß er mit den Äblenkelektroden 4 elektrisch verbunden ist.

Gemäß Figur 19 sind die Ablenkelektrode 4 und der isolierende Streifen 7 derart überlappend laminiert, daß der Streifen zwischen.den im Abstand angeordneten Ablenkelektroden 4 nicht gesehen wird, während die Schirmelektrode 26 zwischen diesen Ablenkelektroden 4 sichtbar ist_P wenn man die Ablenkelektroden 4 von der Mitte des elektrostatischen Deflektors aus betrachtet. Durch diesen Aufbau wird ein Aufladen der isolierenden Streifen 7 verhindert, und die Beeinflussung des Ablenk- und Fokussiersystems durch ein äußeres elektrostatisches Feld wird durch die Schirmelektrode 26 verhindert. Dadurch wird die Steuerbarkeit des elektrostatischen Deflektors verbessert.

Wenn man ein erfindungsgemäßes Ablenk- und Fokussiersystem herstellt, sollten verschiedene Herstellungstoleranzen berücksichtigt werden. Diese Toleranzen kann man abschätzen durch Ermittlung der Zunahme der totalen Aberration aufgrund von Herstellungsfehlern. Die Tabelle I gibt Toleranzen berechnet unter der Bedingung, daß die totale

3"! ^ Λ ^ π r
, Ζζζζ/5

Aberration höchstens 0,2 μΐη beträgt, an. Neben den Herstellungsfehlern sind die in Tabelle I angegebenen vier Toleranzentypen bedeutsam.

Tabelle I

10

15

20

Fehlerart	Toleranz
Abweichung des elektrostatischen Deflektors in Richtung der Mit telachse	^ 1 mm
Winkelabweichung für die Unterteilung der Ablenkelektroden 4	<C0,03°
Abweichungen zwischen den Mittelachsen der magnetischen Linse und des elektrostatischen Deflektors	^C 100 μΐη
Neigung der Mittelachse des elektrosta tischen Deflektors gegenüber der Mittel achse der magnetischen Linse	·£ 0,06°

25 30 35

Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, daß erfindungsgemäß die Ausfransungen des magnetischen Fokussierfeldes der magnetischen Linse und die Ausfransungen des elektrostatischen Ablenkfeldes des elektrostatischen Deflektors durch eine einfache Anordnung mit einem einstufigen elektrostatischen Deflektor abgestimmt werden können, um Aberrationen und Auftreffwinkel zu erreichen, die so klein wie bei gleichförmiger elektromagnetischer Feldverteilung sind. Da ein einstufiger elektrostatischer Deflektor zum Abstimmen der Feidausfransungen ausreichend ist, wird lediglich ein Stromversorgungssatz für das Ablenk- und Fokussiersystem benötigt und daher nur eine geringe Anzahl von schnellen und hochgenauen A/D-Umsetzern sowie Verstärkern zum Ansteuern des Deflektors. Dadurch ergeben sich erhebliche Verringerungen der Gesamtkosten bei dem

ι ι

- 23 -

1 erfindungsgemäßen Ablenk- und Fokussiersystem, das darüberhinaus, da der Deflektor elektrostatisch arbeitet, eine hohe Ablenkgeschwindigkeit ermöglicht.

Leerseite

Claims

VOSSlUS ■ VOSSlUS -TAUCHNER - H -Ξ U tv E M A N N - RAUH

PATE NTAN WÄ LTE

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

U.Z.: R 964 (He/kä) 14. Juni 1982

Case: TA 820409

NIPPON TELEGRAPH & TELEPHONE PUBLIC CORPORATION Tokio, Japan

" Ablenk- und Fokuäsiersystem für einen Strahl aus geladenen Teilchen "
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Patentansprüche

/I . Ablenk- und Fokussiersystem für einen Strahl aus geladenen Teilchen mit

a) einer magnetischen Linse (1) zum Fokussieren des Strahls_f

b) mehreren Ringen (3) aus magnetischem Material, die innerhalb der Linse (1) und im wesentlichen konzentrisch zu dieser axial unterteilt angeordnet sind, um eine vorgegebene, magnetische Fokussierf eidverteilung zu erzeugen, und mit

c} einem einstufigen elektrostatischen Deflektor mit mehreren Ablenkelektroden (4), die in Umfangsrichtung der Linse (1) unterteilt und innerhalb dieser Linse (1) zu dieser im wesentlichen konzentrisch angeordnet sind und sich in Richtung der Mittelachse der Linse (1) erstrecken, um eine vorgegebene elektrostatische Ablenkfeidverteilung zu erzeugen, so daß der durch die konzentrisch angeordneten Ablenkelektroden (4) hindurchlaufende Strahl entsprechend der an den Ablenkelektroden (4) anliegenden Spannung abgelenkt wird.

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^Γ - 2 -
2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ringförmige, geerdete Elektroden (Masseelektroden (5, 5¹)), die in Strahlrichtung objektebenenseitig und bildebenenseitig bezüglich des elektrostatischen Deflektors im wesentlichen konzentrisch zur Linse (1) angeordnet sind.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ringen (3) ringförmige Abstandsstücke (6, 6', 6") aus unmagnetischem Material angeordnet sind, deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem der Ringe (3) ist, so daß die magnetische Fokussierfeldverteilung durch die in Richtung der Mittelachse gemessene Dicke der Ringe (3) und der Abstandsstücke (6, 6¹, 6") abstimmbar ist.
15
4« System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Masseelektroden (5, 5¹) und dem elektrostatischen Deflektor (4) mindestens ein Zwischenraum (8, 8') vorgesehen ist, um durch die gewählte Länge des Zwischenraums (8, 8'} die elektrostatische Ablenkfeldverteilung abzustimmen.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser mindestens einer Masseelektrode (5, 5') kleiner als der der Ablenkelektrode (4) ist, um die Feldverteilung scharf abzugrenzen.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bildebenenseitige Endabschnitt des elektrostatischen Deflektors vom bildebenenseitigen Endabschnitt des Rings in Richtung der Mittelachse zur Objektebenenseite verschoben ist.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge-

kennzeichnet, daß der Innendurchmesser des elektrostatischen Deflektors im wesentlichen gleich dem der Masseelektrodenist.

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8. System nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer ersten Kammer zur Aufnahme der Spule der magnetischen Linse, einer zweiten Kammer zur Aufnahme der Ringe und einer dritten Kammer zur Aufnahme des ■ elektrostatischen Deflektors und der Mässeelektroden.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen sich nach innen erstreckenden Flansch aufweist, um die bezüglich des elektrostatischen Deflektors objektebenenseitig angeordnete Masseelektrode abzudecken.
10. System nach Anspruch 9_P gekennzeichnet durch ein Dichtungsteil aus unmagnetischem Material zwischen der ersten und der zweiten Kammer_r so daß letztere vakuumdicht ist, und durch an vorgegebenen Stellen befestigte Ringe.
11. System nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode bildebenenseitig einen Flansch zum haltern des elektrostatischen Deflektors aufweist.
12. System nach einem der Ansprüche 2 bis 1.0, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode bildebenenseitig einen Flansch zum Haltern der Ringe aufweist.

13c System nach einem der Ansprüche 6 bis. 12 _r dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Umfang eines Teils des elektrostatischen Deflektors, der von den Ringen zur Objektebenenseite vorspringt, eine Stigmatorspule aufgewickelt ist.

14c System nach Anspruch 13_f dadurch gekennzeichnet, daß um die Stigmatorspule eine dynamische Fokussierspule aufgewickelt ist.

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¹ 15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine Schirmelektrode auf dem Außenumfang des elektrostatischen Deflektors.

5 16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektrode hohlzylindrisch ist.

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