Brevet FR2597259A1 — publié le 19871016

DISPOSITIF A FAISCEAU ELECTRONIQUE POUR PROJETER L'IMAGE D'UN OBJET SUR UN ECHANTILLON La présente invention se rapporte à un dispositif d'optique électronique pour projeter l'image d'un objet sur un échantillon. La présente invention concerne plus particulièrement un système à faisceau de particules chargées conçu pour être utilisé dans la fabrication de configurations de circuits intégrés à grande échelle. Il est courant d'utiliser des faisceaux à particules chargées, ions ou électrons, en technologie Planar de fabrication de composants ou circuits semi-conducteurs pour impressionner des couches 10 sensibles à ces particules en vue de réaliser des transformations physico-chimiques à travers les fenêtres qui sont dessinées sur les couches sensibles à l'action des faisceaux de particules. L'utilisation de ces faisceaux de particules chargées dans Popération de dessin et gravure des couches sensibles, qu'on appelle microli15 thographie, est décrite, par exemple, dans le livre de E. MUNRO "Electron Beam Lithography in Applied Charged Particle Optics" Septier Academic Press (1980). Au plan de l'échantillon serni-conducteur, comme il est décrit dans cette publication, il est classique d'utiliser soit un faisceau 20 dont la densité a une distribution géométrique Gaussienne, soit un faisceau aux contours définis, ou soit encore un faisceau aux contours définis mais que l'on peut faire varier selon l'exposition d'un échantillon semi-conducteur. La présente invention concerne les machines produisant des faisceaux des deux derniers types 25 énoncés ci-dessus. Un système à faisceau aux contours définis variables ("variable shaped beam" selon la terminologie anglo-saxonne) est notamment décrit dans la communication de J. TROTEL: "Electron Beam Direct Writing Lithographic System", publiée dans les 30 "Proceedings on the 9th International Conference on Electron and Ion Beam Science and Technology". Tous les systèmes de microlithographie électronique ou ionique comportent, pour adresser le faisceau sur un point donné de Péchantillon, à la fois un déplacement mécanique de la table sur laquelle est disposé l'échantillon et un déplacement du faisceau par des procédés magnétiques ou électrostatiques. Le déplacement de la table peut être mesuré avec une grande précision au moyen d'une interférométrie laser comme cela est décrit dans la demande de brevet français FR-A-2 220 073. Lorsque le faisceau n'est pas défléchi par les moyens magnétique ou électrostatique, il est focalisé sur un plan dit Gaussien. Il est d'usage de situer le plan de l'échantillon au voisinage du plan Gaussien. Les moyens magnétiques pour défléchir le faisceau consistent généralement en des enroulements parcourus par un courant 15 électrique agencés de diverses façons et les moyens électrostatiques consistent en des électrodes situées à proximité du parcours du faisceau. Lorsqu'on augmente la déflexion du faisceau, il apparaît dans le plan Gaussien, à la fois une défocalisation du faisceau et une non linéarité entre les signaux électriques excitant les déviateurs 20 magnétiques ou électrostatiques et la distance défléchie du faisceau par rapport à l'axe. Ces défauts sont appelés aberrations géométriques et une description en est faite dans la publication de E. MUNRO précitée. L'ensemble des aberrations doit être inférieur à la précision recherchée. Le problème de la minimisation de ces aberrations est décrit également dans cette publication. Il est montré que l'on parvient à minimiser ces aberrations en distribuant la déflexion sur deux, trois étages ou même plus, chacun de ces étages ayant leur efficacité déterminée dans un rapport 30 donné ainsi que leurs orientations azimuthales respectives. On tire le maximum de tels arrangements lorsqu'un ou plusieurs de ces étages sont immergés, en partie ou totalement, dans le champ magnétique de la lentille. Il est important de pouvoir opérer la variation de déflexion très rapidement, la stabilisation du faisceau devant se faire avec la précision requise par le système. Les limitations à cette rapidité sont plus importantes avec des déviateurs magnétiques à cause de l'effet de self et de l'apparition de courants de Foucault dans des 5 pièces conductrices voisines des déviateurs. Il est courant de diviser le champ accessible au faisceau en zones ou "sous-champs", d'opérer des variations rapides à l'intérieur d'un sous-champ à l'aide d'un déviateur électrostatique et d'adresser le faisceau d'un sous-champ à un autre à l'aide d'un déviateur magnétique moins rapide, les 10 courants de Foucault étant réduits au-dessous d'une limite acceptable en guidant les lignes de champ magnétique des déviateurs dans des pièces magnétiques non conductrices, par exemple des ferrites pour empêcher lesdites lignes de champ de circuler dans les pièces polaires des lentilles généralement conductrices. Pour minimiser 15 l'apparition de courants de Foucault dans les pièces métalliques qui doivent entourer la trajectoire du faisceau, on doit réduire au maximum l'épaisseur de la couche conductrice, par exemple au moyen de techniques de couches minces sur tube isolant. Un autre type d'aberration qui limite la résolution des sys20 tèmes de microlithographie par faisceau d'électrons provient d'effets coulombiens, c'est-à-dire de la répulsion entre électrons dans le faisceau. Cet effet devient important pour les faisceaux aux contours définis variables, parce qu'ils permettent de disposer sur l'échantillon un courant électronique de travail plus important. Il est 25 démontré dans l'article "Transverse Coulombien Aberrations in electron lithography probes" paru dans "Optik 62", N 2, page 189, 1982 que l'aberration 6 r dite de charge d'espace obéit à la relation: 6 = a IL r r 2 a relation dans laquelle I désigne le courant de travail, L la trajectoire entre un diaphragme appelé stencil objet et le plan de l'échantillon et o la demi-ouverture du faisceau au plan de l'échantillon. En outre, pour limiter au strict nécessaire les charges dans le faisceau, il est proposé dans la demande de brevet français t l, FR-A-2 513 425 de disposer le diaphragme de limitation d'ouverture immédiatement en aval de la source de telle façon que ce diaphragme soit optiquement conjugué avec le centre optique de la dernière lentille. En plus des limitations théoriques qui viennent d'être décrites, il existe également dans tout système de microlithographie des problèmes de contamination en fonction du temps d'utilisation qui provoquent une dérive du faisceau et une perte de résolution du système. Le nettoyage est une opération qui peut être longue et 10 délicate. La présente invention concerne un dispositif d'optique électronique permettant de projeter l'image réduite d'un objet sur un échantillon avec un facteur de réduction dont Pordre de grandeur est typiquement de 1/50 pour une tension d'accélération typique de kV. Ce dispositif permet à un système de microlithographie d'être doté des propriétés typiques suivantes: - résolution et précision meilleures que 0,1 iim, toutes aberrations confondues; - rapidité d'adressage du faisceau; - courant de travail sur l'échantillon supérieur à 4 liA; - diminution des risques de contamination, simplification du montage et du nettoyage, et - champ magnétique nul ou négligeable au niveau de l'échan- tillon. Pour ce faire, et en particulier pour obtenir une diminution des risques de contamination et une simplification du montage et du nettoyage, l'invention propose un dispositif dans lequel aucun déviateur électrostatique n'est utilisé et comportant un tube isolant 30 métallisé unique couvrant le parcours du faisceau objet de l'échantillon. Il est proposé également un agencement des différents organes qui composent le dispositif de l'invention qui permette de réaliser les différentes exigences énoncées en maintenant la distance objet échantillons dans des limites raisonnables. Ce qui distingue notamment l'invention des systèmes de PArt Connu est de privilégier délibérément la réduction des aberrations coulombiennes en acceptant une réduction du champ adressé. L'invention a donc pour objet un dispositif d'optique à faisceau électronique pour projeter l'image d'un objet sur un plan échantillon, 5 comprenant deux étages de réductions à lentille électromagnétique pourvues de pièces de pièces polaires et d'axe optique déterminé, comportant un tube isolant unique à face intérieure métallisée protégeant la trajectoire du faisceau électronique entre l'objet et la pièce polaire inférieure de la dernière lentille. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit et de la figure unique annexeée. - La figure unique représente un dispositif selon l'invention. La figure unique représente schématiquement un dispositif 15 selon l'invention. Le dispositif représenté sur la figure est en réalité une demicoupe partielle d'un appareil de microlithographie, vue partielle limitée aux éléments essentiels de l'invention, c'est-à-dire la partie inférieure de l'appareil comprise entre un diaphragme S définissant 20 le contour du faisceau de particules et un échantillon EC. Le faisceau non réfléchi a pour axe de symétrie laxe optique A du dispositif. Dans la suite, on appellera ce diaphragme S stencil l'objet. Dans le cas d'un système à faisceau aux contours définis variable, ce 25 stencil S peut être un diaphragme comportant au moins deux arêtes formant un angle droit. L'image d'un autre stencil amont non représenté est également formée sur le même plan, comme il est bien connu. L'étage final représenté sur la figure 1 comporte trois étages, 30 comprenant chacun une lentille électromagnétique: L1 à L3 pourvues de pièces polaires CM1 à CM3. Les centres optiques des lentilles électromagnétiques sont respectivement O1 02 et 03. La lentille électromagnétique L1 est située matériellement en aval du stencil S, mais son centre optique O1 est très proche du stencil (typiquement à moins de 10 mm). Le courant d'excitation de la lentille L1 est réglé pour conjuguer, au centre optique 03 de la lentille L3, l'image d'un diaphragme de limitation d'ouverture, non représenté, situé dans la colonne électronique en amont du dispositif. Pour fixer les idées, la lentille L2 a son centre optique 02 situé à 100 mm du stencil S. La dernière lentille L3 a son centre optique 03 situé à environ 65 mm du centre optique 02. La distance entre 03 et le plan de l'échantillon P est d'environ 20 mm. Outre les lentilles L1 à L3, le dispositif comprend, au niveauu de la lentille L: un stigmateur magnétique ST1 dont le r8le est de corriger rlorthogonalité du stencil S, un déviateur statique magnétique C1 destiné à centrer le 15 faisceau dans la lentille L2 et une bobine coaxiale R excitée pour corriger l'orientation de rimage du stencil au plan de l'échantillon. La convergence de la bobine R est négligeable. Le dispositif comprend en outre un stigmateur ST2 destiné à 20 corriger Pastigmatisme pris au sens classique du terme, c'est-à-dire une mise au point sur l'échantillon différente selon deux directions orthogonales considérées, au niveau de la lentille L2 et un déviateur dynamique C2 destiné à centrer le faisceau dans la lentille L3. Sur la figure 1, il a été représenté enfin deux 25 éléments D1 et D2 qui sont les deux étages, mis en série, d'un déviateur dynamique destiné à adresser le faisceau sur le plan P de l'échantillon. Des éléments sont disposés au niveau de la lentille L3. Les éléments C 1-C2 et D1-D2 sont chacun excités par deux courants indépendants permettant de régler la déviation du faisceau 30 à la fois en amplitude et en rotation. Les éléments C1, ST1, R et ST2 peuvent être réunis dans un même bloc moulé B1 dont les connexions de sortie seraient insérées entre les lentilles L1 et L2. De même, les éléments C2, D1 et D2 peuvent être réunis dans un autre bloc moulé B2 dont les connexions de sorties seraient insérées entre les lentilles L2 et L3. Le dispositif comprend aussi les éléments F1, F2 et F3 qui sont des pièces en matériau magnétique non conducteur, par exemple de la ferrite, destinées à guider les lignes de champ magnétique 5 extérieures du déviateur D1-D2 et à éviter ainsi la génération de courants de Foucault dans des pièces conductrices. Le r8le des deux dernières lentilles L2 et L3 est de réaliser une réduction de l'objet représenté par le stencil objet S dans un rapport typique de 1/20 à 1/100. La première lentille L1 a pour rôle 10 de régler, comme il a été précédemment indiqué, l'image du stencil S du centre optique 03 de la troisième lentille L3. L'ensemble est complété par un détecteur semiconducteur OSC situé entre la pièce polaire CM3 de la dernière lentille L3 et l'échantillon. Celui- ci est protégé par une pièce spéciale PRO 15 entièrement métallique. Le rôle du détecteur DSC est de détecter les électrons secondaires émis par l'échantillon EC à des fins de réglage. Il possède une symétrie de révolution. Selon une caractéristique principale de rl'invention, il est prévu un tube T1 unique entre l'objet S et l'échantillon EC. Ce tube est 20 réalisé en matériau isolant et métallisé intérieurement pour permettre l'écoulement des charges électroniques. L'utilisation d'un tube unique entre objet et échantillon donne un avantage décisif par rapport aux machines de lithographie de l'Art Connu o sont disposés entre objet et échantillon des accessoires tels que plaques électro25 statiques ou diaphragme de limitation d'ouverture. La pièce spéciale PRO de protection du détecteur DSC a un diamètre plus petit que celui du tube T1, mais le diamètre intérieur n'est en aucun cas percuté par les électrons quelle que soit la position adressée du faisceau. Le diamètre extérieur du tube unique 30 T1 est typiquement de 1 cm. Il peut être en alumine et la métallisation peut être effectué par un dépôt du type dit "electroless" comprenant une couche d'accrochage en cuivre et d'une couche de protection dorée. Dans les conditions qui viennent d'être décrites, la distance totale entre objet (stencil S) et échantillon peut être réduite à moins de 20 cm pour une réduction de 1/50 avec une tension d'accélération des électrons de 20 kV. REVENDICATIONS I. Dispositif d'optique à faisceau électronique pour projeter l'image d'un objet (S) sur un plan échantillon (P), comprenant deux étages de réductions à lentille électromagnétique (L2, L3) pourvues de pièces polaires (CM1 à CM3) et d'axe optique déterminé (A), 5 caractérisé en ce qu'il comporte un tube isolant unique (T1) à face intérieure métallisée protégeant la trajectoire du faisceau électronique entre l'objet (S) et la pièce polaire inférieure (CM3) de la dernière lentille (L3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il 10 comporte en outre entre l'objet (S) et la première lentille de réduction L2, une lentille supplémentaire L1, permettant de régler au centre optique (03) de la dernière lentille L3 l'image d'un diaphragme de limitation situé en amont du plan objet (S). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le 15 dispositif comprend également un déviateur magnétique statique (C1), un stigmateur (ST1) et une bobine correctrice de rotation (R) au niveau de ladite lentille supplémentaire (L1);un autre stigmateur (ST1), au niveau de la première lentille de réduction (4), un déviateur magnétique statique (C2) et un déviateur magnétique dynamique 20 (D1, D2) au niveau de la lentille de réduction (L3). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube isolant unique (T1) est un tube en alumine et que la métallisation est un dépôt métallique comprenant, superposées, une première couche en cuivre et une deuxième couche en or. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il est compris dans un appareil de microlithographie. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'appareil de microlithographie est à faisceau électronique à con30 tours définis variables.