Brevet FR2605143A1 — publié le 19880415

Dispositif d'optique électronique, d'illumination et de limitation d'ouverture variables, et son application à un système de lithographie par faisceau d'électrons. L'invention se rapporte au domaine de l'optique électroni- que, et plus particulièrement aux systèmes optiques de lithogra- phie par faisceau d'électrons. En optique électronique, il est fréquent d'avoir à proje- ter sur un plan appelé "plan-image", l'image d'un objet matériali- sé dans un plan du système d'optique électronique conjugué avec le plan-image. En tout point de l'image, les trajectoires inciden- tes sont inscrites dans un cône de demi-ouverture ", i. Cet angle " l"i est à mettre en relation avec la partie utilisée de la dernière lentille appelée "objectif" qui ne peut dépasser certai- nes limites sous peine de voir les aberrations excéder la préci- sion requise. Citons notamment: - L'aberration sphérique, proportionnelle au cube de l'angle " " - L'aberration chromatique, proportionnelle à l'angle " " i i Pour limiter l'angle I 0 ", la solution la plus classi- que, notamment dans les appareils de microscopie électronique, consiste à disposer un diaphragme D dans le plan principal de l'objectif LO comme représenté sur la figure 1, l'objectif for- mant dans le plan image Pi une image de l'objet situé dans le plan objet PO. Une solution voisine consiste à disposer le diaphragme D entre le plan objet ou le dernier plan conjugué du plan image et le plan principal de l'objectif, comme représenté sur la fi- gure 2. Cette solution peut être retenue lorsque la pénombre déterminée dans le plan principal de l'objectif par le dia- phragme et l'avant-dernière image est négligeable devant l'ombre du diaphragme dans le plan principal. Son avantage est de lais- ser la place à un système de déviation situé entre le diaphragme et l'objectif, qui ne devra pas nécessairement avoir un point de pivot dans le plan du diaphragme. Cette solution est souvent retenue pour des systèmes de lithographie par faisceau d'électrons Une autre solution décrite dans la demande de brevet français 81 17846, et représentée sur la figure 3, consiste à disposer le diaphragme de limitation d'ouverture D le plus près possible de la source S par exemple près d'une première lentille L1 et de concevoir le système d'optique électronique, 1, de telle sorte que ce diaphragme soit conjugué avec le plan princi- pal de l'objectif LO. Cette solution a l'avantage de limiter dès le début des trajectoires le courant des particules chargées et par là-même de réduire au maximum des effets parasites de nature coulombienne connus sous le nom d'effet "Boersch" ou d'effet de charge d'espace. Dans le brevet cité ci-dessus, il est expliqué que cette solution peut être particulièrement intéres- sante. pour des systèmes de lithographie à faisceau d'électrons dits "rectangulaires variables" ou encore à "faisceau formé". Dans les trois cas décrits ci-dessus, il existe une rela- tion biunivoque linéaire entre le diamètre du diaphragme matéria- lisé dans le système et l'angle " ( ". De cette façon, si on veut faire varier l'angle "0 ", parce que d'une utilisation à l'autre, la précision requise n'est pas la même, il est néces- saire de changer le diaphragme, soit en démontant le système, soit en utilisant un dispositif mécanique à plusieurs positions, chaque position correspondant à un diaphragme différent disposé sur la trajectoire du faisceau. Un tel dispositif mécanique a deux inconvénients: - la complexité mécanique introduite dans le système. - la limitation du nombre de valeurs qui peuvent être attribuées à l'angle " O( ", souvent 3 valeurs seulement. Par ailleurs, dans de tels systèmes, il est nécessaire de déterminer l'illumination de l'objet, à partir de la source. Etant donnée une source de diamètre ds qui émet dans un cône de demi-ouverture é, il est classique d'utiliser un sys- tème de lentilles électroniques, Ls, pour projeter sur l'objet à illuminer une image de la source dont le diamètre sera G x dsi pour une ouverture du faisceau de /G; on parle alors d'illu- 2605 143 mination critique. Ce mode d'illumination est représenté sur la figure 4. Il est également classique d'utiliser un système de lentil- les électroniques pour qu'au plan de l'objet à illuminer, l'image de la source soit rejetée à l'infini, et qu'ainsi, on pro- jette sur l'objet une image du diagramme angulaire de la source. On parle alors d'illumination de KOHLER. Ce mode d'illumination est' représenté sur la figure 5. Rien n'interdit évidemment de choisir des solutions inter- médiaires entre ces deux illuminations typiques. L'invention a pour objet un dispositif d'optique électroni- que dans lequel l'illumination et la limitation d'ouverture sont variables sans opération mécanique telle qu'un changement de diaphragme. L'invention a également pour objet un dispositif d'optique électronique destiné, entre-autres, à l'illumination d'un objet à partir d'une source et à la projection d'une image de cet objet sur un "plan-image", dans lequel l'ouverture du faisceau doit être limitée à un angle " 0 les est utilisé à la fois pour régler l'illumination de l'objet et pour faire varier par des moyens purement électroniques l'ouverture " O" de façon continue, sans dérégler les autres fonctions du système d'optique électronique. Selon l'invention un dispositif d'optique électronique, est caractérisé en ce qu'il comporte, entre une source de particu- les et un objet situé dans un plan objet et dont une image doit être projetée dans un plan image, un jeu de trois lentilles élec- troniques à focales commandables électroniquement, la première étant située aussi près que possible de la source et associée à un diaphragme de limitation d'ouverture situé dans un voisinage de son plan principal, les focales de ces trois lentilles étant commandées pour donner à la section du faisceau de particules dans le plan objet, une valeur déterminant l'illumination souhai- tée et à l'image du diaphragme un diamètre et une position déter- minant l'ouverture souhaitée pour le faisceau incident sur l'objet. 2605 143 L'invention a également pour objet l'application de ce dispositif à un système de lithographie par faisceau d'électrons. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristi- ques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en réfé- rence aux figures annexées. Les figures 1 à 3 représentent des moyens connus de limitation de l'ouverture du faisceau élecronique. Les figures 4 et 5 sont deux exemples connus de moyens d'illumination. La figure 6 représente schématiquement le dispositif d'optique électronique selon l'invention. La figure 7 représente une application du dispositif selon l'invention dans laquelle l'image à projeter est une image composite de deux objets. La figure 8 représente les moyens de réglage des distan- ces focales des lentilles du dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention est un dispositif "d'optiqu- e" électronique, c'est-à-dire un dispositif comportant des "lentil- les" électrostatiques ou magnétiques de concentration d'un fais- ceau de particules chargées, ainsi que des déflecteurs magnéti- ques et des diaphragmes. Sur les figures, les lentilles ont été représentées, pour plus de simplicité, comme on les représente habituellement en optique. Le dispositif d'optique électronique selon l'invention, représenté sur la figure 6 comporte un jeu de trois lentilles L1, L2, L3 et un diaphragme D. Ce diaphragme D est situé à proximité du plan principal de la première lentille L1. Le disposi- tif est fait pour être inséré entre une source de particules -S et un "objet" à illuminer O. La première lentille L1 se trouve le plus près possible de la source et le plan principal de la troisième lentille L3 se trouve à proximité du plan de l'objet, O, Po. Dans le cas idéal o le diaphragme D est effectivement situé au plan principal de la lentille L1 et o l'objet à Illuminer O est effectivement au plan principal de la lentille L3, avant la prise en compte de L3, la définition des images 2605 143 respectives de la source et du diaphragme produites par L1 et L2 rendent entièrement compte de l'action de ces deux lentilles. Ainsi, en utilisant les hypothèses relatives aux lentilles minces acceptables ici, et en supposant que b est la distance entre les deux lentilles L1 et L2, et c est la distance entre les deux lentilles L2 et L3: La position de l'image ID du diaphragme D par rapport au plan objet, ZID est donnée par: (1) 1/b + 1/(c - ZD) = 1/F2, o F2 est la distance focale de L2. Le diamètre diD de l'image du diaphragme est donné par (2) dID = dD. (c ZID)/b, o dD désigne le diamètre du diaphragme. De ces deux grandeurs, on peut déduire l'ouverture du faisceau, e, au plan de l'objet à illuminer: (3) e = dID/Zid, expression qui peut être évaluée à par- tir des relations (1) et (2) précédentes. Les trois relations (1), (2), (3) établissent une rela- tion biunivoque e = f(F2). Le réglage de la focale F3 de la lentille L3 est alors le moyen de faire varier la position ZiID du diaphragme virtuel suivant la relation: (4) ZIID = -1/(1/F3 - 1/ZiD) De la même façon, en appliquant les mêmes formules clas- siques des lentilles minces, on peut déduire successivement la position ZIs et le diamètre dis de l'image de la source donnée par L1, puis le diamètre dils de l'image de cette image donnée par L2, au plan PO' La position ZiS de la première image IS de la source IS par rapport à la lentille L2, est donné par 1 1 1 (5) a+ b-Z. = F s 1 La position c de la deuxième image de la source iîs, par rapport à la lentille L2 est reliée à la focale F2 de L2 par (6) l- + - 1 is 2 c Les deux relations (5) et (6) déterminent le diamètre diis de la deuxième image de la source (7) d.s = ds b + Z. a Z. is Les trois relations (5), (6) et (7) établissent une rela- tion biunivoque en fonction de F1 dis = f(F1) Les positions et les diamètres des images réelles ou virtuelles de la source et du diaphragme données par les lentil- les L1 et L2 rendent compte de l'illumination de l'objet, ainsi qu'on peut le voir sur la figure 6. En résumé, L2 et L3 peuvent être utilisées pour déter- miner les caractéristiques de l'image du diaphragme, et, L2 et L3 étant fixées, L1 peut être utilisée pour déterminer les caractéristiques de l'image de la source et donc de la section du faisceau au niveau de l'objet. Dans le cas général o le diaphragme n'est pas exactement au plan principal de L1, mais à son voisinage, et o le plan principal de L3 n'est pas exactement confondu avec le plan de l'objet, les trois lentilles L1, L2 et L3 donnent les trois degrés de liberté nécessaires pour régler électroniquement la section du faisceau au plan de l'objet, le diamètre et la position du diaphragme virtuel iD, image du diaphragme réel, déterminant l'ouverture du faisceau. Il peut être nécessaire, en microlithographie notamment, d'utiliser des systèmes d'optique électronique o ce n'est pas un seul objet dont l'image est projetée sur un plan-cible, mais l'image composite de deux objets 01 et 02. Ceci peut être obtenu en formant l'image d'un premier objet Ol sur le plan d'un deuxième objet 02, un système optique projetant ensuite l'image composite des deux objets sur un plan cible Pi. Le cas le plus simple est celui o les deux objets sont des diaphragmes d'ouver- ture carrée. Dans ce cas, l'objet composite sera généralement un rectangle, et ce rectangle aura des dimensions variables si des moyens de déflexion sont disposés entre les deux plans ob- jet. La description de tels systèmes est par exemple donnée dans: - l'article de J. Trotel, "Dynamic beam shaping" J. Vac.Sci.Technol. , 15(3) May/June 1978, pages 872-873 - dans le compte rendu de la conférence sur la microlithographle des 30 sept-2 Oct. par J. Trotel, "Elec- tron beam direct writing lithographic system" - et dans un article de E. de Chambost et al, "Fast electron pattern generator - High resolution" J.Vac.Technol. B4(1), Jan/Feb 1986 pages 78-82. La figure 7 représente un dispositif d'optique électroni- que selon l'invention, particulièrement adapté à la projection dans le plan Pi, d'une image composite de deux objets, 01 et 02. Sur la figure 7, L1, L2 et L3 sont les mêmes lentilles que celles décrites cl-dessus et sont disposées comme indiqué. Deux stencils gravés sont les deux objets 01 et 02 dont il est question ci-dessus; ce sont des diaphragmes dont l'ouverture est carrée. L4 et L5 sont deux lentilles identiques, associées en doublet, dont la fonction est de former l'image du stencil 01 au plan du stencil 02. Au centre de ce doublet, symétrique par rapport à l'axe XX, un déviateur magnétique M1 permet de pro- duire au niveau du plan de 02 un rectangle composite variable. Deux lentilles L7 et L8 forment un système de réduction de ce rectangle composite variable. Une lentille supplémentaire L6 est utilisée pour rendre conjugués le plan du centre de déflexion CO du déviateur et le plan principal de la dernière lentille, L8, de façon que le faisceau reste immobile dans la lentille objectif L8 lorsque le déviateur M1 est activé pour faire varier les dimensions du rectangle composite. Un double déflecteur M2 permet de faire varier les coordonnées du motif projeté dans le plan image Pi. Dans cette application particulièrement intéressante de l'invention, la focale de L3 est ajustée pour que le centre de déflexion o du déviateur M1 soit conjugué avec le diaphragme de limitation d'ouverture D. Du fait que le centre de déflexion est également conjugué avec le plan principal de L8, l'image du diaphragme de limitation d'ouverture se forme bien au plan prin- cipal de L8, et toute variation de la distance focale de L2 se traduit par une variation du diamètre du faisceau dans le plan principal de la lentille L8, ce qui est le but recherché. Cepen- dant, pour que la variation du diamètre de l'image du diaphragme ne s'accompagne pas d'une défocalisation de l'image de ce diaphragme, il est nécessaire d'ajuster la focale de la lentille L3 pour que le plan du diaphragme d'ouverture reste bien.conjugué avec le plan du déviateur de modulation M1, et donc avec le plan principal de L. Pour ce système particulier, comme pour tout autre sys- tème selon l'invention comportant le jeu de trois lentilles et le diphragme définis ci-dessus, la relation entre la distance focale de la deuxième lentille L2J le grandissement de l'image ID du diaphragme D et la correction nécessaire qui doit être apportée sur la distance focale de L3 peut être tabulée et mise en mémoire dans un calculateur. De la même façon, il est aussi possible de réajuster la focale de la première lentile L1 chaque fois que l'on fait varier L2. Un extrait d'un tableau des valeurs qui doivent être mises en mémoire dans le calcula- teur pour cet exemple particulier est indiqué ci-après. Valeur désirée Distance focale Distance focale Distance focale de dID de L2 de L1 de L3 le plan de L8 (mm) (mm) (mm) (mm) 400 10,33 10,3386 106 568 13 13,1 100 I Il est entendu que l'homme de l'art connaît les relations entre les distances focales des lentilles et les courants d'excitati on 2605 143 des lentilles s'il s'agit de lentilles magnétiques ou les tensions appliquées s'il s'agit de lentilles électrostatiques, à appliquer aux lentilles agissant sur le faisceau de particules. Pour un mode de réalisation dans lequel les lentilles se- raient des lentilles magnétiques (respectivement des lentilles électrostatiques), le dispositif selon l'invention serait celui propo- sé sur la figure 8 o chaque valeur numérique issue de la mé- moire d'un calculateur 10 est transmise à un convertisseur numérlqueanalogique 11, 12, 13 respectivement, qui commande via un amplificateur, 21, 22, et 23 respectivement, le courant d'excitation (ou la tension) appliqué aux lentilles L1, L2 et L3. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'optique électronique, caractérisé en ce qu'il comporte, entre une source de particules (S) et un objet (0) situé dans un plan objet (P0) et dont une image doit être projetée dans un plan image (Pi), un jeu de trois lentilles élec- troniques (L1, L2, L3) à focales commandables électroniquement, la première étant située aussi près que possible de la source et associée à un diaphragme de limitation d'ouverture (D) situé dans un voisinage de son plan principal, les focales de ces trois lentilles étant commandées pour donner à la section du faisceau de particules dans le plan objet, une valeur déterminant l'illumination souhaitée et à l'image du diaphragme un diamètre et une position déterminant l'ouverture souhaitée pour le faisceau incident sur l'objet. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lentilles sont des lentilles magnétiques et dans lequel les commandes électroniques sont appliquées aux courants d'exci- tation des lentilles magnétiques. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lentilles sont des lentilles électrostatiques et dans lequel les commandes électroniques sont appliquées aux tensions de commande des lentilles. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plan principal de la troi- sième lentille est confondu avec le plan de l'objet. 5. Application du dispositif d'optique électronique selon l'une des revendications précédentes à un système de lithogra- phie par faisceau d'électrons.