DE1690575B2

DE1690575B2 - Verfahren und einrichtung zur automatischen, lagemaessigen zentrierung eines elektronenstrahls

Info

Publication number: DE1690575B2
Application number: DE1968J0035473
Authority: DE
Inventors: Michael Ossining N.Y. Hatzakis (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-01-13
Filing date: 1968-01-11
Publication date: 1976-11-11
Also published as: GB1160353A; US3519788A; FR1548855A; DE1690575A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur automatischen, lagemäßigen Zentrierung eines fokussierten Elektronenstrahls in einem Bearbeitungsgerät mit Hilfe einer, auf dem zu

ίο bearbeitenden Objekt außerhalb des Arbeitsfeldes angebrachten, quadratischen Bezugsmarke, über die der Elektronenstrahl geführt wird, wobei aus der dabei auftretenden Sekundärelektronenemission ein Signal für die Lage des Strahls gewonnen wird.

Bei der Herstellung von mikrominiaturisierten, elektronischen Bauteilen und Schaltkreisen wird für einzelne Verfahrensschritte, wie Schneiden, Schweißen, Erhitzen usw. vielfach ein scharf gebündelter Elektronenstrahl verwendet. Da bei der Herstellung solcher

Bauteile zahlreiche Verarbeitungsstufen aufeinanderfolgen, ist es erforderlich, den Elektronenstrahl zu Beginn jeder Verarbeitungsstufe auf eine bestimmte Stelle des Bauelementes auszurichten. Diese Ausrichtung muß wegen der winzigen Abmessungen der zu bearbeiten-

Ϊ5 den Objekte mit größter Präzision erfolgen.

Bisher wurde die Justierung des Elektronenstrahls meijt νυη Hand vorgenommen, beispielsweise dadurch. daß ein Wolframplättchen auf die zu bearbeitende Stelle gelegt wurde, und die justierung des Strahls unter

Beobachtung des glühenden Auftreffpunktes durch ein Mikroskop von Hand nachgestellt wurde. Ein solches Verfahren ist sehr zeitraubend, zumal nach der Zentrierung des Strahls das Wolframplättchen entfernt und innerhalb des evakuierten Raumes durch das Werkstück ersetzt werden muß.

Eine automatisch arbeitende Einrichtung zur Zentrierung eines Elektronenstrahls ist in der US-Patentschrift 31 52 238 beschrieben. Die Zentrierung des Strahls erfolgt bei dieser Einrichtung in der Weise, daß das sich

ändernde Magnetfeld in der Umgebung eines pulsierenden Strahls an verschiedenen Punkten abgetastet wird. Aus den auftretenden Induktionsströmen wird sodann eine Regelspannung zur Justierung des Strahls gewonnen.

Aus einer Veröffentlichung im IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 9 No. 6, November 1966, ist es auch bekannt, als Bezugsmarke einen kleinen, quadratischen, metallischen Fleck zu verwenden, dessen bei Beaufschlagung durch den Elektronenstrahl emittierte Sekundärelektronenstrahlung als Maß für die Lage des Strahls dient.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein automatisch arbeitendes Verfahren zur Zentrierung eines Elektronenstrahls unter Verwendung einer quadratischen Bezugsmarke anzugeben, durch welches die Justierung des Strahls schnell, zuverlässig und ohne einen, die Bearbeitung störenden, apparativen Aufwand ermöglicht wird. Die Aufgabe der Erfindung besteht ferner darin, eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Strahl vor Beginn jedes Arbeitsganges über die Bezugsmarke, deren Seiten parallel zu den Ablenkrichtungen liegen, auf einer sinusförmigen Bahn, deren Amplitude größer ist als die Seitenlänge der Bezugsmarke, geführt wird, daß aus der dabei emittierten, in jeder Periqde zwei um 180° phasenver-

jchobene Unterbrechungen aufweisenden Sekundärelektronenstrahlung zwei zueinander um 180° phasenverschobene Wechselspannungen erzeugt werden, daß diese Wechselspannungen in zwei entgegengesetzt gerichtete Gleichspannungen umgesetzt werden und daß aus der Differenz dieser Gleichspannungen eine Regelgröße für die Verstellung des Strahls in zu zwei Seiten der Bezugsmarke senkrechter Richtung gewonnen wird.

Eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens besteht darin, daß eine Bezugsmarke aus einem gegen die Strahlung und die Bearbeitungsprozesse resistenten Material von hoher Ordnungszahl verwendet wird.

Eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß der Elektronenstrahl durch ein erstes Ablenksystem, das durch zwei Ablenkgeneratoren gesteuert wird, auf der sinusförmigen Bahn geführt wird, daß ein Empfänger für die Sekundärelektronenstrahlung vorgesehen ist, daß aus dem Ausgangssignale des Empfängerb, das über Verstärkerglieder und ein auf d»e Frequenz des Abtaststrahls abgestimmtes Bandfilter weiterverarbeitet wurde, mit Hilfe eines Torschalters, der synchron mit der Frequenz der Bewegung des Elektronenstrahls geschaltet wird, zwei Wechselspannungen gewonnen werden, die, nachdem die eine davon über einen Phaseninverter gelaufen ist, einem Differenzverstärker zugeführt werden, in welchem ihre gleichgerichteten Werte subtrahiert werden, und daß die so gewonnene Gleichspannung als Regelwert über einen integrierenden Stromverstärker, der der Speicherung des Regelwertes für den folgenden Arbeitsgang dient, einem zweiten Ablenksystem, dessen Ablenkrichtungen ?u dem ersten Ablenksystem parallel sind, zugeführt wird.

Die Einrichtung ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß eine Programmsteuereinrichtung vorgesehen ist, durch die zu Beginn jedes Arbeitsganges der Strahl auf die Bezugsmarke gelenkt wird, gleichzeitig das erste Ablenksystem von der Bearbeitungssteue rung getrennt und mit den die Abtastbewegung erzeugenden Generatoren verbunden wird, und daß die Umschaltung auf die einzelnen Ablenkrichtungen jeweils nach Zuführung der Regelspannung durch den jeweiligen, für die Dauer des folgenden Arbeitsganges integrierenden Stromverstärker erfolgt.

Die Erfindung wird anhand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Plättchen zur Erzeugung einer Reihe von Halbleiterschaltelementen, denen jeweils eine Bezugsmarke zugeordnet ist,

F i g. 2 in vergrößerter Darstellung verschiedene Variationen des Verlaufs des Abtaststrahl über die Bezugsmarke sowie die sich hieraus ergebenden Signale, und

F i g. 3 in schematischer Darstellung eine Einrichtung zur automatischen Zentrierung des Elektronenstrahls.

In F i g. 1 ist mit 20 ein kleines, dotiertes Siliciumplättchen bezeichnet, auf das eine große Zahl von mikrominiaturisierten Schaltkreisen 21, 29 usw. aufgebracht wird. In der linken, oberen Ecke jedes Schaltkreisbereichs ist aus dem äußeren S/OrÜberzug ein Fenster 23 herausgeschnitten und der n-dotierte Silicium-Bereich 24 des Plättchens, der als Bezugsmarke dient, freigelegt. Anstelle dessen könnte auch eine entsprechende Edelmetallfläche auf dem äußeren Überzug angebracht sein.

Vor jedem Arbeitsgang während der Herstellung der Schaltkreise wird eine Zentrierung des Elektronenstrahls außerhalb des Arbeitsfeldes 22 vorgenommen. Da die Bezugsmarke 24 somit allen Fabrikationsverfahren ausgesetzt wird, muß sie aus einem Material bestehen, das sowohl gegen die Strahlung als auch gegen Ätzen, Erhitzen, Diffundieren usw resistent ist.

Die Bezugsmarke 24, deren Größe etwa 6x6 mm² beträgt, liefert ein Sekundärelektronensignal, das zur Zentrierung des Elektronenstrahls dient. Das Signal/ Rauschverhältnis, das durch die herausgeätzte Bezugsmarke erzielt werden kann, ist zwar niedrig, jedoch noch brauchbar, wenn die Strahlintensität einem Strom im Bereich von 10-'° Amp. entspricht. Mit einer metallischen Bezugsmarke auf der Oberfläche der S/CVSchicht wird ein besseres Signal/Rausch-Verhältnis erzielt. Die metallischen Bezugsmarken können durch Aufdampfen auf die gesamte Fläche des Plättchens und anschließendes selektives Abätzen aufgebracht werden. Metalle mit hoher Ordnungszahl und hohem Schmelzpunkt sind wegen ihrer Widerstandsfähigkeit gegen die Herstellungsprozesse und wegen ihres hohen Emissions-Signals besonders geeignet.

Bei dem in F i g. 1 beispielsweise dargestellter zweipoligen Schaltelement bestehen die Bearbeitungsschritte zunächst aus einem Überziehen des Plättchens 20 mit einer S/ft-Sehieht, dem Herausschneiden des Fensters 23 und einer Diffusionsöffnung in der Mitte jedes Elements sowie dem darauffolgenden erneuten Überziehen mit einer Isolierschicht und einer photoempfindlichen Schicht. Darauf werden tiefe Elektrodenkanäle 26 ausgeschnitten, die mit Aluminium aufgefüllt werden. In gleicher Weise werden danach 4 kammlörmige Elektroden-Kanäle 27 ausgeschnitten, so daß insgesamt 7 Elektroden-Kanäle entstehen, von denen ein Satz zum Anschluß 25 und der andere Satz zum Anschluß 28 führt. Jeder dieser Schritte erfordert vor der Bearbeitung eines elementen Bereichs eine Zentrierung des Elektronenstrahls an der jeweiligen Bezugsmarke 24.

Die automatische Zentrierung des Elektronenstrahls vollzieht sich in sehr kurzer Zeit. Die Bezugsmarke 24 wird in der einen Richtung in einer Zeit von 0,5 bis 1 see. abgetastet, wobei der Abtaststrahl gleichzeitig schnell auf einer sinusförmigen Bahn 32, 33 in der anderen Richtung über die Marke geführt wird. Wenn der Strahl, der einen Durchmesser von ungefähr 100 nm besitzt, auf die Bezugsmarke 24 auftrifft, überstreichen die Teile 32 und 33 der sinusförmigen Bahn den Bereich der Marke. Dadurch werden zwei unterbrochene Signale emittiert, deren Unterbrechungen beispielsweise den überstehenden Bereichen 36 und 38 in F i g. 2A entsprechen. 1st der Strahl zentriert, so sind diese beiden Unterbrechungen gleich groß. Sind diese Teile jedoch nicht gleich, wie in den Fig.2B und 2C dargestellt, so zeigen die vergrößerten Bereiche 36' und 38" an, daß die Lage des Strahls entweder zu hoch oder zu niedrig ist. Im unteren Teil der F i g. 2 sind die durch die Sekundäremission entstehenden Spannungen über dem Null-Pegel 40 -lufgetragen. Dem Anstieg 34 folgt die Einbuchtung 35, die der Unterbrechung der Emission während des Schwingungsbereichs 36 entspricht. Die zweite Einbuchtung 37 verdankt ihre Entstehung dem über die Marke hinausragenden Schwingungsbereich 38'. Da die beiden Bereiche 36 und 38 gleich groß sind, haben auch die Einbuchtungen 35 und 37 der Spannung dieselbe Höhe. Diese beiden Einbuchtungen sind bezüglich der Schwingungsfrequenz um .180° phasenverschoben, so

daß durch eine Phaseninvertierung der zweiten Spannungs-Einbuchtung der beschriebene Effekt kompensiert werden kann. Die aus dieser Kompensation resultierende Null-Spannung zeigt an, daß der Strahl zwischen den Bereichen 34 und 39 zentriert ist. Im Falle s der F i g. 2B und 2C trifft dies nicht zu. In F i g. 2B liegt der Strahl in Bezug auf die Marke 24 zu hoch, mit dem Ergebnis, daß der großen Unterbrechung 36' auf der einen Seite eine kleine Unterbrechung 38' auf der anderen Seite gegenüberliegt. Die entsprechende to Spannungseinbuchtung 35' ist daher viel größer als die Einbuchtung 37. Das Umgekehrte ist in F i g. 2C der Fall. Hier ist die Einbuchtung 35" viel kleiner als die Einbuchtung 37". Diese Ungleichheit, die durch die Abweichung des abtastenden Elektronenstrahls nach oben bzw. nach unten entsteht, resultiert in einem positiven oder negativen Signal, das zur Korrektur der Zentrierung des Strahls dient.

Die Sekundäremission 58 gelangt auf den Empfänger 59, dem der Sekundärelektronen-Vervielfacher 60 nachgeschaltet ist. Das so gebildete Video-Signal der Bezugsmarke 24 wird über den Verstärker 61 dem 1 kHz-Bandfilter 62 zugeleitet und gelangt danach an den Verzweigungspunkt 63. Hier wird es geteilt und den beiden gesteuerten Verstärkern 64 und 67 zugeführt, entsprechend der Taktgebung, die durch die 1 kHz-Torschaltung 65 und den in einem Zweig angeordneten Phaseninverter 66 erzeugt wird. Da die 1 kHz-Torschaltung durch den die Abtastschwingung erzeugenden Generator 77 gesteuert wird, ergibt sich ein sehr guter Synchronismus, so daß die Trennung der beiden Schwingungsbestandteile 32 und 33 mit großer Genauigkeit erfolgt. Die beiden verstärkten Signalbestandteile A und B werden über die Leitungen 87 und 88 dem Detektor und Differenzverstärker 68 zugeführt, in welchem ihre gleichgerichteten Werte subtrahiert werden. Dadurch entsteht am Ausgang des Differenzverstärkers 68 eine Spannung, die über die Leitung 69. den Schalter 70 und den integrierenden Stromverstärker 71 und von da über die Leitung 80 den Ablenkspulen

56 zugeführt wird. Im Falle der F i g. 2A ist diese Spannung gleich Null. In den Fällen der F i g. 2B und 2C ist sie positiv oder negativ und bewirkt dementsprechend eine korrigierende Verschiebung des Strahls in Richtung der X-Achse. In entsprechender Weise wird über den Differenzverstärker 68, die Leitung 69. den umgeschalteten Schalter 70 und den y-Stromverstärker 72 und von da über die Leitung 81 und die Ablenkspulen

57 der Strahl 19 in der y-Richtung korrigiert. Die integrierenden Stromverstärker 71, 72 besitzen eine große Zeitkonstante zur Speicherung des Regelwertes Sie enthalten ferner einen Kathodenfolger, der einet zur Eingangsspannung proportionalen Strom liefert.

In F i g. 3 ist mit 42 eine Anordnung zur Erzeugunj und Ablenkung eines Elektronenstrahls bezeichnet. Di< Anordnung besteht aus der Vakuum-Kammer 43, in dei das Plättchen 20 auf dem verschiebbaren Tisch 4< angeordnet ist. In der Beschleunigungsstrecke 45 dei Vakuum-Kammer ist als Elektronenquelle die Kathodt 46 enthalten, deren Heizstrom von der Stromquelle 43 geliefert wird. Die Kathode 46 erhält ihre negativ« Beschleunigungsspannung von der Hochspannungs quelle 48. Zwischen der Kathode und dem Plättchen 2( ist die Anode 49 angeordnet, die über die Leitung 5( geerdet ist. Die beschleunigten Elektronen 19 werder durch ein elektronenopitsches System, bestehend aus der Blende 52, den magnetischen Linsen 51 und 53 sowie der Ablenkspulen 54 bis 57 fokussiert und abgelenkt. Die Ablenkung des Elektronenstrahls über das Werkstück erfolgt dabei durch die Ablenkspulen 54 und 55. Diese Spulen dienen bei der Zentrierung auch zur Abtastung, während die Spulen 56 und 57 zur Zentrierung des Strahls dienen.

Vor der Kathode 46 ist die Steuerelektrode 18 angeordnet, deren negative Vorspannung durch die Steuereinrichtung 17 geregelt wird

Der die Beschleunigungsstrecke 45 durchlaufende Elektronenstrahl 19 wird, wenn vor jedem Bearbeitungsgang die Programmsteuereinrichtung 85 den Strahl auf die Bezugsmarke 24 lenkt, durch den Abtastgenerator für langsamen Vorschub 76 und den, eine Sinus-Schwingung von 1 kHz erzeugenden Generator 77 gesteuert. Zur Umschaltung bei der Zentrie rung in Richtung der X- und y-Achse ist eine Reihe von Schaltern 70, 73, 74 und 75 vorgesehen, deren Betätigung manuell erfolgt über die Verbindungsleitung 86 aber auch automatisch erfolgen kann. Wenn der Schalter 70 mit der X-Leitung verbunden ist. so ist gleichzeitig ein Stromkreis vom Abtastgenerator 77 über den Schaltarm 73. die X-Leitung 78. die Ablenkspulen 54 und den Masseanschluß 82 geschlossen.

Nach der Zentrierung, wenn die Bearbeitung des Werkstücks vorgenommen werden soll, steuert die Programmsteuereinrichtung 85 und der zur Steuerung der Bearbeitung dienende Generator 91 über die Leitung 89. die X-Leitung 78 und die K-Leitung 79 den Strahl. Dabei sind die Ablenkgeneratoren 76 und 77 abgeschaltet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur automatischen, lagemäßigen Zentrierung eines fokussierten Elektronenstrahls in einem Bearbeitungsgerät mit Hilfe einer, auf dem zu bearbeitenden Objekt außerhalb des Arbeitsfeldes angebrachten, quadratischen Bezugsmarke, über die der Elektronenstrahl geführt wird, wobei aus der dabei auftretenden Sekundärelektronenemission ein Signal für die Lage des Strahls gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl vor Beginn jedes Arbeitsganges über die Bezugsmarke (24), deren Seiten parallel zu den Ablenkrichtungen liegen, auf einer sinusförmigen Bahn (32,33), deren Amplitude größer ist ah die Seitenlänge der Bezugsmarke, geführt wird, daß aus der dabei emittierten, in jeder Periode zwei um 180° phasenverschobene Unterbrechungen! (36, 38 bzw. 36', 38' bzw. 36", 38') aufweisend η Sekundärelektronenstrahlung zwei zueinander um 180° phasenverschobene Wechselspannungen erzeugt werden, daß diese Wechselspannungen in zwei entgegengesetzt gerichtete Gleichspannungen umgesetzt werden und daß aus der Differenz dieser Gleichspannungen eine Regelgröße für die Verstellung des Strahls in zu zwei Seiten der Bezugsmarke senkrechter Richtung gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bezugsmarke (24) aus einem gegen die Strahlung (19) und die Bearbeitungsprozesse resistenten Material von hoher Ordnungszahl verwendet wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (19) durch ein erstes Ablenksystem (54, 55), das durch zwei Ablenkgeneratoren (76,77) gesteuert wird, auf der sinusförmigen Bahn geführt wird, daß ein Empfänger (59) für die Sekundärelektronenstrahlung (58) vorgesehen ist, daß aus dem Ausgangssignal des Empfängers, das über Verstärkcrglieder (60, 61) und ein auf die Frequenz des Abiaststrahls abgestimmtes Bandfilter (62) weiterverarbeitet wurde, mit Hilfe eines Torschalters (65), der synchron mit der Frequenz der Bewegung des Elektronenstrahls geschaltet wird, zwei Wechselspannungen gewonnen werden, die, nachdem die eine davon über einen Phaseninverter (66) gelaufen ist, einem Differenzverstärker (68) zugeführt werden, in welchem ihre gleichgerichteten Werte subtrahiert werden, und daß die so gewonnene Gleichspannung als Regelwert über einen integrierenden Stromverstärker (71 bzw. 72), der der Speicherung des Regelwertes für den folgenden Arbeitsgang dient, einem zweiten Ablenksystem (56, 57), dessen Ablenkeinrichtungen zu dem ersten Ablenksystem parallel sind, zugeführt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmsteuereinrichtung (85) vorgesehen ist, durch die zu Beginn jedes Arbeitsganges der Strahl auf die Bezugsmiarke (24) gelenkt wird, gleichzeitig das erste Ablenksystem (54, 55) von der Bearbeitungssteuerung (91) getrennt und mit den die Abtastbewegung erzeugenden Generatoren (76, 77) verbunden wird, und daß die Umschaltung (Schalter 70, 75, 84) auf die einzelnen Ablenkrichtungen (X, Y) jeweils nach Zuführung der Regelspannung durch den jeweiligen, für die Dauer des folgenden Arbeitsganges integrierenden Stromverstärker (71 bzw. 72) erfolgt