DE1690575A1

DE1690575A1 - Verfahren und Einrichtung zur automatischen Zentrierung eines Elektronenstrahls

Info

Publication number: DE1690575A1
Application number: DE1968J0035473
Authority: DE
Inventors: Michael Hatzakis
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-01-13
Filing date: 1968-01-11
Publication date: 1971-04-08
Also published as: FR1548855A; GB1160353A; DE1690575B2; US3519788A

Description

Verfahren und Einrichtung zur automatischen Zentrierung eines Elektronenstrahls

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem fokussierten Elektronenstrahl unter automatischer, lagemäSiger Zentrierung des Strahls mit Hilfe einer außerhalb des zu bearbeitenden Objekts angebrachten Bezugsmarke, deren Sekundärelektronenemission bei Beaufschlagung mit dem Strahl ein Maß für die Lage des Strahls bildet.

Bei der Herstellung von mikrominiaturisierten, elektronischen Bauelementen 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,

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1st es erforderlich, den Elektronenstrahl zu Beginn jeder Verarbeitungsstufe auf eine bestimmte Stelle des Bauelementes auszurichten. Diese Ausrichtung muß wegen der winzigen Abmessungen der zu bearbeitenden Objekte mit größter Präzision erfolgen.

Bisher wurde die Justierung des Elektronenstrahls meist von Hand vorgenommen, beispielsweise dadurch, daß ein Wolframplättchen auf W 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 J> 152 2jj8 beschrieben. fe 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 I966, ist es auch bekannt, als Bezugsmarke eineriicleinen metallischen Fleck zu verwenden, dessen bei Beaufschlagung durch den Elektronenstrahl emittierte Sekundärelektronenstrahlung als Maß für ciLe Lage des Strahls dient.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein automatisch arbeitendes Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Zentrierung eines Elektronenstrahls anzugeben, durch welches die Justierung des Strahls schnell, zuverlässig und ohne einen, die Bearbeitung störenden, apparativen Aufwand ermöglicht wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine .Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß der Strahl vor Beginn jedes Arbeitsganges über die Bezugsmarke in einer transversalen Schwingungsbewegung geführt wird, deren Amplitude auf beiden Seiten über die Kanten der Marke hinausragt, und daß aus der während dieses Abtastvorganges emittierten, in jeder Schwingungsperiode zwei Unterbrechungen aufweisenden Sekundärelektronenstrahlung durch Bildung von zwei, um l80° gegeneinander phasenversohcbenen Wechselspannungen mit der Abtastschwingung entsprechender Frequenz zwei entgegengesetzt gerichtete Gleichspannungen gewonnen werden, deren Differenz eine Regelgröße für die Verstellung des Strahls in zu den Bezugskanten der Marke senkrechter Richtung darstellt.

Eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens wird gebildet durch einen, eine sinusförmige Schwingung erzeugenden Generator und einen, einen langsamen Vorschub erzeugenden Generator,, durch die über ein erstes Ablenksystem der Elektronenstrahl in einer Schwingungsbewegung über die Bezugsmarke geführt wird mit einer Amplitude, die auf beiden Seiten über die Kante der Marke hinausragt,

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einen die Sekundärelektronenemission der Marke aufnehmenden Empfänger, ferner durch Mittel, die aus der während des Abtastvorganges emittierten, in jeder Sohwingungsperiode zwei Unterbrechungen enthaltenden Strahlung unter Erzeugung von zwei, gegeneinander um 18O phasenverschobenen Wechselspannungen mit der Frequenz der Abtastschwingung zwei entgegengesetzt gerichtete Gleichspannungen bilden, die einem Differenzverstärker zugeführt werden, dessen Ausgangssignal den jeweils zur Abtastschwingungsrichtung parallelen Elementen eines zweiten Ablenksystems über einen integrierenden Stromverstärker zugeführt wird.

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

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß der die Sekundärelektronenstrahlung aufnehmende Empfänger über ein auf die Schwingungsfrequenz des Abtaststrahls abgestimmtes Filter mit den Eingängen von zwei, durch den Abtastfrequenzgenerator über eine Torschaltung und einen Phaseninverter um 18O°

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gegeneinander phasenverschoben gesteuerten Verstärkern verbunden ist, deren gleichgerichtete Ausgangsspannungen an die Eingänge des Differenzverstärkers gelegt sind.

Vorteilhaft ist es bei der erfindungsgemäßen Einrichtung, daß die Bezugsmarke aus einem gegen die Strahlung und die Bearbeitungsprozesse resistenten Material von hoher Ordnungszahl besteht und eine quadratische Form mit zu den Ablenkachsen parallelen Kanten be- Jj sitzt.

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

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

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung verschiedene Variationen des Verlaufs des Abtaststrahls über die Bezugsmarke sowie die sichJiLeraus ergebenden Signale, und

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Einrichtung zur automatischen Zentrierung des Elektronenstrahls.

In Fig. 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 SiG₂-t)berzug ein

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Fenster 23 herausgeschnitten und der η-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 Arbeits- W feldes 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 6 χ 6 iH 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 brauch-

bar, wenn die Strahlintensität einem Strom im Bereich von 10 Amp. entspricht. Mit einer metallischen Bezugsmarke auf der Oberfläche der SiOp-Schicht 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 Fig. 1 beispielsweise dargestellten zweipoligen Schalt-Docket YO 966 026 10 9 8 15/0616

element bestehen die Bearbeitungsschritte zunächst aus einem Überziehen des Plättehens 20 mit einer SiOg-Sehicht, 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 kammförmige Elektroden-Kanäle 27 ausgeschnitten, so daß insgesamt 7 Elektroden-Ka- % näle 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, während der Abtaststrahl gleichzeitig In einer schnellen Sinus-Schwingung 32, 33 in * der anderen Richtung über die Marke geführt wird. Wenn der Strahl, der einen Durchmesser von ungefähr 1000 AE besitzt, auf die Bezugsmarke 24 auftrifft, überstreichen die Teile 32 und 33 der Sinus-Schwingung den Bereich der Marke. Dadurch werden 2 unterbrochene Signale emittiert, deren Unterbrechungen beispielsweise den überstehenden Bereichen 36 und 38 in Fig. 2A entsprechen. Ist der Strahl, zentriert, so sind diese beiden Unterbrechungen gleich groß. Sind diese Teile jedoch nicht gleich, wie in den Fig. 2B und 2 C dargestellt, so zeigen die vergrößerten Bereiche 36¹ und 38" an, daß die

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Lage des Strahls entweder zu hoch oder zu niedrig ist. Im unteren Teil der Fig. 2 sind die durch die Sekundäremission entstehenden Spannungen über dem Null-Pegel 40 aufgetragen. 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 l80° phasenverschoben, so daß durch eine Phaseninvertierung der der zweiten Einbuchtung entsprechenden Spannung 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 der Fig. 2B und 2C trifft dies nicht zu. In Fig. 2B liegt der Strahl in Bezug auf die Marke 24 zu hoch, mit dem Ergebnis, daß der großen Unterbrechung 36^f auf der einen Seite eine kleine Unterbrechung 38' auf der anderen Seite gegenüberliegt. Die entsprechende Spannungseinbuchtung 35* ist daher viel größer.als die Einbuchtung 37. Das Umgekehrte ist in Fig. 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 Docket YO 966 026 109815/0616

Sekundärelektronen-Vervielfacher 6o 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 6j5. 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 65 durch den die Abtastschwingunglerzeugenden 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, in den Verstärkern 64 und 67 gleich groß gemachten 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 Fig. 2A ist diese Spannung gleich Null. In den Fällen der Fig. 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 Sehalter 70 und den Y-Stromverstärker 72 und von da über die Leitung 81 und die Ablenkspulen 57 der Strahl I9 in der Y-Richtung korrigiert. Die integrierenden Stromverstärker 70, 71 besitzen eine große Zeitkonstante zur Speicherung des Regelwertes. Sie enthalten ferner einen Kathodenfol-

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ger, der einen zur Eingangsspannung proportionalen Strom liefert. Mit verschiedenen Frequenzen der Sinusschwingungen könnte die Zentrierung in beiden Ablenkrichtungen auch gleichzeitig erfolgen.

In Pig. 5 ist mit 42 eine Anordnung zur Erzeugung und Ablenkung eines Elektronenstrahls bezeichnet. Die Anordnung besteht aus der Vakuum-Kammer 4j5, in der das Plättchen 20 auf dem verschiebbaren Tisch 44 angeordnet ist. In der Beschleunigungsstrecke 45 der Vakuum-Kammer ist als Elektronenquelle die Kathode 46 enthalten, deren Heizstrom.von der Stromquelle 47 geliefert wird. Die Kathode 46 erhält ihre negative Beschleunigungsspannung von der Hochspannungsquelle 48. Zwischen der Kathode und dem Plättchen 20 ist die Anode 49 angeordnet, die über die Leitung 50 geerdet ist. Die beschleunigten Elektronen 19 werden durch ein elektronenoptisches System, bestehend aus der Blende 52, den magnetischen Linsen 51 und 55 sowie der Ablenkspulen 5^ bis 57 fokussiert. 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 wird, wenn vor jedem Bearbeitungsgang die Programmsteuereinriehtung

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den Strahl auf die Bezugsmarke 24 lenkt, durch den Äbtastgenerator für langsamen Vorschub 76 und den, eine Sinus-Schwingung von 1 kHz erzeugenden Generator 77 gesteuert. Zur Umschaltung bei der Zentrierung 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 Programmsteuereinrleitung 85 und der zur Steuerung der Bearbeitung dienende Generator 9I über die Leitung 89, die X-Leitung 76 und die Y-Leitung 79 den Strahl. Dabei sind die Ablenkgeneratoren 76 und 77 abgeschaltet.

Das beschriebene Verfahren ist nicht auf einen Elektronenstrahl beschränkt. Es kann selbstverständlich auch bei anderen Teilchenstrahlen oder auch bei Laserstrahlen angewendet werden,

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem fokussierten Elektronenstrahl unter automatischer, lagemäßiger Zentrierung des Strahls mit Hilfe einer, außerhalb des zu bearbeitenden Objekts angebrachten Bezugsmarke, deren Sekundärelektronenemission bei Beaufschlagung mit dem Strahl ein Maß für die Lage des Strahls bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl vor Beginn jedes Arbeitsganges über die Bezugsmarke (24) in einer transversalen Schwingungsbewegung (32, 33) geführt wird, deren Amplitude auf beiden Seiten über die Kanten der Marke hinausragt und daß aus der während dieses Abtastvorganges emittierten, in jeder Schwingungsperiode zwei Unterbrechungen (J6, 38 bzw. 36^!, 38^f bzw. 36", 38") aufweisenden Sekundärelektronenstrahlung durch Bildung von zwei, um 180 gegeneinander phasenverschobenen Wechselspannungen mit der Abtastschwingung entsprechender

)k Frequenz zwei entgegengesetzt gerichtete Gleichspannungen gewonnen werden, deren Differenz eine Regelgröße für die Verstellung des Strahls in zu den Bezugskanten der Marke senkrechter Rich-'tung darstellt.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen, eine sinus-förmige Schwingung erzeugenden Generator (77) und einen, einen langsamen Vorschub

. erzeugenden Generator (76), durch die über ein erstes Ablenksystem (5^, 55) der Elektronenstrahl (I9) in einer Schwingungs-

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bewegung (32, 33) über die Bezugsmarke (24) geführt wird mit einer Amplitude, die auf beiden Seiten über die Kanten der Marke hinausragt, einem die Sekundärelektronenemission (58) der Marke aufnehmenden Empfänger (59)* ferner durch Mittel (62 bis 67), die aus der während des Abtastvorganges emittierten, in jeder Schwingungsperiode zwei Unterbrechungen (36, 38 bjjw. 36', 38' bzw. 36", 38") aufweisende Strahlung unter Erzeugung von zwei gegeneinander um l8O° phasenverschobenen Wechselspannungen ™ mit der Frequenz der Abtastschwingung zwei entgegengesetzt gerichtete Gleichspannungen bilden, die einem Differenzverstärker (68) zugeführt werden, dessen Ausgangssignale den jeweils zur Abtastschwingungsrichtung parallelen Elementen eines zweiten Ablenksystems (56, 57) über einen integrierenden Stromverstärker (71 bzw. 72) zugeführt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmsteuereinrichtung (85) vorgesehen ist, durch die zu ä Beginn jedes Arbeitsganges der Strahl auf die Bezugsmarke (24) gelenkt wird, gleichzeitig das erste Ablenksystem (54, 55) von der Bearbeitungssteuerung (9I) getrennt und mit den die Abtastbewegung erzeugenden Generatoren (76, 77) verbunden wird, wobei 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 (7I bzw. 72) erfolgt,

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4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß der die Sekundärelektronenstrahlung (58) aufnehmende Empfänger (59) über ein auf die Schwingungsfrequenz des Abtaststrahls abgestimmtes Filter (62) mit den Eingängen von zwei, durch den Abtastfrequenzgenerator (77) über eine Torschaltung (65) und einen Phaseninverter (66) um 18O° gegeneinander phasenverschoben gesteuerten Verstärkern (64, 67) verbunden ist, deren gleichgerichtete Ausgangsspannungen an die Eingänge des Differenz-Verstärkers (68) gelegt sind.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsmarke (24) aus einem gegen die Strahlung (19) und die Bearbeitungsprozesse resistenten Material von hoher Ordnungszahl besteht und eine quadratische Form mit zu den Ablenkachsen parallelen Kanten besitzt.

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