[发明专利]多电子束聚焦装置和控制方法

说明书

本发明公开了一种多电子束聚焦装置和控制方法，所述多电子束聚焦装置包括用以产生电子束的热或冷场发射阴极电子源和栅极、电子束分束的分束器、提高电子束能量的加速透镜、提高电子束质量的消相差透镜、对各电子束束斑的高分辨物镜阵列、对电子束位置进行微调的电子束偏转器以及控制电子束通过的束闸，以便于对电子束的精准控制，因此在相同面积的圆晶上可以容纳数量更多的电子束实现同时曝光，提高了集成电路加工应用中的精度和速度。

技术领域

本发明涉及高精细的半导体加工领域，特别是涉及一种多电子束聚焦装置和控制方法。

背景技术

集成电路性能，如运算速度和存储密度，在过去一直遵循着摩尔定律。在过去的几十年间不断变快变强，也驱动着芯片加工技术的不断发展，开发更高分辨率的加工工艺。直到现在，高产率高精细的图案化加工设备一直是半导体行业的核心装备，目前先进的芯片加工需要30到50次的曝光工艺，整个曝光工艺的成本占集成电路加工成本的1/3左右。光刻机由于能够满足工业生产的需要，已经发展成目前半导体加工行业曝光装备唯一的选择。

除了极紫外光学曝光，电子束曝光机是现代纳米加工工艺能够实现单纳米级(10nm)图案化的两种手段之一。电子束曝光机因为电子束的波长短，没有衍射效应的限制，因此容易获得纳米分辨率的精细图形，从而实现高的分辨率。同时它的曝光不需要预先制备掩模而由CAD设计软件直接控制电子束实现，可以大大缩短器件的研发周期。更重要的是在达到同样加工精度的情况下，电子束曝光机的价格低于光刻机价格两个数量级。但是，目前的电子束曝光机多为单束扫描方式，产率非常低，远远无法满足工业量产的需要，目前还是被排除在产线以外，单束扫描电子束曝光机的用户仅仅限于科研群体、工业研发和光刻机掩模的制备。

提高电子束曝光机的产率可以通过提高扫描速度来实现，然而目前单束扫描电子束曝光机的扫描速度已经在50MHz-100MHz之间，上升空间非常有限。提高电子束电流虽然也是一个解决方式，但是代价是电子束的束斑增大，系统的分辨率反而降低，这样得不偿失。最有效的办法是通过提高电子束数量。大量电子束以阵列方式进行加工，远远要比单个点源曝光的效率提高很多。日本理化研究所在1980左右就开始了多束电子束曝光机的研制，世界上也有少量单位开展多电子束并行曝光技术的研究。然而随着深紫外(DUV)和极紫外(EUV)技术前景的逐渐明朗和具量产能力的特点，主流技术并不看好多束电子束曝光机的前景，因此多年来发展缓慢。

目前IMSNanofabrication公司是唯一一家提供商用的多束电子束曝光机，但仅仅限于用26万子束做30纳米的线宽，用于7纳米节点的集成电路光学曝光掩模的制作(该公司机器每个子束的束斑只能聚焦到20纳米)。荷兰的Mapper公司目前开发其第三代系统FLX，致力于650000个子电子束系统的开发，试图在28纳米节点上的实现每小时40片12寸晶圆的产率。可惜的是，Mapper公司因资金问题，于2018年底宣布破产，FLX前景未知。

即使如此，多束电子束曝光机仍然有着巨大的市场前景。目前深紫外和极紫外光刻机的机台一次投入成本高，比如，能满足14纳米节点的浸没式DUV光刻机价格在7500万美元以上。光刻机图案化所需的光学掩模一套在千万美元左右。这样高的投入极大地限制了专用集成电路，如物联网芯片和人工智能芯片的技术发展。多束电子束曝光机成本低，如果能够实现每小时曝光20-30片8寸芯片的产率，就能推动物联网芯片、人工智能芯片性能的快速提高和生产，形成新的半导体产业生态。总体上来说，多束电子束的实现有下面几种：

一种是采用单个电子发射源产生电子束，电子束通过孔径阵列分成多束之后，由单一的电子光学系统进行聚焦。它的优点是电子束从相同发射源产生，电流密度、亮度不均匀的问题较小。它的显著缺点是聚焦元件的空间场分布不均匀导致的电子束聚焦非常困难，每个电子束的束斑也很难均匀。因此这种技术路线仅限于几十个的电子束，如蔡司公布的61束和91束扫描电镜，大于100的电子束阵列未见报道。