ионный микропроектор и способ его настройки

Формула изобретения

1. Ионный микропроектор, содержащий размещенные в вакуумной камере последовательно и соосно устройство создания ионного пучка, осветительное устройство, состоящее из фильтра масс, шаблон, проектор, состоящий из первой и второй линз, первого и второго мультипольных элементов, соосно расположенных соответственно за первой и второй линзами, метрологический блок и приемный блок с размещенным в нем объектом обработки, а также первый и второй блоки питания и блок управления, первый информационный вход которого подключен к информационному выходу метрологического блока, первый и второй управляющие выходы его подключены соответственно к управляющим входам первого и второго блоков питания, первый выход первого блока питания подключен к внутреннему электроду первой линзы проектора, второй выход первого и первый выход второго блоков питания объединены, отличающийся тем, что введены третий и четвертый блоки питания, первый и второй опорные источники питания, в осветительное устройство - электростатическая - коллимирующая линза, установленная соосно за фильтром масс, в проектор - иммерсионная линза, установленная соосно перед первой линзой, причем первый электрод электростатической коллимирующей линзы осветительного устройства подключен к первому выходу третьего блока питания, управляющий вход которого подключен к третьему управляющему выходу блока управления, второй выход его и вход питания устройства создания ионного пучка подключены к первому выходу второго опорного источника питания, второй выход которого подключен к общей шине, к которой подключен корпус вакуумной камеры, внешние электроды первой и второй линз проектора и первый выход первого опорного источника питания, второй выход которого подключен к объединенным выходам первого и второго блоков питания, второй выход второго блока питания подключен к внутреннему электроду второй линзы проектора, при этом первый электрод иммерсионной линзы проектора подключен ко второму электроду электростатической коллимирующей линзы осветительного устройства и через четвертый блок питания к первому выходу второго опорного источника питания, последний электрод иммерсионной линзы подключен к общей шине.

2. Способ настройки ионного микропроектора, включающий предварительную настройку его проектора посредством определения уточненных значений юстируемых параметров ионного микропроектора на основе результатов измерения на мишени размеров и координат центров опорных пучков, выделенных с помощью метрологического шаблона из коллимированного ионного пучка, отличающийся тем, что производят изменение расходимости ионного пучка в плоскости метрологического шаблона и измерение по окружности величины дисторсии на рабочем поле мишени, при обнаружении окружности с нулевым значением дисторсии фиксируют расходимость ионного пучка и измеряют радиус окружности, на которой обнаружена нулевая дисторсия, измеряют величину дисторсии на окружности с радиусом где r₀ - радиус окружности с нулевым значением дисторсии, сравнивают измеренную величину дисторсии с допустимым значением, при отличии повторяют указанные выше операции до тех пор, пока на радиусе r_m, соответствующем вновь полученному радиусу r₀, абсолютное значение измеренной величины дисторсии не достигнет допустимого значения дисторсии или пока вновь полученный радиус r₀ не достигнет заданного размера рабочего поля, даже если абсолютное значение величины дисторсии на соответствующем радиусе r_m меньше допустимого значения дисторсии.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может найти применение при изготовлении интегральных схем с большой информационной емкостью методом литографии, а также в других процессах прецизионной обработки поверхности материалов ионным лучом, например, нанесение на субстрат рисунков с изменением в нем поверхностных свойств материалов, в частности, изменение типа проводимости в полупроводниковых материалах в результате внедрения легирующих ионов, изменение других физических свойств материала за счет внедрения одноименных и инородных ионов, создание на поверхности новых слоев в результате осаждения атомов вещества из окружающих паров облака под влиянием падающих ионов, удаление вещества с поверхности субстрата в результате его распыления.

Известно ионно-проекционное устройство, содержащее последовательно и соосно расположенные источник ионов, фильтр масс, шаблон, иммерсионную и уменьшающую линзы, мультипольный элемент с соленоидом, энзелеву линзу, систему совмещения и приемный блок, состоящий из координатного стола с фиксированным на нем объектом обработки (см. Springer Series in Solid-State Sciences т.83: Physics and Technology of Submicron Structures, c.56-61, фиг. 1, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1988).

Известен способ настройки ионного микропроектора, основанный на выделении из ионного пучка опорных субпучков с помощью отверстий в шаблоне, совмещении положения опорных субпучков с регистрационными метками на объекте обработки путем изменения потенциалов линз и мультипольных элементов (см. J. Vac.Sci.Technol.B, т.4, 1, 1986, 194-200).

Недостатками известных устройства и способа являются низкое качество оптического изображения, обусловленное избыточными аберрациями оптической системы. Это относится к дисторсии, характеризующей искажение формы рисунка, и рассеянию, определяющему оптическое разрешение.

Известна ионно-проекционная литографическая аппаратура, содержащая размещенные в вакуумной камере последовательно и соосно расположенные устройство создания ионного пучка, осветительное устройство, состоящее из фильтрующей магнитной линзы, шаблон, оптическую колонну (проектор), состоящую из первой и второй линз, первого и второго мультипольных элементов, расположенных соответственно за первой и второй линзами, метрологический блок, приемный блок, состоящий из мишени и координатного стола, причем информационный выход метрологического блока подключен к информационному входу блока управления, управляющие выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго блоков питания, выходы первого и второго блоков питания подключены соответственно к шинам питания первой и второй линз оптической колонны, а также третий блок питания, выходы которого подключены к устройству создания ионного пучка (см. патент 4985634, кл. Н 01 J 37/30, 1991).

Известен способ настройки ионно-проекционной литографической аппаратуры, включающий формирование коллимированного ионного пучка, выделение из него опорных пучков с помощью отверстий в шаблоне, измерение размеров и координат центров опорных пучков в плоскости мишени при поочередном изменении одного из юстируемых параметров ионно-проекционной аппаратуры при постоянстве других параметров, сравнении полученных величин с соответствующими величинами в плоскости шаблона с учетом коэффициента уменьшения аппаратуры, при отличии определяют с помощью метода линейной оптимизации значение поправки к юстируемому параметру ионно-проекционной литографической аппаратуры и изменяют размеры и центральное положение опорных пучков посредством установки уточненного значения юстируемого параметра (см. там же).

Недостатком известных устройств и способа является невозможность получить оптимально качественное изображение по всему рабочему полю мишени при заданном масштабе уменьшения и допустимом уровне дисторсии из-за влияния аберраций осветительного устройства и отсутствия необходимых средств управления расходимостью ионного пучка в плоскости шаблона.

Недостатком известного устройства является также появление анизотропных аберраций, связанных с косыми лучами, возникающими в результате остаточного вращения ионного пучка в фильтрующей магнитной линзе, даже при использовании методов компенсации.

Недостатком известного устройства является рассеяние в изображении, обусловленное низкой скоростью ионов в пучке в области кроссовера, вызывающей повышенное расталкивание ионов в кроссовере.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение качества изображения за счет уменьшения аберраций, вносимых осветительным устройством.

Технический результат достигается тем, что в ионный микропроектор, содержащий размещенные внутри вакуумной камеры последовательно и соосно устройство создания ионного пучка, осветительное устройство, состоящее из фильтра масс, шаблон, проектор, состоящий из первой и второй линз и первого и второго мультипольных элементов, соосно расположенных соответственно за первой и второй линзами, метрологический блок и приемный блок, содержащий координатный стол с размещенным в нем объектом обработки, а также первый и второй блоки питания и блок управления, первый информационный вход которого подключен к информационному выходу метрологического блока, первый и второй управляющие выходы его подключены соответственно к управляющим входам первого и второго блоков питания, первый выход первого блока питания подключен к внутреннему электроду первой линзы проектора, второй выход первого и первый выход второго блоков питания объединены, введены третий и четвертый блоки питания, первый и второй опорные источники питания, в осветительное устройство электростатическая коллимирующая линза, установленная соосно за фильтром масс, в проектор иммерсионная линза, установленная соосно перед первой линзой, причем первый электрод электростатической коллимирующей линзы осветительного устройства подключен к первому выходу третьего блока питания, управляющий вход которого подключен к третьему управляющему выходу блока управления, второй выход его и вход питания устройства создания ионного пучка подключены к первому выходу второго опорного источника питания, второй выход которого подключен к общей шине, к которой подключен корпус вакуумной камеры, внешние электроды первой и второй линз проектора и первый выход первого опорного источника питания, второй выход которого подключен к объединенным выходам первого и второго блоков питания, второй выход второго блока питания подключен к внутреннему электроду второй линзы проектора, при этом первый электрод иммерсионной линзы проектора подключен ко второму электроду электростатической коллимирующей линзы осветительного устройства и через четвертый блок питания к первому выходу второго опорного источника питания, последний электрод иммерсионной линзы подключен к общей шине.

Технический результат достигается тем, что в способе настройки ионного микропроектора, включающем предварительную настройку его проектора посредством определения уточненных значений юстируемых параметров ионного микропроектора на основе результатов измерения на мишени размеров и координат центров опорных пучков, выделенных с помощью метрологического шаблона из коллимированного ионного пучка, производят изменение расходимости ионного пучка в плоскости метрологического шаблона и измерение по окружности величины дисторсии на рабочем поле мишени, при обнаружении окружности с нулевым значением дисторсии фиксируют расходимость ионного пучка и измеряют радиус окружности, на которой обнаружена нулевая дисторсия, измеряют величину дисторсии на окружности с радиусом , где r₀ - радиус окружности с нулевым значением дисторсии, сравнивают измеренную величину дисторсии с допустимым значением, при отличии повторяют указанные выше операции до тех пор, пока на радиусе r_m, соответствующем вновь полученному радиусу r₀, абсолютное значение измеренной величины дисторсии не достигнет допустимого значения дисторсии, или пока вновь полученный радиус r₀ не достигнет заданного размера рабочего поля, даже если абсолютное значение величины дисторсии на соответствующем радиусе r_m меньше допустимого значения дисторсии.

На фиг. 1 представлена структурная схема ионного микропроектора (ИМ), реализующая способ настройки его, на фиг. 2а - стандартные траектории, характеризующие настройку оптической системы ИМ, на фиг. 2б - оптическая схема ИМ, на фиг. 3 - график зависимости коэффициента дисторсии третьего порядка от параметра , характеризующего расходимость ионного пучка в плоскости шаблона, на фиг. 4 - график зависимости коэффициента дисторсии пятого порядка от параметра , на фиг. 5 - возможность перенастройки оптической системы ИМ относительно функции распределения дисторсии (w_d) с помощью осветительного устройства при неизменном значении масштаба уменьшения изображения, на фиг. 6 - результаты расчетов зависимости размера рабочего поля при заданном уровне дисторсии от параметра , полученные тремя различными способами, на фиг. 7 - пример оптимально настроенной оптической системы (зависимость абсолютного значения дисторсии от радиуса рабочего поля), на фиг. 8 - алгоритм работы блока управления в режиме настройки.

Ионный микропроектор (фиг.1) содержит расположенные в вакуумной камере 1 последовательно на одной прямой оси устройство 2 создания ионного пучка, осветительное устройство, состоящее из фильтра 3 масс и электростатической коллимирующей линзы 4, шаблон 5, проектор, состоящий из иммерсионной линзы 6, первой линзы 7, первого мультипольного элемента 8, второй линзы 9, второго мультипольного элемента 10, приемный блок 11 с размещенным в нем объектом обработки и смарт-устройством, а также метрологический блок 12, информационный выход блока 12 и информационный выход смарт-устройства подключены к информационным входам блока 13 управления, первый, второй и третий управляющий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого 14, второго 15 и третьего 16 блоков питания, первый выход первого 14 и второй выход второго 15 блоков питания подключены соответственно к внутренним электродам первой 7 и второй 9 линз проектора, второй выход первого 14 и первый выход второго 15 блоков питания объединены и через первый опорный источник 17 питания подключены к общей шине, первый выход третьего 16 блока питания подключен к первому электроду электростатической линзы 4, второй выход его подключен к первому выходу второго 18 опорного источника питания, к которому подключен вход питания устройства 2, и через четвертый блок 19 питания подключен первый электрод иммерсионной линзы 6 проектора, к которому подключен второй электрод линзы 4, последний электрод линзы 6 подключен к общей шине, к которой подключены также внешние электроды линз 7 и 9, второй выход второго 18 источника питания и корпус вакуумной камеры 1.

Устройство 2 создания ионного пучка содержит ионный источник 20 плазменного типа, вытягивающий 21 и подавляющий 22 электроды, а также первый 23 и второй 24 блоки питания, при этом источник 20 через первый 23 блок питания, подавляющий 22 электрод через второй 24 блок питания подключены ко входу питания устройства 2, к которому подключен вытягивающий 21 электрод. Устройство 2 способно создать пучок ионов с высокой яркостью за счет малого размера виртуального источника, имеющего диаметр порядка 10 мкм и обеспечивает начальную энергию ионов от 5 кэВ до 10 кэВ.

Осветительное устройство содержит фильтр 3 масс и электростатическую коллимирующую линзу 4. Фильтр 3 масс может быть выполнен как фильтр Вина, содержащий скрещенные электрическое и магнитное поля, настроенный на пропускание без отклонения только одного типа ионов.

Шаблон 5 является сменным, для чего он крепится в специальном барабане, имеющем термическую стабилизацию и систему управления сменой шаблонов (на фиг. 1 не показаны). Существуют два типа шаблонов: рабочие и метрологические. Рабочий шаблон имеет отверстия для создания желаемого рисунка и дополнительные отверстия, играющие роль меток совмещения. Метрологический шаблон имеет множество метрологических отверстий, позволяющих определить различные параметры ИМ, аналогично тому, как это сделано в известном устройстве. Метрологический шаблон для измерения дисторсии должен содержать множество одинаковых отверстий, расположенных в виде рядов и столбцов с одинаковым шагом в плоскости X,Y и покрывать пространство, несколько превышающее допустимый размер рабочего поля. Форма отверстий может быть круглой или квадратной, размер выбирают таким, чтобы спроецированное изображение одного отверстия могло вписаться в один квадратный пиксел детектора размером 10 мкм х 10 мкм.

Иммерсионная линза 6 проектора содержит последовательный ряд ускоряющих электродов, разделенных диэлектриками, с равномерно распределенным по электродам потенциалом, поступающим от блока 19 питания. Подключение первого электрода линзы 6 ко второму электроду линзы 4 осветительного устройства включает линзы 4 и 6 в единую систему, которая обеспечивает ионам конечную энергию прежде, чем они достигнут кроссовера, расположенного между первой 7 и второй 9 линзами проектора. В этом случае расталкивание ионов между собой в кроссовере будет минимальным, что способствует уменьшению общего рассеяния. Кроме того, большая часть устройства оказывается под потенциалом земли.

Первая линза 7 проектора представляет собой ускоряющую энзелевую линзу, собирающую ионный пучок в кроссовер и предназначенную, главным образом, для плавного изменения коэффициента уменьшения.

Каждый мультипольный элемент 8 и 10 содержит 16 электродов, образующих отверстие цилиндрической формы, которые используются для управления смещением оптической оси, исправления различий в масштабе уменьшения по осям X,Y, для коррекции квадрупольного и других мультипольных эффектов, возникающих в результате случайных нарушений осевой симметрии.

Вторая линза 9 проектора представляет собой энзелевую линзу, которая обеспечивает финальную фокусировку и настраивается таким образом, чтобы разрешение на краях рабочего поля было таким же, как и в центральной точке оптической оси. Энергия ионов, падающих на мишень, находится в диапазоне от 50 до 200 кэВ.

Приемный блок 11 содержит объект обработки, подключенный к общей шине ИМ (на фиг. 1 не показаны) и смарт-устройство, установленные на координатном столе, которые используются поочередно в качестве мишени. Перемещения координатного стола контролируются с помощью лазерного интерферометра. Измерение дисторсии производится методом регистрации на мишени с помощью смарт-устройства координат центров опорных пучков, выделяемых из ионного пучка с помощью шаблона 5. Выходной сигнал смарт-устройства на время настройки ИМ подключен к блоку 13 управления. В состав смарт-устройства входит детектор и несколько интегральных схем, производящих цифровую обработку сигналов детектора, которое выпускается фирмой "Irvin Sensors", США (см. Laser Focus World, july 1966, с.113-115).

Метрологический блок 12 представляет собой ряд детекторов, установленных в заданных местах на прецизионном метрологическом столе перед мишенью, который смонтирован на координатном столе блока 11. Детекторы предназначены для регистрации контрольных пучков совмещения, образующихся при прохождении ионного пучка через специальные отверстия на рабочем шаблоне 5 (аналогичен метрологическому блоку известного устройства).

Блок 13 управления может быть выполнен на микропроцессоре типа "Пентиум" или на содержащем его персональном компьютере типа IBM РС. Алгоритм работы блока 13 в режиме настройки электростатической коллимирующей линзы 4 приведен на фиг.8.

Блоки 14, 15 и 16 питания выполнены с возможностью регулировки выходного напряжения.

Первый опорный источник 17 питания создает общее смещение потенциала на внутренних электродах первой 7 и второй 9 линз проектора относительно корпуса вакуумной камеры 1, который находится под потенциалом земли.

Второй опорный источник 18 питания обеспечивает общее смещение потенциала на устройстве 2, коллимирующей линзе 4, мишени, иммерсионной линзе 6 относительно корпуса вакуумной камеры 1.

Все перечисленные источники питания содержат первичные автономные источники питания. Использование опорных источников 17 и 18 позволяет в ИМ выполнить блоки питания 14, 15 и 16 с более тонкой регулировкой выходного напряжения.

Практической работе предшествует метрологический цикл измерений режимов и параметров оптической системы ИМ и настройки ее на состояние, обеспечивающее ИМ требуемый режим уменьшения изображения с допустимым уровнем аберраций изображения.

Принято считать, что наиболее качественное изображение соответствует нормальному падению коллимированного ионного пучка на шаблон 5, т.е. когда главные лучи, исходящие из каждой изображаемой точки шаблона, строго ортогональны к поверхности шаблона, а дальнейший ход главных лучей в проекторе подчиняется условиям конфокальности. Обычная схема анализа дисторсии при этом базируется на учете аберраций третьего порядка, согласно которой функция распределения дисторсии по рабочему полю непрерывно возрастает как кубическая парабола по мере удаления точки изображения от центра рисунка к его периферии, и предполагается, что дисторсия пятого порядка будучи значительно меньше по величине не вносит существенных отличий в характер указанного распределения. В силу того, что коэффициент дисторсии третьего порядка обладает свойством обращения в нуль, дисторсия пятого порядка, которая чувствительна к аберрациям осветительной системы, качественно меняет картину распределения дисторсии.

Для лучшего понимания сути изобретения приведем ряд определений, которые в дальнейшем используются в описании изобретения.

Определение 1. Дисторсия изображения представляет собой аберрации главных лучей в плоскости изображения.

Определение 2. Главный луч представляет собой траекторию, связывающую центр ионного источника с исследуемой точкой в плоскости шаблона и являющуюся ее продолжением в проекторе.

Определение 3. Некатодная оптическая система, в дальнейшем именуемая просто оптической системой, содержит осветительную и проекторную части, рассматриваемые как единое целое, в которой начало представляет собой виртуальный источник (координата z_v на фиг.2а), а конец системы - мишень (z_i), при этом начало и конец системы не являются оптически сопряженными, как в случае оптической колонны известного устройства, соответствующей проекторной части предлагаемой системы с оптически сопряженными плоскостями шаблона (z_m) и мишени (z_i).

Определение 4. Оптическая система называется параксиальной, если дисторсия и аберрации рассеяния на всем заданном поле изображения ограничены определенными заданными пределами, удовлетворяющими условиям решаемой задачи.

Определение 5. Оптическая система называется оптимально настроенной по дисторсии, если она имеет максимально возможное рабочее поле, удовлетворяющее условию параксиальности, а соответствующая картина распределения дисторсии в этом случае называется тонкой структурой.

Юстируемыми параметрами ИМ являются параметры, изменяющие свои величины в процессе настройки. К ним относятся потенциалы, устанавливаемые на линзах 7 и 9 проектора и мультипольных элементах 8 и 10.

Опираясь на результаты наших исследований, утверждаем, что каждая оптическая система характеризуется своей оптимальной настройкой и соответствующей ей тонкой структурой дисторсии, своим оптимальным значением параметра , характеризующим расходимость ионного пучка. Такое оптимальное значение зависит от значения допустимого уровня дисторсии , от геометрических параметров конструкции, внутренней конфигурации электродов линз и оболочки вакуумной камеры 1, влияющих на структуру электрического поля, характеризуемого функцией распределения потенциала вдоль оптической оси и ее производными по направлению z, которые вплоть до четвертого порядка включительно оказывают существенное влияние на характер распределения дисторсии внутри рабочего поля. Такое оптимальное значение находится в окрестности значения ₀= 0 и требует специальной тонкой настройки.

Теоретические исследования дисторсии показывают, что каждая оптическая система может быть настроена при допустимом уровне дисторсии с помощью линзы осветительного устройства таким образом, что она будет обладать максимально возможным размером рабочего поля изображения, ограниченным окружностью с радиусом r₀, где имеет место нулевая дисторсия. На этой окружности выполняется условие равенства членов дисторсии третьего и пятого порядков по величине и противоположности по знаку, в результате чего происходит их компенсация. Это положение поддается регулированию и смещению в любую сторону, однако смещение в сторону увеличения радиуса влечет за собой увеличение максимального абсолютного значения дисторсии во внутренней области. Исполнение требования равенства максимального абсолютного значения дисторсии внутри указанной окружности допустимому уровню определяет максимально возможное допустимое значение r₀. В таком состоянии, названном согласно определению 5 тонкой структурой, главную роль играет член дисторсии пятого порядка.

Традиционный подход к исследованию дисторсии заключается в рассмотрении проектора (фиг.2б) в пределах от z_m до z_i, где z_m и z_i соответственно координаты шаблона 5 и мишени, расположенной в приемном блоке 11 на оптической оси . При описании траектории ионов используются стандартные траектории Т₁(z), S₁(z) и V₁(z) (фиг. 2а), которые находятся из решения однородного дифференциального уравнения траекторий гуассового приближения по своим начальным условиям в плоскости шаблона 5:



где - параметр, характеризующий расходимость ионного пучка в плоскости шаблона 5 и играющий главную роль в поиске оптимального режима работы.

Траектория S₁(z) соответствует случаю строго коллимированного ионного пучка, т. е. нормальному падению главных лучей на шаблон, что является частным случаем, но обычно подразумеваемым как идеальный случай. В общем случае она заменяется траекторией V₁(z), между которыми существует следующая связь

V₁(z) = S₁(z)+T₁(z). (4)

Место пересечения каждой из траекторий S₁(z) и V₁(z) оптической оси отмечено точками z_p и и означает место расположения кроссовера в зависимости от параметра .

Существует корреляционная связь между местом размещения кроссовера и типом дисторсии (подушкообразной или бочкообразной); обычно принято считать, что тип дисторсии определяется знаком коэффициента дисторсии третьего порядка, а изменение его знака влечет за собой изменение типа дисторсии. Такое утверждение верно в тех случаях, когда абсолютное значение дисторсии третьего порядка во всех точках рабочего поля значительно превышает аналогичное значение пятого порядка. Однако существует переходная область, где последнее условие нарушается и где дисторсия пятого порядка выходит на первое место по значению. Эта область занимает узкий диапазон по и представляет главный интерес, так как она содержит тонкую структуру дисторсии. Тонкая структура дисторсии достигается с помощью регулировки расходимости ионного пучка в плоскости шаблона 5, осуществляемой электростатической коллимирующей линзой 4.

Стандартные траектории позволяют представить линейное приближение общего решения уравнения траектории главного луча, выраженного через начальные условия в плоскости шаблона 5 в виде уравнения

w(z) = w_mV₁(z) + w"_mT₁(z), (5)

где wm = w(z_m), .

В общем случае 0, а частному случаю (используемому в известном устройстве) =0 соответствует уравнение

w(z) = w_mS₁(z) + w"_mT₁(z). (6)

По традиции именно такое состояние принято считать идеальным.

Отметим еще одну важную величину, показанную на фиг. 2а, - коэффициент увеличения V, который находится из расчета с помощью формулы

S₁(z_i) = V₁(z_i) = V. (7)

В ИМ вместо коэффициента увеличения V используется масштаб уменьшения М, который является величиной, обратной абсолютному значению коэффициента увеличения



Дисторсия w(z_i) в плоскости изображения, соответствующая традиционному подходу, равна



где K_6v, L_12v - коэффициенты дисторсии соответственно третьего и пятого порядков с индексом "v", указывающим на зависимость от стандартной траектории V₁, учитывающей влияние параметра .

Начальное положение w_m ионной траектории в плоскости шаблона 5 задается с помощью малых комплексных параметров



где R - расстояние от точки исхождения луча в плоскости шаблона 5 до оптической оси,

i - мнимая единица,

- азимутальный угол этой точки в полярной системе координат.

Коэффициенты дисторсии входят в соответствующие множества аберрационных коэффициентов третьего и пятого порядков под указанными порядковыми номерами и вычисляются как интегральные функционалы, зависящие от полевых функций на оси оптической системы и их производных по z, а также зависят от указанных стандартных траекторий. Коэффициент L_12v, кроме того, зависит от функции К₁(z), характеризующей аберрацию третьего порядка.

Уравнение (9) выражает дисторсию в классическом стиле, но, как показывают теоретические исследования, имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что оно не учитывает влияние аберраций на участке (z_v, z_m) (фиг. 2а), влияющих на отклонение истинных наклонов лучей в плоскости шаблона 5 от наклонов, характеризуемых расходимостью первого (Гауссового) порядка. Специальное вычисление этих аберраций (первая ступень) и учет их влияния на дисторсию традиционным способом (вторая ступень) приводит к сложным вычислениям, требующим учета всех аберрационных коэффициентов третьего порядка. Результат такого двухступенчатого расчета сводится к добавке ₃ = F₃(K₁,..., K₅), влияние которой показано на фиг.6 в виде кривой 2.

Более быстрый и точный учет производится в результате разработанного нами нового метода, а именно, при рассмотрении всей оптической системы (z_v, z_i) как единой целой (фиг.2а), описываемой с помощью одной новой стандартной траектории Т(z), берущей начало в положении z_v (фиг.2б) и определяемой начальными условиями

Т(z_v) = 0, T"(z_v) = 1, (11)

где штрих обозначает производную по z. Параметр находится из условия



Настройка оптической системы и поиск оптимального состояния производится при фиксированном М и варьируемом . В этом случае траектории главных лучей определяются в соответствии с определением 2 и имеют вид



где



верхняя черта обозначает комплексное сопряжение, функциональные коэффициенты К₁(z), L₁(z) являются решениями соответствующих им нелинейных дифференциальных уравнений.

Искомая дисторсия w_D/ изображения точки w_m на мишени, согласно определению 1, представляется выражением



где



Результат учета новым методом влияния указанных аберраций на размер рабочего поля показан также на фиг.6 в виде кривой 3.

Главная особенность электростатических систем связана с возможностью обращения в нуль коэффициента дисторсии третьего порядка K_6v(), которая представлена на фиг. 3. Функции зависимы между собой. Из графика видно, что в некотором положении ₀, которого можно достичь с помощью изменения расходимости ионного пучка, функция K_6v() принимает значение нуль. Это положение ₀ не обязательно совпадает с нулевым значением величины , которое характеризует строго коллимированный ионный пучок в плоскости шаблона 5. Однако такое отклонение обычно мало, но имеет существенное значение при настройке, несмотря на его малость.

На фиг. 4 показана коррелированная с K_6v() функция L_12v(), определяющая дисторсию пятого порядка. На обоих упомянутых фигурах выделено значение , которое соответствует обращению суммарной дисторсии в ноль на некотором радиусе r₀ в плоскости изображения, связанного с радиусом R₀ в плоскости шаблона 5 соотношением r₀ = VR₀. Диапазон по и возможно несколько дальше имеет отличительную особенность, заключающуюся в существовании на изображении окружности с нулевой дисторсией при радиусе R₀, которым мы можем управлять с помощью электростатической линзы 4.

На фиг.5 приведены графики распределения дисторсии по радиусу R для двух случаев настройки линзы 4 на два близких значения параметра , характеризуемых соответственно различными уровнями дисторсии ₁,₂. Из графика видно, что смещение точки R₀ в сторону увеличения влечет за собой увеличение абсолютного значения дисторсии во внутренней области. В области R < R₀ дисторсия третьего порядка преобладает над дисторсией пятого порядка, но сравнима с ней по величине. В области R > R₀ преобладающей становится дисторсия пятого порядка и до значения R_max абсолютное значение не превышает допустимого значения , которое ограничивает дисторсию во внутренней области. Разумно принять в качестве меры рабочего поля величину R₀

Запишем условие, определяющее существование окружности с радиусом R₀ (на основании выражений 9 и 10):

K_6vR³₀+L_12vR⁵₀ = 0 (16)

и аналогичное ему в новом предлагаемом способе (из выражения 14)



где



Тогда получим



Пользуясь выражениями (19), можно написать



Таким образом, распределение дисторсии по радиусу мы представили как функцию коэффициента пятого порядка и значения малого параметра, соответствующего месту обращения в нуль дисторсии.

Исследование выражения (20) на экстремум во внутренней области показывает существование максимального значения модуля дисторсии на соответствующей в плоскости шаблона 5 окружности с радиусом:



или с учетом того, что r = RV, в плоскости мишени



которому соответствует значение абсолютной дисторсии, равное



Уравнение (24) может быть использовано для вычисления коэффициента L_12v.

Фиг. 5 представляет собой качественную иллюстрацию характера изменения дисторсии вблизи оси системы и имеет целью дать представление о возможностях настройки оптической системы в некоторой переходной области по , в которой дисторсия пятого порядка играет решающую роль. Протяженность этой области ограничена областью применимости используемого разложения. Однако само существование области бесспорно. Практическое обнаружение этой области представляет собой тонкую экспериментальную задачу, которая может быть решена при наличии достаточно чувствительных средств измерения дисторсии и настройки коллимирующей линзы 4.

Способ настройки ионного микропроектора реализуется следующим образом.

В исходном состоянии в приемном блоке 11 в качестве мишени установлено смарт-устройство, вакуумная камера откачена, на блоки 14, 15, 16 и 19 питания линз поданы напряжения, обеспечивающие их нормальное функционирование. Опорные источники 17 и 18 обеспечивают соответствующие смещения напряжения, в первом случае на внутренних электродах линз 7 и 9 проектора, во втором случае на устройстве 2 создания ионного пучка коллимирующей линзе 4 осветительного устройства и иммерсионной линзе 6. В специальном барабане установлен ряд метрологических и рабочих шаблонов 5. Предполагается, что устройство 2 создания ионного пучка, фильтр 3 масс и коллимирующая линза 4 осветительного устройства находятся в некотором настроенном состоянии, обеспечивающем равномерное освещение коллимированным ионным пучком места расположения рабочей позиции шаблона 5. Приемный блок 11 также загружен объектом обработки. В рабочую позицию устанавливается метрологический шаблон 5, с помощью которого производятся наводка изображения на резкость, настройка проектора на требуемый масштаб изображения и последующая настройка по дисторсии. Осуществляется это следующим образом. На иммерсионной линзе 6 фиксируется потенциал, определяющий конечную энергию ионов. На первую 7 и вторую 9 линзы проектора подаются некоторые предполагаемые значения напряжений от блоков 14 и 15. Из ионного пучка, прошедшего шаблон 5, адресно выделяются контрольные лучи настройки (КЛН). Затем серией последовательно чередующихся операций уточняется значение напряжения, подаваемого блоком 15, при этом производятся измерения КЛН с целью обнаружения их наименьших размеров и координат центров.

Процесс измерения производится с помощью смарт-устройства, занимающего центрированное относительно ионного пучка положение, и механического сканирования, осуществляемого координатным столом под контролем лазерного интерферометра. Сканирование производится в ограниченных пределах, зависящих от размера контрольных меток. Одновременно с наводкой на резкость производится измерение разрешающей способности изображения на основе измерений ширины фронта измеряемых профилей сигналов. Первый этап настройки прекращается при достижении равенства размеров указанных КЛН. В случае различия размеров КЛН, расположенных при вершинах квадрата рабочего поля, и расстояний между ними добиваются их выравнивания с помощью мультипольного элемента 9. Из вычисления отношения для ряда КЛН между измеренными расстояниями и соответствующими им расстояниями на шаблоне определяется масштаб уменьшения изображения. В случае несоответствия определенного таким образом масштаба уменьшения требуемому значению корректируется напряжение на первой линзе 7 с помощью блока 14, и вышеуказанный цикл настройки повторяется до достижения требуемого масштаба уменьшения. На следующем этапе производится настройка дисторсии.

Настройка дисторсии производится на том же метрологическом шаблоне, использующем полное множество опорных пучков, равномерно заполняющее все рабочее поле. Сначала регистрируют координаты центров всех опорных пучков и анализируют их на соответствие круговой симметрии. В случае отсутствия таковой добиваются с помощью мультипольного элемента 10 исправления искажений и снова производят замеры и анализ координат до достижения симметрии, после чего начинается последний этап тонкой настройки изображения.

Данные, характеризующие дисторсию, находятся как разности между измеренными координатами центров опорных лучей и рассчитанными с учетом масштаба уменьшения координатами "правильного" положения этих лучей. На основании этих данных рассчитываются коэффициенты дисторсии и определяется тип состояния дисторсии: 1) коэффициент третьего порядка положителен, члены третьего порядка всюду значительно превышают значения членов пятого порядка, 2) абсолютные значения членов третьего порядка становятся сравнимыми с абсолютными значениями членов пятого порядка для некоторой группы опорных пучков, 3) коэффициент третьего порядка принимает отрицательное значение, существует группа опорных пучков, для которых абсолютное значение общей дисторсии меньше определенного порога малости, 4) коэффициент третьего порядка отрицателен, абсолютные значения членов третьего порядка всюду превышают абсолютные значения членов пятого порядка. В зависимости от результата анализа принимается решение об изменении напряжения на коллимирующей линзе 4, управляющей параметром расходимости ионного пучка на шаблоне 5. При обнаружении четко выраженного третьего типа дисторсии существует возможность определения окружности с некоторым радиусом r₀, обладающей нулевой дисторсией. Затем вычисляется значение и измеряется дисторсия для опорных пучков, расположенных на окружности, имеющей радиус r_m. Измеренную величину дисторсии сравнивают с допустимым ее значением . В случае когда r₀ меньше желаемого значения рабочего поля, существуют две следующих возможности: измеренное значение дисторсии на окружности с радиусом r_m меньше или больше величины . В зависимости от этого результата изменяют расходимость ионного пучка до тех пор, пока на каждом вновь полученном расстоянии r_m абсолютное значение дисторсии не достигнет заданного значения или пока при меньшем, чем , абсолютном значении дисторсии радиус r₀ окружности с нулевой дисторсией не достигнет заданного размера рабочего поля. Дополнительные сведения о тонкой настройке дисторсии содержатся в описании алгоритма настройки.

На фиг. 8 представлена блок-схема алгоритма настройки ИМ на оптимальный режим работы с учетом тонкой структуры дисторсии. В основу настройки положен стандартный цикл измерения координат центров опорных пучков на мишени. Цикл начинается с перемещения координатного стола (КС) в процессе механического сканирования, осуществляемого с целью определения профилей всех опорных пучков в сечениях Х и Y. Для этого из общей программы управления процессом на КС поступает управляющий импульс, по которому фиксируются его координаты, инициализируются все пикселы детекторной матрицы и начинается процесс измерения, заключающийся в накоплении зарядов, доставляемых падающим ионным потоком, для каждого пикселa за заданный интервал времени. По окончании этого интервала времени смарт-устройство производит цифровую обработку сигналов каждого пиксела и запоминает эти данные в виде карты. Затем такая карта считывается схемой памяти, и указанный период цикла измерения после очередного перемещения КС повторяется заданное количество раз. В результате осуществления полного цикла измерения в указанной памяти размещается последовательный ряд карт, соответствующий временному исполнению цикла. В тех пикселах, на которые попадали опорные пучки, последовательные по времени данные образуют профили сечений соответствующих опорных пучков с известными координатами, определяемыми положениями этих пикселов в матрице смарт-устройства. По окончании указанного цикла производится обработка полученных данных, заключающаяся в определении сначала положения центров фронтов сигналов на уровне 0,5 от своей величины максимального сигнала каждого опорного пучка. Координата центра опорного пучка находится как среднее арифметическое от его значений координат левого и правого фронтов. Повторение цикла смещением КС по другому взаимно перпендикулярному направлению дает возможность определить обе координаты центра для каждого опорного пучка. Следующий этап обработки заключается в вычислении величины масштаба уменьшения М, необходимого для определения дисторсии каждого опорного пучка. Для этого производится сравнение расстояний между выделенными контрольными лучами настройки (КЛН) на мишени и их известными расстояниями на шаблоне. Такие выделенные КЛН должны быть расположены достаточно близко к центру изображения, чтобы быть слабо подверженными дисторсии и в то же время достаточно удалены от него, чтобы ошибка измерения была невелика. Наконец, из данных центров координат вычитаются линейные компоненты, характеризующие идеальное положение опорных пучков, а полученные разности координат характеризуют данные дисторсии ((x_ij,y_ij)), из которых с учетом положения центра изображения рассчитывается матрица r_ij дисторсии с количеством членов, равным количеству опорных пучков. Эта матрица служит источником информации для дальнейшего анализа и логических операций настройки. Множества значений этой матрицы разбиваются на подмножества, характеризующие дисторсию в радиальных направлениях, т.е. относящихся к опорным пучкам, лежащим на линиях, проходящих через центр изображения. Эти данные аппроксимируются в одном случае с помощью кубической параболы Кr³, а в другом случае с помощью суммы Кr³ + Lr⁵, где r - радиальное расстояние между центром изображения и правильным положением текущего измеряемого опорного пучка, К и L - соответственно экспериментально определяемые значения коэффициентов дисторсии третьего и пятого порядков, для чего используются статистические методы обработки с вычислением дисперсии и соответствующих стандартных ошибок, на основе которых производится оценка достоверности вычисленных значений. Затем начинается логическая часть настройки, в которой сначала сравниваются последовательно определенные коэффициенты третьего порядка К_i,K_i-1. К числу юстируемых параметров нами добавляется потенциал на первом электроде коллимирующей линзы 4 осветительной системы. Последующий потенциал U_i+1 на этой линзе за потенциалом U_i определяется по схеме, представленной на фиг.8, где U_i/ представляет собой инкремент, использованный на i-ом шаге измерения. Логическая ветвь настройки изменяет направление после того, как начнет выполняться признак оправданного присутствия коэффициента дисторсии пятого порядка L и уверенного различия в знаках коэффициентов дисторсии третьего и пятого порядков. Из данных матрицы дисторсии выделяются подмножества, относящиеся к концентрическим окружностям, и производится анализ данных на существование окружности с нулевой дисторсией. Признаком существования такой окружности является изменение знака у членов дисторсии r_ij, относящихся к последовательным подмножествам концентрических окружностей. Положение окружности, обладающей нулевой дисторсией, и значение его радиуса r₀ вычисляется методом аппроксимации данных дисторсии, относящихся к подмножествам радиальных направлений. После этого по формуле (23) вычисляется радиус r_m связанной окружности, на которой абсолютное значение дисторсии внутри окружности с радиусом r₀ должно быть максимальным. На основе экспериментальных данных дисторсии определяется значение дисторсии (r_m) для окружности с вычисленным радиусом. Дальнейшие операции настройки производятся в соответствии с логическими результатами, показанными на фиг. 8, где - допустимое значение дисторсии, r_k - заданное значение рабочего поля на мишени, а - точность определения конечного результата по дисторсии. Процесс настройки заканчивается при выполнении одного из двух возможных случаев: 1) если значение дисторсии (r_m) достигнет своего допустимого значения или 2) радиус r₀ достигнет заданного значения рабочего поля при меньшем значении (r_m) своего допустимого значения. По окончании процесса настройки определенному значению дисторсии (r_m) присваивается обозначение y_m, вычисляются экспериментальные значения коэффициентов дисторсии на основе формул



После указанной настройки ионный пучок в области рабочего поля перекрывается механическим затвором, и ионный микропроектор готов к работе с рабочим шаблоном 5 и рабочей мишенью. После установки рабочего шаблона 5 в положение, совпадающее с оптической осью, производится процесс совмещения проектируемого изображения с рисунком на рабочей мишени. Для этого используются контрольные лучи совмещения (КЛС), образующиеся в результате прохождения ионов через специальные отверстия в рабочем шаблоне, находящиеся вне поля проецируемого рисунка, но в непосредственной близости к вершинам квадрата (прямоугольника), образующего рабочее поле. Процесс совмещения достигается с использованием метрологического блока 12 и меток совмещения, расположенных на мишени. Для этого КЛС поочередно электрически сканируются по соответствующим меткам совмещения, и по сигналу рассеяния производится с помощью мультипольного устройства 10 соответствующая коррекция координат Х и Y центра рабочего поля. После этой операции производится открытие механического затвора и экспонирование мишени.

Общая длина оптической системы от ионного источника до поверхности мишени предлагаемого ионного микропроектора составляет 180 см. Размер рабочего поля на шаблоне 5 вписывается в квадрат со стороной 75 мм. Масштаб уменьшения может составлять от 5 до 2,5. Величина дисторсии зависит от масштаба уменьшения и в оптимальном состоянии составляет внутри рабочего поля не более 0,1 мкм. Оптимальное состояние для каждого масштаба уменьшения требует индивидуальной подгонки внутренней геометрии расположения линз внутри проектора.