ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 7, с. 37-43
УДК 621,385,833,22
РАСЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ АБЕРРАЦИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ВСЛЕДСТВИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОРОИДАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ОТКЛОНЯЮЩИХ СИСТЕМ И МУЛЬТИПОЛЬНЫХ КОРРЕКТОРОВ
© 2004 г. М. О. Зотова, Л. Б. Розенфельд, Б. Н. Васичев
ФГУПНаучно-производственное объединение "Орион", Москва, Россия Поступила в редакцию 26.11.2003 г.
Описана методика расчета влияния дефектов изготовления на электронно-оптические характеристики тороидальных отклоняющих систем, секступольных и октупольных линз. Показано, что при отклонении размеров указанных электронно-оптических элементов от идеальных на 0.1-0.2 мм размер формируемого на мишени пятна может возрастать в несколько раз по сравнению с пятном в идеально изготовленной системе.
ВВЕДЕНИЕ
В современных технологиях микроэлектроники достаточно широко используются процессы модификации микроучастков поверхности с помощью тонкого электронного зонда(например,в процессе электронной литографии). В используемом для этого технологическом зондовом оборудовании необходимо обеспечивать сканирование пучка заданной формы и размера по максимально возможной площади обрабатываемого изделия. Это требует применения систем формирования и отклонения пучка с малыми аберрациями, так как аберрации системы определяют искажение формы пучка при его отклонении и точность позиционирования пучка. Показано [1], что электронно-оптические параметры современного прецизионного технологического электронно-лучевого оборудования (например, установок для электронной литографии) могут быть существенно улучшены путем введения в электронно-оптическую систему мультипольных корректоров (квадру-польных, секступольных и октупольных магнитных линз). При работе технологического оборудования магнитное поле отклоняющих систем (ОС) и корректирующих линз должно изменяться с достаточно большой скоростью, что предопределяет использование в качестве ОС и корректоров электронно-оптических элементов (ЭОЭ) без магнитопровода с малым числом витков и большим током возбуждения. Последнее приводит к использованию относительно толстых трудно изгибаемых проводов, вследствие чего форма и положение реальных витков, получаемых при намотке, может существенно отличаться от заданной конструктором формы. Это может существенно нарушать симметрию магнитного поля,
формируемого электронно-оптическим элементом.
В связи с этим при разработке прецизионного электронно-зондового оборудования необходимо количественно оценивать дополнительные (так называемые паразитные) аберрации, возникающие под влиянием деформации витков указанных электронно-оптических элементов, и оценивать их влияние на форму электронного пучка.
Влияние дефектов изготовления на дополнительные аберрации рамочных ОС было рассмотрено в [2], а на дополнительные аберрации квадру-польных линз - в [3]. Было показано, что дополнительные аберрации при неточном изготовлении могут существенно ухудшать электронно-оптические параметры указанных элементов.
Одним из вариантов конструктивного исполнения магнитных отклоняющих систем с малыми аберрациями является система, в которой обмотка возбуждения намотана на секционированном тороидальном каркасе [4]. Секционирование обмотки позволяет варьировать пространственное распределение формируемого магнитного поля путем неравномерного распределения витков по секциям и за счет этого снижать аберрации отклонения пучка.
Для практического использования в технологическом электронно-лучевом оборудовании тороидальных отклоняющих систем, секступольных и октупольных корректоров необходимо иметь возможность оценивать требования к точности изготовления этих элементов. В настоящей работе приводятся методика и результаты количественной оценки влияния на дополнительные аберрации неточности изготовления указанных электронно-оптических элементов.
МЕТОДИКА
Мерой дополнительной аберрации, вносимой электронно-оптическим элементом, могут служить либо разность между углами отклонения Да траекторий в идеальном и деформированном электронно-оптических элементах, либо расстояние Дя между точками пересечения указанных траекторий с заданной плоскостью, перпендикулярной оси электронно-оптической системы.
Для получения количественной оценки, позволяющей сравнивать влияние разных дефектов изготовления на величину дополнительных аберраций различных по конструкции электронно-оптических элементов, была использована описанная в [2] методика, основанная на вычислении среднеквадратичных ошибок величин Да и AR для цилиндрического пучка электронов, входящего в электронно-оптический элемент параллельно его оси. Предполагается (для определенности), что электроны в пучке равномерно распределены в пределах круга, радиус которого составляет 10% от внутреннего радиуса электронно-оптического элемента. (Величина соотношения радиусов 10% примерно соответствует условиям прохождения пучка в электронно-лучевых установках для размерной обработки и сварки; в ином электроннозондовом оборудовании это соотношение может быть выбрано с учетом конкретных условий.)
Численное моделирование влияния различных дефектов изготовления на дополнительные аберрации электронно-оптического элемента осуществлялось с помощью специально разработанной нами программы (работавшей в режиме двойной точности вычислений) для расчета разности координат траекторий, прошедших соответственно через идеально изготовленный ЭОЭ и элемент с дефектом. При расчете траекторий использовался метод Мерсона четвертого порядка [5] с ошибкой на шаге не более 1 х 10-12 м. Компоненты магнитного поля в произвольной точке пространства рассчитывались как суперпозиция полей, создаваемых произвольно ориентированными прямыми отрезками проводников обмотки возбуждения, причем поле каждого отрезка рассчитывалось по закону Био-Савара. Тестирование программы на задачах, имеющих аналитическое решение, показало, что отклонение расчетной траектории от аналитической не превышает 1 х 10-11 м.
Моделирование проводилось при различных значениях коэффициентов возбуждения (KB) электронно-оптического элемента (по определению, KB = IN/U0 5, где IN - ампервитки возбуждения ЭОЭ; U - ускоряющее напряжение, размерность Kb - A/B05).
Конструктивно тороидальная ОС обычно выполняется в виде снабженного пазами (для укладки проводов отдельных секций обмотки) кольца
из диэлектрического материала. Поэтому дополнительные аберрации системы в значительной мере зависят от точности изготовления пазов. Очевидно, что наиболее сильно на искажение магнитного поля в области движения электронов должны влиять участки обмотки с наибольшим числом витков, уложенные в пазы, ближайшие к оси тороидальной ОС. Поэтому в первую очередь целесообразно оценивать влияние дефектов изготовления внутренних пазов тороидальной ОС.
В случае мультипольного корректора точность воспроизведения необходимой конфигурации поля корректора зависит от точности изготовления и позиционирования шести или восьми одинаковых рамок с поочередно изменяющимся направлением тока. Каждая рамка полностью определяется координатами угловых точек рамки. Каждый из углов рамки может быть смещен по одной, двум или трем координатам (с учетом направления смещения) 26 способами. Такой возможностью смещения обладают все угловые точки всех рамок, образующих корректор, что создает огромное количество возможных вариантов дефектов изготовления секступольных и окту-польных корректоров. Так как оценка влияния каждого возможного дефекта изготовления достаточно трудоемка, исследование всех возможных вариантов не представлялось целесообразным. Поэтому для оценки величины паразитных аберраций мультипольных корректоров была использована программа, которая позволяла изменять координаты всех угловых точек корректора случайным образом в пределах заданного поля допусков на изготовление.
Очевидно, что величина дополнительных аберраций, вызванных неточностью изготовления ЭОЭ, зависит от его геометрических параметров и параметров проходящего через электронно-оптический элемент пучка. Поэтому оценить относительный вклад различных дефектов в создание паразитных аберраций можно только, исследуя какую-либо определенную модель электронно-оптического элемента.
В качестве тестовых моделей отклоняющих систем использовались два варианта конструкции тороидальной ОС, применяемых в установках для размерной обработки электронным пучком и микросварки. Основные геометрические размеры исследованных тороидальных ОС следующие: наружный радиус обмотки 34.5 мм, внутренний радиус обмотки 21.5 мм, осевая протяженность намотки короткого варианта тороидальных ОС 24.4 мм, длинного 38.4 мм. Намотка ОС (170 витков) выполнена секционированной(16 пазов)с распределением ампервитков, приближающимся к коси-нусоидальному закону. При расчетах предполагалось, что пучок электронов входит в ОС вдоль оси тора.
Таблица 1. Результаты численного моделирования влияния дефектов изготовления на параметры тороидальных магнитных отклоняющих систем
Средняя квадратичная ошибка по углу Да х 10-4, рад
№ варианта дефекта Вариант ТОС с длиной 24.4 мм Вариант ТОС с длиной 38.4 мм
Угол отклонения а* = 2.78 х 10-4, рад Угол отклонения а** = 7.31 х 10-2, рад Угол отклонения а* = 4.36 х 10-3, рад Угол отклонения а** = 1.15 х 10-1, рад
1 0.053 14 0.08 20
2 0.11 29 0.17 40
3 0.0004 0.0065 0.0071 0.008
4 0.0016 0.043 0.017 0.064
5 0.0018 0.44 0.018 0.39
* - ток 0.1 А (Кв = 0.076 А/Б0'5). ** - ток 3 А (Кв = 2.28 А/Б05).
В качестве тестовой модели секступольного корректора в настоящей работе была использована конструкция, состоящая из шести прямоугольных рамок с осевой протяженностью 60 мм, расположенных на цилиндре с диаметром 20 мм. По конструктивным соображениям в тестовой модели угловой зазор между рамками был выбран равным 2° и угловой размер каждой рамки равным 58°.
Аналогично в качестве модели октупольного корректора использовалась система из восьми рамок с угловым размером каждой рамки 43°. При расчетах предполагалось, что пучок электронов входит в корректор вдоль оси цилиндра, на котором размещены рамки
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.