光刻具有在大多数集成电路制造过程中的关键的图案化步骤。抗蚀 剂，光敏感塑料，被旋涂在工件上，被在图案中通常通过紫外光被烘烤和 曝光。在显影和第二次烘烤之后，使所述表面被抵抗所述工件经受的各种 处理的惰性有机薄膜部分地覆盖。这种处理包括通过湿法化学蚀刻或通过 气体等离子体蚀刻去除材料，通过离子注入(例如宽束注入)掺杂以及材 料附加(例如发射(lift-off))。抗蚀剂的制备、曝光、显影、清洗、保 管和剥离可以增加十倍的加工步骤数量，需要昂贵的装备和设施以建立稳 定、量化和高产量的加工。
光刻已经具有用于处理小到45纳米(nm)的抗蚀剂图案的主要的光刻 工具。然而，目前的和未来的微电子将需要45nm以下的最小特征尺寸。尽 管多种光刻技术(例如，紫外、极紫外出现、无掩模出现、激光、相移、 投影离子以及电子束光刻(EBL))的发展可以使得能够在高比例下对这些 尺寸进行生产，但是它们都正在接近相对于波长、重叠精度和/或成本的 理论极限。随着被推进到所述极限，每种工艺的缺点导致难题，而得到的 图案缺陷可以导致很大的产量损失。

在一定的实施例中，用于用带电粒子对工件进行曝光的室包括：带电 粒子源，用于生成带电粒子流；准直器，配置用于沿着轴线准直和引导来 自带电粒子源的带电粒子流；位于准直器下游的束数字化装置，配置用于 通过调整沿着所述轴线的带电粒子之间的纵向间距，形成包括至少一个带 电粒子的组的数字化束；位于所述束数字化装置的偏转反射器，包括一系 列的沿着所述轴线纵向设置的偏转台，以偏转所述带电粒子的组；以及位 于偏转反射器的下游的工件台，配置用于保持所述工件。在一些实施例中， 工件处理设备包括从沉积、蚀刻和温度调整室中所选出的所述室、承载室 (loadlock chamber)以及处理室。
在一定的实施例中，用于将工件从初始状态处理成基本完成的状态， 而不需要将所述工件从设备中移走的设备包括承载室、曝光室和处理室。
在一定的实施例中，在设备中处理工件的方法包括将工件部分用带电 粒子在曝光室中曝光。所述曝光包括：形成带电粒子流；将所述流沿着轴 线准直和传播；将所述流数字化为数字化束，所述数字化束包括至少一个 带电粒子；采用沿着所述轴线纵向设置的一系列偏转台偏转所述带电粒子 的组；缩小所述组；以及将被缩小的组引导到所述工件上。
在一定的实施例中，用于处理工件的方法包括：曝光所述工件，所述 工件在曝光过程中是无抗蚀剂的；在曝光后处理所述工件，其中所述处理 从沉积、蚀刻和快速退火中选出；在处理之后，第二次曝光所述工件，所 述工件在第二次曝光中是无抗蚀剂的；且在第二次曝光之后，对所述工件 进行第二次处理，其中所述处理从沉积、蚀刻和快速退火中选出。
在一定的实施例中，用于将至少一种掺杂剂注入工件中的方法，包括 在引导、变更所述束的至少一个参数的过程中，将含有至少一个离子的束 引导到所述工件上。
在一定的实施例中，用于从工件上蚀刻材料的方法包括：将含有带电 粒子的束引导到所述工件的表面以对所述表面部分进行化学改性，所述工 件的表面处于第一室中的图案中；将所述工件转移到第二室中；以及将蚀 刻剂应用到所述工件中，所述蚀刻剂与经过化学改性的部分进行反应，以 使得材料去除。
在一定的实施例中，用于将材料沉积到工件上的方法包括：将含有带 电粒子的束引导到所述工件的表面以对所述表面部分进行化学改性，所述 工件的表面处于第一室中的图案中；将所述工件转移到第二室中；以及将 蚀刻剂应用到所述工件中，所述蚀刻剂与经过化学改性的部分进行反应， 以使得材料沉积。
出于总结本发明以及在现有技术中实现所具有的优势的目的，本发明 的一定的目标和优势在之前已经进行了描述。当然，应当理解，根据本发 明的任何特定的实施例，并不需要实现所有这些目的或优势。于是，例如， 本领域的技术人员将理解本发明可以以如下方式实现或执行：将一个优势 或一组优势如本文所描述或建议的方式实现或优化，而不需要实现或优化 如本文所描述或建议的方式的其他的目的或优势。
所有这些实施例试图落入在此公开的本发明的保护范围中。这些和其 他实施例根据参照附图的优选的实施例的下列详细描述，对于本领域的技 术人员是显而易见的，本发明不试图限制所公开的任何特定的优选实施 例。

本发明在此所公开的这些和其他的特征、方面和优势在下文中参照优 选实施例的附图进行描述，所述优选的实施例试图说明而不是限制本发 明。
图1A是用于受控的粒子束制造的典型的设备的透视图；
图1B是图1A的设备的俯视示意图；
图2是典型的带电粒子曝光室的示意框图；
图3A是典型的带电粒子柱；
图3B示意性地示出带电粒子聚束；
图3C示意性地示出典型的聚束器；
图3D示意性地示出典型的熄灭装置；
图4A示出随时间周期的典型的写策略；
图4B是典型的工件台和控制电子元件的示意框图；
图4C和4D是典型的束测量技术的示意框图；
图5示出数字化束中的典型的带电粒子组；
图6A示出偏转反射器的俯视示意图；
图6B是图6A的偏转反射器的右上四分之一象限的局部透视图；
图7是另一个典型的带电粒子柱的示意框图；
图8示出典型的写策略；
图9A至9C示意性地示出辅助化学蚀刻工艺的典型的数字化束的各种 不同阶段下的工件的横截面；
图10A至10C示意性地示出辅助沉积工艺的典型的数字化束的各种不 同阶段下的工件的横截面；
图11A至11C示意性地示出典型的数字化束注入工艺的各种不同阶段 下的工件的横截面；
图11E至11I示出在数字化束改进工艺过程中的典型的改进；
图12A至12C示出以受控的粒子束处理的轻掺杂漏结构的典型的横截 面；
图13A至13B示出分别以受控的粒子束和其掺杂浓度分布处理的横向 沟道掺杂结构的典型的横截面；
图14A至14B示出用于绝缘以受控的粒子束处理过的栅极场效应管结 构的异质结的典型的横截面；
图15示出以受控的粒子束处理的砷化镓二极管结构随时间的典型的 横截面；
图16A至16K示出砷化镓微波单片集成电路结构随着被受控的粒子束 处理的时间而变化的典型的横截面；
图17示出以受控的粒子束处理的异质结双极晶体管结构的典型的横 截面；
图18示出半导体结构随着被受控的粒子束处理的时间而变化的典型 的横截面；
图19A示出以受控的粒子束处理的辐射抵抗结构的典型的俯视图；
图19B是沿着线19B-19B得到的图19A的辐射抵抗结构的示意性剖视 图；
图20示出物镜组件的分解剖面示意图；
图21A至21G示意性地示出束写策略。

尽管下文将公开一定的优选实施例和示例，但是对于本领域的技术人 员，应当理解，本发明扩展超过特定地公开的实施例和/或本发明及其显 见的改进和等价物的使用。因此，在此所公开的本发明的范围应当不受到 下文所属的特定地公开的实施例的限制。
通过以带电粒子束直接刻写可以获得更小的器件几何尺寸。聚焦离子 束(FIB)系统通常没有足够多的离子曝光以支撑高生产量的制造。进而， 仅仅相对低速的偏转采用已有的离子光学元件/偏转电子元件方法学可获 得，以防止对半导体器件的图案化层的有效的直接刻写。同样，FIB已经 受限于掩模(例如掩模版)和半导体修补。随着FIB技术的进步，对于在 不使用抗蚀剂的情况下在工件上直接同时进行沉积、蚀刻和注入图案的能 力得到支撑。然而，剩余的问题，包括具有从小到无(little-to-no)的 晶片刻写软件的低能量系统、无度量系统以及需要最小的束电流密度和偏 转速度以支撑在高制造缩放比例下的光刻。根据在此所述的实施例对于 FIB系统的改进和提高在半导体工件及其他介质(例如，掩模、CD光盘、 DVD光盘、高清晰度DVD(HD DVD)、蓝光光盘(Blue-Ray)等)的抗蚀剂 处理和无抗蚀剂加工中都可以获得合适的制造产量。
沿着轴线行进并具有与所述轴的横向分布的带电粒子束的物理属性 可以被改变以提供高速、数字(脉冲)式分布的刻写束。各种方法可以被 用于形成被高密度带电粒子节点和低密度(或无密度)波腹在时间上和空 间上定义的波，所述波沿着加速粒子的纵向路径(在此称为“数字化束”) 移动。例如，聚束器可以被用于形成带电粒子的局部组(或“闪束(flash)” 或“包”)。这些带电粒子的组可以包括至少一个带电粒子。然后数字化束 通过偏转反射器，在其上，电压的变化使得所述带电粒子的组改变相对于 传播方向的位置。电压的改变可以以粒子节点在相位上计时，由此进行有 效的偏转。所述波腹的锐边有效地为直接刻写提供快速的束熄灭。将所述 数字化束应用到工件表面允许无抗蚀剂图案化处理，所述无抗蚀剂图案化 处理包括将材料沉积、蚀刻和/或注入到工件的表面，和/或高分辨率抗蚀 剂曝光。
图1A是根据在此所公开的一定的实施例的典型的设备100的透视图。 图1B是图1A的设备100的俯视图。设备100包括曝光室102、承载室104、 运输模块106和多个处理室108。尽管未示出，但是应当理解，设备100 包括气体集合系统和自动处理控制器，这将在下文中进行详细描述。
承载室104可以容纳工件101，所述工件101例如在设备100中处理 之前和/或之后没有被处理。在一定的实施例中，承载室104配置用于实 现真空，以使得与承载室104进行通信的运输模块106的自动材料处理系 统(AMHS)110可以插入和/或去除工件101，而不必须抽取到在每个转换 之间的真空中或从所述真空中抽取。在一定的实施例中，承载室104配置 用于接受前端开口片盒(front opening unified pod，FOUP)。
运输模块106配置用于在设备内移动工件101。运输模块106包括 AMHS110，所述AMHS110配置用于操作至少一个工件101。合适的AMHS 110 可以基于曝光室102、承载室104、运输模块106和/或处理室108进行选 择。在一定的实施例中，AMHS 110包括多个运输臂，以使得工件101可 以被同时(或并行)操作。
在一些实施例中，运输模块106包括工件预对准器，以使得被运输臂 110拿走并随后放进曝光室102或处理室108中的工件101处于准备在曝 光室102或处理室108中处理的取向。例如，所述预对准器可以采用电荷 耦合器件(CCD)或其他成像器件定位工件101的平面、缺口或其他可辨 别的特征。在一些实施例中，所述预对准器配置用于确定工件101上的对 准特征的重叠参数。所述重叠参数可以包括x和y偏移、旋转等。
依赖于工件101的类型和尺寸，各种真空和输送系统可以被用于设备 100中。能够输送各种工件的系统优选地采用高速工件输送系统。通过在 工件台上在真空下对准工件而不是在真空系统外部对准工件可以增加工 件进入真空的吞吐量。标准的工件保持器(例如晶片夹)可以在几分钟内 被抽成高度真空。工件101在真空下的对准可以增加晶片进入真空的吞吐 量。
在一些实施例中，运输模块106包括至少一个处理分站，例如包括用 于在处理步骤之间保持工件101的至少一个过渡区、粒子污染检测器、温 度淬冷站和/或度量站。所述度量站可以从适合于工件的所述类型的任何 工具中选择出，所述测量站可以包括但不限于能量色散分析仪(energy dispersive spectrometry，EDS)、波长色散分析仪(WDS)、二次离子质 谱仪(SIMS)、扫描电子显微镜(SEM)、二维激光扫描成像仪、三维激光 成像雷达(LADAR)、热成像仪、毫米波成像仪、工件成像仪和照相机。
曝光室102配置用于以带电粒子的数字化束对工件101进行曝光。如 图2所示，曝光室102包括射束柱200，如图3A更详细地所示。射束柱200 包括用于生成带电粒子流的带电粒子源202。尽管在此在一定的实施例中 参照离子对系统和方法进行描述，但是应当理解，一些系统和方法可以利 用包括电子和正电子的带电粒子。带电粒子可以包括至少一个正负带电离 子，以及一价、二价、三价等带电离子。在一些实施例中，带电粒子源202 配置用于生成多个离子种类。在一些实施例中，带电粒子源202配置用于 提供1000安培/厘米2(A/cm2)的电流聚焦成10nm的光斑，以在目标上 进行测量。
液体金属离子源(liquid metal ion source，LMIS)技术使得形成 高电流密度的带电粒子束。用于形成LMIS的典型的技术是被加热的液态 金属存储器，针从所述存储器向下伸出。金属由毛细管作用沿着所述针流 动。来自提取电极的电场将在所述针的尖部上的液体吸入锋利的尖端(“泰 勒锥”)，离子被从所述尖端发出。所述点源十分明亮(例如，大约 109A/steradian/cm2)，且在合适的光学元件条件下，所述点源允许所述束 直径小到2nm。各种合金提供半导体加工所共用的多个离子种类。
加速和聚焦离子的分布能量可以引起色差，所述色差导致离子光学系 统的电流密度效率的损失。离子束能量分布可以被测量作所述束的半高宽 (FWHM)，并可以被分配为多达12％。提供电流密度效率以及分解长短项 稳定性问题可以使得LMIS性能足以满足半导体处理工具的要求。本发明 的多个实施例中的一个方面是实现：带电粒子束由高低能量轨迹的分布组 成，所述能量轨迹可以被有利地组合。
至少两种机制可以有助于所述能量分布的展宽：第一，关于离子形成 的效应；而第二，在离子形成后的空间电荷力。从LMIS源的离子发射通 过在发射器尖部上的离子的直接场解吸附作用或者通过在离所述发射器 尖部一定距离处的被解吸附的原子的场离子化来形成。在尖部表面附近生 成的离子可以与下游的中性原子交换电荷，并在该点上强制零能量离子。 由于在所述发射器区域中的电场很高(例如，在大约20和50伏特/nm之 间)，在离所述发射器不同距离处形成的离子可以具有不同的能量。空间 电荷效应展宽所述束的能量分布，尤其是在低速的情况下。因此，所述柱 200优选地配置用于将所述离子形成之后直接加速到全能量。低质量种类 的使用，在所述种类的使用是合适的情况下，可以辅助离子加速。
空间电荷效应也被更高的电流加剧。对于LMIS源，能量分布的宽度 优选地正比于2/3功率处的电流。同样，将传统的LMIS源实际应用到光 刻显示出类似于电子束的行为。
对于基于LMIS的系统可以获得的最大电流密度的限制由离子束的能 量分布所导致，所述离子束的能量分布由上面的离子光学系统中的色差造 成。然而，采用位于带电粒子源202的下游的束数字化装置206可以有效 地放缓移动较快的粒子并可以加速移动较慢的粒子以获得一致的速度，并 因此在每组数字化束中获得一致的能量分布(加速电压)，由此降低带电 粒子源色差的作用，如图3B所示，所述束数字化器206配置用于调整带 电粒子之间的纵向间隔，以便形成沿着所述传播轴线的在时间和空间上分 解的带电粒子组。
类似于电子束的漂移，LMIS泰勒锥发射不可预见地在大约一个小时 的周期里在图8的图案中漂移。在未经检测的情况下，该漂移可能造成图 案的位移误差。源的寿命和电流稳定性是对于采用传统的LMIS源的生产 吞吐量处理工具的实际应用的保障。在带电粒子源202上的进一步改进可 以提供稳定性和寿命，由此减少了频繁的源更换工作。与粒子形成相关联 的能量分布的展宽可以通过在低温下操作LMIS被减小或最小化，由此降 低所述尖部附近区域的中性原子密度。所述能量分布也可以通过选择低蒸 发压的种类，例如通过选择被双重离子化的种类以及采用具有小的虚辐射 源的益处的种类被减少或最小化，所述被双重离子化的种类具有低的电荷 交换横截面，并在所述尖部的表面上形成，已知具有窄的能量分布。
在一定的实施例中，带电粒子源202的寿命的延长可以通过在操作之 前调节源驱动参数来实现。同样，自动调节程序的合并可以有助于带电粒 子源202的寿命和稳定性的延长。附加地，连续的流动策略(例如具有硬 化的尖部的饱和的电极型针)，可以进一步延长带电粒子源202的寿命期 限。经过提高的寿命期限的第二级效应可以包括发射电流和位置稳定性提 高。源发射位置稳定性可以通过采用从偶然的束重合的误差反馈并对源的 伺服电机进行调整而被成功地纠正。尽管优选离子束电流密度被增加，但 是在曝光室102中的柱200不需要增加所述束的电流密度。
其他带电粒子源202也可以被用于在此公开的实施例。例如但不限 于，带电粒子源202可以包括等离子体离子源(plasma ion source，PIS)、 体积等离子体离子源(volume plasma ion source，VPIS)、气体场离子 化源(gas field ionization source，GFIS)、碳纳米管场发射器、自由 电子激光器和目标、脉冲式激光器烧蚀离子源、磁约束等离子体阳极源 (magnetically confined plasma anode source，MAP)以及热场发射电 子源(thermal field emission electron source，TFE)。
从带电粒子源202射出的带电粒子流被准直器204沿着轴线准直和引 导。包括光学元件组合的各种准直器204适用于柱200。例如，在不受限 制的情况下，准直器204可以包括至少两个透镜或者一个透镜和一个反射 光学元件。准直器204还可以包括配置用于对所述带电粒子束进行整形的 孔。在一定的实施例下，所述准直器配置用于以在大约5和30千电子伏 (keV)的加速电势引导所述带电粒子流。在一定的实施例中，曝光室102 配置用于以在大约5和500keV的加速电势引导所述带电粒子流。在一些 实施例中，准直器204的电压可以附加在例如由下柱出口施加的附加电压 上。
在带电粒子源202配置用于生成多个离子种类的实施例中，各个离子 种类可以通过以粒子滤波器(例如光谱仪滤波器)过滤带电粒子流，针对 具体的处理应用被选择出来。例如，质量分离器可以配置用于使所选择的 离子种类偏转入质量分离器孔径板。所述质量分离器优选地设置于准直器 204和束数字化装置206之间。在一些实施例中，质量分离器包括反射光 学元件。在一些实施例中，所述质量分离器包括ExB透镜。在一些实施例 中，所述质量分离器包括电磁交叉场分析器(Wein filter)。
束数字化装置206配置用于形成数字化束，所述数字化束通过调整沿 着传播轴的带电粒子之间的纵向间距，包含多组离散的至少一个带电粒 子。在一定的实施例中，束数字化装置206配置用于形成组，所述组包括 大约1到7,000,000之间个带电粒子、大约1到100,000之间个带电粒子、 大约1到10,000之间个带电粒子、或者大约1到50,000之间个带电粒子。 在一些实施例中，束数字化器206配置用于在带电粒子组之间的束移动小 于大约10米、小于大约1米、小于大约10厘米、小于大约10毫米、小 于大约1毫米、小于大约500微米、小于大约300微米、小于大约100微 米、小于大约10微米、小于大约100纳米、小于大约10纳米、小于大约 1纳米的情况下形成带电粒子组之间的纵向间距D。在一些实施例中，束 数字化器206配置用于在带电粒子组之间的束行程在大约1纳米到10米 之间、小于大约1纳米到1米之间、小于大约1纳米到10厘米之间、小 于大约1纳米到10毫米之间、小于大约1纳米到1毫米之间、小于大约1 纳米到500微米之间、小于大约1纳米到300微米之间、小于大约1纳米 到100微米之间、小于大约1纳米到10微米之间、小于大约1纳米到100 纳米之间、小于大约1纳米到10纳米之间的情况下形成带电粒子组之间 的纵向间距。在所述带电粒子组之间的纵向间距可以是大致相等的、不相 等的、周期的、谐波的等。
在一定的实施例中，束数字化装置206包括聚束器。在射频(RF)聚 束器中，带电粒子流通过所述聚束器的间隙，在所述间隙中，所述带电粒 子被施加交变电势、RF或多个调制电势波形、拍波、谐波、变元或其组合。 速度调制将所述带点粒子压缩到一起，以使得它们形成空间上和时间上分 解的离散的带电粒子组。在一定的实施例中，频率和聚束器间隙长度配置 用于匹配所述带电粒子的组的平均速度。所施加的电势在通过所述聚束器 时对每个带电粒子的纵向速度进行调制，以使得一些带电粒子(例如，低 于平均速度的带电粒子)被加速而其他带电粒子(例如，高于平均速度的 带电粒子)被减速(例如，如图3B所示)。所述聚束器间隙的间隙长度、 所施加的电势的幅度和频率、以及通过柱200的带电粒子的飞行时间 (TOF)确定数字化束以及在工件101的表面上的带电粒子组的最终特性。
图3C示意性地示出通过聚束器移动的带电粒子流。电势可以穿过聚 束器的电极302、304施加，所述聚束器由聚束器间隙G分离。如果此后 电势是非交变的，所述带电粒子开始形成组，所述组的长度L和间隔(间 距)D依赖于所述带电粒子在通过所述聚束器之后移动了多远。在一些实 施例中，所述聚束器配置用于在移动过程中将所述带电粒子压缩入所述 组。在一些实施例中，所述聚束器配置用于施加电场以纵向地压缩所述带 电粒子的组。所述带电粒子优选地在到达工件101时，在纵向上被充分压 缩(例如，如图3C所示)。由所述聚束器所施加的能量可以由带电粒子流 的初始能量和在时间上和空间上被分解的带电粒子组的最终能量之间的 差别确定。
在一定的实施例中，所述聚束器包括多个聚束器电极，并因此包括多 个聚束器间隙。所述电势可以被选择性地施加在两个电极之间，以便改变 数字化束的特性。例如，电势可以在，并在3厘米的聚束器间隙G的情况 下被施加在电极之间，以形成具有较高的带电粒子密度的节点。
在聚束器输入参数(例如束能量和聚束器能量、频率和间隙长度)与 聚束器输出特性(例如间隔D、长度L和密度)之间的关系是公知的。聚 束器优选地操作用于为每组提供给定数量的带电粒子。首先，聚束器间隙、 频率和束能量可以被保持恒定，而电流被调整。第二，束能量和聚束器电 流可以被保持恒定，而所述聚束器间隙、频率被调整。
在一些实施例中，所述聚束器包括螺旋线圈，所述螺旋线圈以电流频 率被调制，得到磁场。在所述线圈的匝之间的纵向间距(“间隙”)中，所 施加的电流的幅度和频率以及通过柱200的带电粒子的飞行时间(TOF) 确定在工件101的表面上的数字化束的最终特性。在一定的实施例中，频 率和线圈匝之间的纵向间距配置用于匹配所述数字化束的平均速度。
聚合带电粒子允许通过改变聚束器频率、幅度和占空因数对带电粒子 水平上的剂量变化进行写策略优化，所述占空因数如上所述依次改变带电 粒子的密度。因此，聚束器参数优选地根据所述写策略进行调整。
在一定的实施例中，束数字化装置206包括束熄灭装置(例如，可以 在足以形成数字化束的速度下操作的束熄灭装置)。例如，在不受限的情 况下，高速熄灭装置可以包括配置用于以一定间隔吸收带电粒子的孔径 板。所述孔径板进行初始定位，以使得所述流流过孔径板的内部边缘附近 的孔径板中的孔。电极配置用于将所述流偏转入所述孔径板，所述孔径板 截取粒子流，以形成在时间上和空间上分解的数字化束。图3D示意性地 示出通过高速熄灭装置移动的带电粒子流。孔径板316被定位在所述带电 粒子流附近。电极312、314配置用于将电势施加到所述带电粒子流上， 以形成在时间上和空间上分解的数字化束的带电粒子组。如果此后所述电 势不是交变的，带电粒子继续以长度L和间隔D移动，而不管所述带电粒 子在通过所述高速熄灭装置之后移动多远。
束数字化装置206的其他的实施例也是可以的。在一些实施例中，束 数字化装置206配置用于调制带电粒子源202的接通/断开状态。在一些 实施例中，束数字化装置206配置用于调制带电粒子源202沿轴线的纵向 位置，以便对所述带电粒子组进行偏移。
在一些实施例中，束数字化装置206配置用于施加电磁辐射，例如具 有大约1兆赫(MHz)和100吉赫(GHz)之间的频率或者大约1MHz和25GHz 之间的频率。在这种实施例中，束数字化装置206可以配置用于调制例如 电磁辐射的幅度、电磁辐射的频率及其组合等。在一些实施例中，束数字 化装置206配置用于将拍波应用到包含带电粒子的等离子体上。在一些实 施例中，束数字化装置206配置用于将空间电荷应用到尾波场。在这种实 施例中，束数字化装置206可以配置用于共振地吸收空间电荷。在一些实 施例中，束数字化装置206配置用于熄灭通过吸收孔的束。在一些实施例 中，束数字化装置206配置用于将脉冲式的入射中性束应用于带电粒子源 202。在一些实施例中，束数字化装置206配置用于将脉冲式激光束应用 于带电粒子源202。
在一定的实施例中，这里所述的部件被有利地组合。在实施例中，柱 200包括位于准直器204下游的束熄灭装置以及位于所述束熄灭装置的下 游的聚束器。来自所述束熄灭装置并进入所述聚束器的数字化束可以被进 一步用于在时间上和空间上分解所述数字化束中的各个组。在另一个实施 例中，柱200包括位于准直器204下游的聚束器以及位于所述聚束器下游 的束熄灭装置。其他配置也是可以的。
柱200还包括位于束数字化装置206下游的偏转反射器210。偏转反 射器210包括沿着所述数字化束的轴线纵向设置的一系列偏转台(例如电 极台、磁性台)。偏转反射器210对所述数字化束中的各个带电粒子的组 进行偏转。如在此所使用的，术语“次场偏转”表示由偏转反射器210实 现的各个带电粒子的组的偏转。在一些实施例中，偏转反射器210配置用 于使数字化束中的组沿着大致垂直于传播轴线的方向偏转。在一定的实施 例中，所述偏转反射器包括大约在1和1,000或4之间个偏转台。在一定 的实施例中，所述偏转反射器包括至少一个、两个、三个或四个偏转台。 在一些实施例中，每个偏转台包括至少两个电极。在一些实施例中，至少 一个偏转台包括四个电极。其他数量的偏转台和电极也是可以的。
在一定的实施例中，在数字化束中的带电粒子组的平均速度在大约1 ×104米/秒(m/s)和3×108m/s之间。在一些实施例中，由每个偏转电极 台所施加的电势配置用于与通过所述偏转反射器的带电粒子组的平均速 度同步。例如，偏转电极台可以配置用于仅仅当在通常情况下一个带电粒 子的组正在通过偏转反射器时和在特殊情况下通过特定的偏转电极台时 施加电压。在一些实施例中，由每个偏转电极台施加的电势配置用于与通 过所述偏转反射器的带电粒子组的平均速度以谐波方式同步。例如，在偏 转反射器的至少一部分中的每个偏转电极台可以配置用于仅仅当在通常 情况下特定的带电粒子的组正在通过偏转反射器时和在特殊情况下通过 特定的偏转电极台时施加电压。在一些实施例中，由每个偏转电极台施加 的电势配置用于与通过所述偏转反射器的带电粒子组的平均速度随机地 同步。如在这里所使用的，术语随机地同步被给予了其最广泛的可能的含 义，包括但不限于，通过偏转电极台将电压应用于具有随机间距的带电粒 子组上的同步或者通过随机偏转电极台将电压应用于具有随机或其他间 距的带电粒子组上的同步。
在一定的实施例中，当每组数字化束的带电粒子通过时，偏转台的电 极施加大致相等的电势。每个带电粒子的组的偏转量依赖于被顺序激活的 电极数量。在一些实施例中，当每个带电粒子的组通过时，可变电势被应 用于每个偏转电极台上。例如，第一偏转电极台具有最小电压，而后续电 极具有逐渐增加的电压，随着电极被激活而导致线性偏转。反之亦可，在 这种情况下，第一偏转电极台具有最大的电压而后续的电极具有逐渐降低 的电压。被激活的偏转电极台的数量限定每组数字化束的带电粒子的偏转 量。应用于所述偏转反射器上的信号时间和名义上的电压可以针对各个偏 转电极台进行校准，甚至在每个偏转电极台内针对各个电极进行校准。如 果需要匹配每组数字化束的带电粒子的入射(“相位匹配”)(例如由于带 电粒子速度、种类和质量的变化、偏转台位置、图案分辨率、图案场误差、 物方偏转场内的误差、工艺具体补偿、写策略及其组合等)，则可以延迟 触发各个偏转电极台的所采用的电压。在一定的实施例中，所述偏转电极 台的场的周界被定义为距离传播轴线的中心在x或y方向上偏移小于4mm、 小于2mm、小于1mm或者小于100μm的次偏转场。
在一定的实施例中，每个偏转电极台的电势配置用于部分地将所述带 电粒子的组朝向预想的轨道移动。每组被N个偏转电极台中的每一个部分 地偏转预想的偏转距离的第1/N。在一定的实施例中，第一偏转电极台或 者任何单个偏转电极台配置用于大致完全地使至少一组(例如全部)带电 粒子朝向预想的轨道移动，且其他的偏转电极台被用于精调所述组的偏 转。其他的组合也是可以的。
在一些实施例中，例如如上所述的被和谐地同步的偏转反射器，至少 一部分偏转反射器包括N组偏转电极台，其中每组偏转电极台包括N个偏 转电极，在所述偏转电极台中，每第N个偏转电极台配置用于将特定的带 电粒子的组朝向预想的轨道移动。如果至少一部分偏转反射器包括两组偏 转电极台，则在所述组偏转电极台中的每两个偏转电极台可以配置用于将 特定的带电粒子的组朝向预想的轨道移动。如果至少一部分偏转反射器包 括三组偏转电极台，则在所述组偏转电极台中的每三个的偏转电极台可以 配置用于将特定的带电粒子的组朝向预想的轨道移动。其他的变体和配置 也是可以的。
图6A示出包括在每个偏转电极台中的至少一个电极的偏转反射器 210的俯视图。包括带电粒子的数字化束配置用于流经偏转反射器602的 中心孔。所述组电极604、606和608、610可以带正电荷或负电荷，这些 带电粒子的组被垂直于偏转反射器的纵向轴线和路径偏转。优选地，在相 对两侧上的电极，例如电极604和606所带电荷相反。图6B是偏转反射 器210的右上四分之一象限的局部透视图。电极606在该实施例中被绝缘 件612隔离开。绝缘件材料包括SiO2、SiNx、SiOxNy及其组合等。应当理 解，偏转反射器210可以包括一系列偏转反射器，其中每个偏转反射器包 括至少一个偏转电极台，而不是单个偏转反射器包括多个偏转电极台。例 如，偏转反射器210可以包括三组偏转反射器。如图6B所示，当所述带 电粒子的组沿着路径移动时，它们被每个偏转电极台偏转。其他偏转反射 器和电极配置是可以的。
在一定的实施例中，偏转反射器210配置用于将所述带电粒子的组设 置入三维时间空间(“自适应虚拟数字模版”)。在一定的实施例中，偏转 反射器210配置用于形成横向分布的所述带电粒子的组的图案。在一些实 施例中，偏转反射器210还包括配置用于缩小所述图案或所述虚拟模版的 偏转反射器透镜。所述偏转反射器透镜可以包括静电透镜、电磁透镜、反 射透镜、反射和折射组合透镜、反射和偏转反射组合透镜、偏转反射和折 射组合透镜、及其组合等。图7是柱200的原理框图，在所述框图中，来 自偏转反射器210的所述带电粒子的组被设置在虚拟数字模版702中，每 个带电粒子的组已经经历次场偏转。所述次场偏转、主场偏转以及工件101 的运动的组合可以被用于对工件101上的带电粒子的图案进行曝光。
在一定的实施例中，沿着轴线纵向的所述组数字化束的带电粒子的相 位配置成大致相等的、单谐波的、多次谐波的、随机的及其组合的等。偏 转台之间的间距可以配置成同步的，并可以配置成与所述带电粒子的组同 相。在一些实施例中，偏转电极台的纵向位置是可调整的。在一些实施例 中，偏转反射器210包括数字反馈系统，例如所述数字反馈系统用于调整 所述偏转电极台之间的间距。压电元件等可以被用于定位所述电极或偏转 台。
在一些实施例中，柱200还包括设置在偏转反射器210和工件台214 之间的物镜组件212。所述物镜组件212可以包括透镜、反射镜、反射光 学元件、反射光学元件与折射透镜的组合、反射光学元件和偏转电极的组 合、偏转电极和折射透镜的组合、及其组合等。在一些实施例中，物镜组 件212包括减损的透镜组件或者偏转反射器电极组件，所述减损的透镜组 件或者偏转反射器电极组件配置用于缩小、聚焦和/或偏转所述带电粒子 的组或所述自适应虚拟数字模版。例如，在一定的但不受限的实施例中， 具有大约200nm的直径(或“光斑尺寸”)的带电粒子组被减小10倍成为 大约20nm的直径。物镜组件212也可以配置用于将所述组或所述模版100 倍或1000倍。在物镜组件212配置用于偏转虚拟数字模版的实施例中， 所述偏转可以被称为“主场”偏转。在一些实施例中，物镜组件212的场 的周界被定义为距离传播轴线的中心在x或y方向上偏移小于10mm、小 于5mm、小于1mm或者小于100μm的次偏转场。在一定的实施例中，出 口包括一个出口。
再次参照图2，曝光室102包括位于下物镜组件212的下游的工件台 214.工件台214配置用于保持工件101.优选地，工件台214包括干涉仪 台，其中所述台的相对位置采用光学干涉进行测量。工件台214可以通过 温度控制减小工件中的放大误差，所述放大误差可能导致重叠误差。工件 台优选地配置成连续移动的，同时工件101被所述带电粒子的组曝光。例 如，工件台214可以配置成在曝光过程中在1秒的周期内25厘米的尺度 上连续移动。再例如，所述工件台可以配置用于在曝光过程中在每0.5秒 中停顿不超过5纳秒的状态下移动。在不停顿地移动工件台214的同时连 续曝光的能力可以增加效率和生产量。
在一定的实施例中，工件台214包括干涉仪，所述干涉仪配置用于确 定工件台214在水平面中的位置。所述台的x/y相对位置可以采用光学干 涉进行测量。也可以采用其他方法，例如所述工件台可以包括定位标记、 栅格或可被二次离子质谱仪(SIMS)检测的特征、背散射电子元件、或者 设置在定位栅格下面的法拉第筒。所述定位标记优选地被包括在可以平行 于柱200移动的组件中，以便对相对于所述工件的定位标记的工作高度进 行优化，由此减少柱校准和定位误差。所述数字化束可以被周期地或随机 地朝向所述定位标记引导，以检查所述柱的对准。所述定位标记也可以被 用于在曝光工件之前、之后和/或过程中校准所述柱200。
在一些实施例中，室102还包括高度控制系统，所述高度控制系统测 量工件台214和/或定位标记的高度。所述高度控制系统可以包括例如激 光器；多个检测器，配置用于接收从所述激光发出并被所述工件反射的光； 工件台214、和/或工件移动的表面。所述高度控制系统可以通过调整台 的升降(例如通过采用静电夹具、压电元件等)补偿工件台的测量到的高 度的变化。在一些实施例中，所述高度控制系统配置用于补偿小于1μm 的高度变化。静电夹持可以被用于将所述工件固定到工件台214上并确保 足够的热接触和工件的平坦度。
全动态写入(full motion writing，FMW)可以消除在曝光工件时的 工件台运动的辅助操作时间。在FMW中，偏转反射器210系统实时地更新， 以追踪工件台214的运动，由此允许所述系统在所述工件台处于运动中时 写图案。这种工艺优选地采用高速光学控制器(例如激光)追踪工件台214 的位置。例如，在控制器上的电路可以将多普勒频移的激光偏转测量转换 成可以被存储在台位置寄存器中的激光脉冲。干涉仪、激光偏转测量、或 者其他光学技术可以被用于追踪所述工件的位置。因此，光刻系统的生产 量可以通过减少或消除在台重新定位和调整工序的过程中得以提高。
在曝光工件的同时，每个偏转场的中心由机会窗口(WOO)定义。在 所述工件台处于运动中而偏转场忽略未刻写的WOO时，台控制器向偏转控 制器发出信号，以对曝光进行初始化。在这段时间里，所述偏转系统通过 工件台的实际位置的工件台位置寄存器更新。
工件台可以允许实时的偏转校正。通过改变WOO的尺寸或帧尺寸，或 者通过平滑逐帧的图案数据，可以针对连续刻写对所述系统进行动态地优 化。典型的帧/WOO密度如图4A所示。
工件台可以配置用于提供合适的速度性能(例如以100厘米/秒的速 度)。所述工件台可以配置用于在曝光中以高达大约每分钟40,000转 (rpm)旋转工件。例如，所述工件台可以具有尽可能小的惯性，且可以 提供可兼容的工件台电机设计。使用真空可兼容空气轴承导轨和线性电机 可以给振动源提供足够的减振。正如附加的示例，所述工件台电机可以置 于真空系统中，轻量材料可以针对所述工件台使用，且所述工件可以在台 上被对准，由此消除所述工件盒和盒夹持硬件。附加地，台位置的首先的 三个导数(速度、加速度和加加速度)可以被电子硬件限制和衰减，以正 确地控制所述工件台的运动。图4B是典型的工件台和控制电子装置的示 意图。
曝光室102可以与控制电子装置(例如包括晶片运输装置控制、真空 控制、悬挂控制、温度控制、压力控制等的系统支撑电子装置220以及包 括源控制模块、数字化器控制、偏转反射器控制、透镜控制、晶片高度传 感器、视频处理器、台控制和动态校正器(例如，对于实时柱相差校正) 的柱支撑电子装置230)进行通信。所述柱支撑电子装置230可以与数据 处理电子装置240(例如工作站)进行通信。
在此所述的系统的典型的应用通过在工件上直接刻写来进行原位工 件处理或抗蚀剂曝光。优选地，实现光学元件对目标工件的精确定位，但 是工具引起的位移(TIS)和工件引起的位移(WIS)误差可能由于温度效 应、工件处理效应和光学变形造成。典型的解决方案是测量在工件上的初 始图案(例如至少一个对准标记)，并将测量数据用于精确地将新的图案 化的图像置于工件上(例如通过调整曝光参数)。
定位传感器优选地可以自动地检测和识别各种定位和对准标记图案、 材料和形貌而不影响曝光生产量的数量。用于获得这种传感器的示例包括 但不限于：采用具有已有的硬件的高分辨率、高速定位系统；确定定位策 略的限制和柔性(例如通过以管芯到管芯的定位映射工件)并合并温度调 节台；以及引入管芯到管芯的定位的高速莫尔(光栅)干涉仪系统；及其 组合等。也可以采用其他的途径。
高分辨率、高速定位系统可以采用已有的硬件，并可以类似于已有的 电子束定位，但是可以采用多个成像模式。以数字化束扫描目标(例如， 定位或对准标记)的表面产生二次电子发射、二次离子发射和离子溅射。 双轴或圆柱形微通道板可以被用于检测二次电子(例如通过偏置目标电压 之上的电压)和二次离子(例如通过偏置目标电压之下的电压)。也可以 采用其他的配置。图像可以通过测量在所述束影响目标所在的每个点上的 二次离子和二次电子的信号产率。产率的变化表示工件的表面拓扑或成分 的变化。该信号的位置分辨率是在定位过程中的所测量到的束斑尺寸和偏 转像素尺寸的乘积，且通过数字统计的度量被增加。所溅射的离子提供更 大的标记识别能力，这是因为这种离子可以被收集并通过二次离子质谱仪 (SIMS)进行质量分析。SIMS定位技术发展得很好，并对于标记检测和 工艺开发诊断都可以被采用。具有所述束斑尺寸的空间分辨率的原子分布 可以为标记检测提供很高的精度。
为了对定位进行优化，检测器视频信号与所述定位或对准标记的计算 机生成图像的乘积可以被用于从高噪声的背景中增强或再现其他的不可 识别的目标信号。这可以通过将所述视频增益和偏置自动地相关来实现以 实现初始信号的增强。一旦所述特性被正确地调整，则所述信号可以被与 计算机生成(CAD)的定位图像或者对准标记相关联，以提供被增强的标 记图像。其他信号是可以从数字化束标记的相互作用中检测的。诸如来自 二次电子和背散射电子的那些信号可以被用于该工艺。附加地，来自二次 电子和背散射电子的信号可以被以微分方式采用，以改善检测限制(例如， 信噪比)。例如，最终检测信号可以是SIMS和其他信号之间的差别。定位 速度可以通过定位电子装置被限制，但是合并现代电子装置(例如，数字 信号处理(DSP))可以将定位时间减少几个数量级，而不牺牲定位分辨率。
在定位的数量和速度中的另一种考虑是在曝光之前用于工件的寄存 器的配置。依赖于工件在经过预先调节和在工艺中的温度稳定性，多种策 略可以用于补偿变形和生产量问题。工件映射通常对准单个管芯，提供被 减少的或最小的系统生产量的开支，但是在曝光过程中没有对由温度的不 稳定性造成的图案变形进行校正。在管芯曝光之前立即进行的管芯到管芯 的定位(例如用于最小化温度变形效应)，通常采用每级每个管芯四个定 位标记。这种技术消除以螺旋形方式刻写的能力，由存储器加载辅助操作 时间极大地限制了系统的生产量。然而，在多个管芯上同时进行定位可以 保持在包括多个管芯的场内以螺旋形方式刻写的能力，由此使得在减少或 最小化图案变形的同时增加或最大化生产量。
重叠精度随着器件几何尺寸的变小而变得越来越重要。对于数字化束 工具，将多级图案直接曝光到用于制造所需的集成电路的单个工件上包括 精确的层间定位。典型的工件对准技术具有三个特征：根据数字化束的表 面作用的足够信号的生成；用于处理所检测到的信号的检测算法；以及对 准特征加工技术。
带电粒子对工件的影响可以形成介质(例如二次电子、背散射电子、 光子和二次离子)，其中每个在检测效率上具有一定的优势。然而，出于 定位的目的选择特定的介质依赖于所述带电粒子的种类、带电粒子的能量 以及所述束的电流密度。信号检测器可以针对给定介质进行优化。例如， 电子光电倍增器通常适合于二次电子，固态二极管通常适合于背散射电 子，而二次离子质量检测器通常适合于光子和二次离子。
数字信号处理器处理来自信号检测器的信息，以便确定对准标记的位 置。传统的检测方法包括以数字化束进行一维线扫描。随着数字化束通过 偏转迁移穿过对准标记，对检测到的视频信号进行调制。因为对准标记和 工件的轮廓的差别而出现调制。实际的对准标记位置可以通过经由数字信 号处理模块处理经过调制的信号的分布。另一种检测方法包括数字化束的 X/Y扫描模式，以要求对准标记的视频图像。为了获得精确的边缘检测， 采用数字信号处理算法。经过改进的对准特征边缘的检测通过二维成像方 法实现，所述方法将多帧视频数据平均，并通过灰度信号处理确定所述对 准标记的实际位置。
优选地，对准标记在工件的整个工作区域上以等间距的两维栅格的喜 事形成。一种构成方法是被提升的多层半导体结构的构造，所述结构构成 硅、二氧化硅(SiO2)和多晶硅层，在晶片的多晶硅层上形成对准标记。 在另一种构成方法中，对准标记被蚀刻入硅晶片的表面，且一层重金属(例 如钽或钨)被沉积在沟道中。含有重金属的对准标记发出相对于硅衬底的 高水平的背散射，由此为低能量背散射离子检测提供轮廓细节。合适的对 准特征构成方法的选择依赖于被工艺步骤所指示的信号介质和信号检测 器。
三个对准标记的最小值被优化，以便精确地辨别平移、旋转和放大误 差。测量到的误差被反馈到工件台控制系统以进行校正，由此减小工件和 工具引起的移动误差。全局对准标记的处理可以通过去除总误差，允许更 快和更精确的局部对准标记的检测。无论工件何时被插入曝光室，无论工 件何时从设备被去除，对准处理可以在重要的处理步骤等之间被重复。也 可以采用其他技术。
图案化工具以可以在短时间(例如纳秒)内被操作(例如，从数字转 换成模拟)的格式转移大量的微电子电路图案数据。所述数据通常为针对 超大规模集成(VLSI)计算机辅助设计(CAD)的格式，如下所述。该数据 例如被用于通过偏转反射器210、偏转反射器透镜、物镜212和/或工件 台214的移动控制偏转，并可以被调整用于调整光学元件中的像差。带电 粒子曝光室可能具有缺陷(例如像差、偏转误差)，例如由于制造或安装 缺陷和光学系统的物理限制。作为示例，如果系统被以相对于工件台214 的轻微转动安装，则束偏转将相对于工件台214的运动被旋转。也可以存 在更复杂的误差，例如以所述束追踪大方块的外轮廓的尝试可能产生枕形 或筒形图案。这些效应的幅度正比于数字化束的偏转的幅度，这可以限制 偏转场的尺寸，并可以形成系统刻写质量的非线性变形。因此，采用数字 化束的高分辨率刻写优选地能够增加变换的数据以补偿偏转场变形、晶片 变形图案位移误差、台位置等。
此外，可能引入处理误差。图案变形或者偏转变形可能由在用数字化 束曝光工件时的多种因素导致。例如，在曝光室102中或者工件101中的 温度波动可能造成放大误差。再例如，将工件101固定地夹持到工件台214 上也可能造成旋转误差或者可能引起导致图像剪切的应力。而再例如，不 可恢复的非线性图案变形可能由后续处理(例如退火)导致。再例如，光 学元件的制造或安装可能是有缺陷的(例如相对于工件台轻微转动)，且 光学元件具有一定的物理限制。更复杂的误差可能由一定的工艺引起，例 如但不限于，以数字化束追踪大方块可能导致枕形或筒形图案。误差的幅 度可能正比于束偏转的幅度，以使得它们可以限制偏转场的尺寸且可以形 成系统刻写质量的非线性变形。自适应虚拟数字模版在任何给定的时间点 上以软件代码表示。同样，在所述模版在主场中被偏转的同时，所述模版 可以在时间上和空间上自适应地实时校正次场内的非线性图案的偏移、增 益、旋转和校正。这些校正可以在特征、管芯中进行，或者可以在整个工 件上进行。
数字化束光刻系统优选地可以实现图案和束校正，以补偿在工件上的 处理导致的误差和光学误差(例如，彗差、象散、图像纯变形、色差、球 差、场曲等)。这种行政可以提高刻写质量并增强系统的生产量。
图案和偏转变形问题可以通过将数据操作偏置电子装置(硬件和软 件)合并入系统中而被校正。例如，工艺控制软件可以采用计量学测量以 校正所述数字化束的偏转。这种计量学测量优选地在对工件进行曝光之前 进行。数字化束的质量可以在初始被优化以提供从后续的度量的改进的或 优化的测量。在一些实施例中(例如如图4C所示)，刀刃状的微孔网状物 栅格被置于二极管检测器上，所述栅格被数字化束扫描。相对于扫描位置 的束电流的二阶导数提供高分辨率束轮廓(例如，如图4D所示)。以光学 元件控制系统对束轮廓进行优化(例如自动优化)允许所述束的聚焦。
一旦数字化束已经被以小的或最小的偏转角优化，则系统可以通过将 工件台214移动到变形的偏转场的外部界限内的多个位置，对更大的可用 的偏转场内的数字化束轮廓进行校正。然后，数字化束被偏转到为束优化 而扫描栅格所在的位置上。所述工序在偏转场的扩展尺寸上被重复。然后， 可以将束优化数据与干涉仪或者工件台214的其他的位置监测系统相关 联。在一定的实施例中，在非线性误差被作为纯记忆存储的同时，误差的 线性分布被作为变元存储。也可以将依赖于主场内的次场的位置的束的变 形相关联。在次场内，栅格校准偏转变形的使用可以通过自适应虚拟数字 模版的主场偏转以适应在栅格上的扫描，在不移动工件台的情况下进行。 因此，束轮廓的自动优化或改进可以在扩展的偏转系统内实现，由此允许 刻写质量和生产量性能的提高。
因为工件101可以由于处理所造成的温度或应力效应而被转动和扭 曲，所以最终测量可以在对工件101的部分(例如独立的管芯)进行曝光 之前进行。如果已经含有之前的图案级的图案被刻写在工件101上，则新 的级可以被调整成重叠在之前的级上(例如通过定位管芯的三个或四个角 并然后在每个管芯内采用放大或旋转校正)。例如，校准软件可以在曝光 之前自动地测量每个管芯边缘上的特征，并在对准、处理或运输工件的同 时采用测量对所造成的任意图案位移、放大或转动进行校正。
如上所述，曝光室102可以通过提供集成电路(IC)设计数据(例如 以CAD图表的形式)以生成和曝光在工件上的图案。设备100的用户沿着 任何特定的对准配置和/或处理参数输出待刻写的所需图案。一旦针对器 件的设计(例如集成电路)被开发，则可以布置所述设计的多个图案层以 根据需要覆盖工件(例如覆盖整个工件)。带有用户界面的完整的曝光数 据制备(EDP)包可以被用于将原始设计(例如以CAD或图像数据系统 (GDSII))转换为曝光室102可用的格式(例如，曝光准备格式(ERF))。 在将图案数据加载到系统上之前，多种格式的变化(例如将类似的图案特 征进行压缩和合并并减少交叠的程序)可以被用于增加或最大化曝光室的 生产量。一旦所述图案数据已经被压缩成减小的或最小的尺寸，则场分割 程序可以定义图案数据的主、次偏转场并采用平滑程序对每帧数据中的密 度进行归一化。归一化减小了刻写重复的相邻的多个密度图案时的台的加 加速度。在进行如上所述的定位之后，图案被不知在工件上，采用定位数 据将所需的束图案与实际的工件图案进行校准，并采用任何补偿以提高重 叠精度。
在各种实施例中，例如GDSII、OASIS或其他何时的格式的图案数据 被输入到系统中。然后，所述输入数据被分为子场，并辨别它们是将“被 刻写”还是“不被刻写”。被刻写的子场的映射被送给用于光栅化(例如 转换成位图)的数据路径模块。通过移动工件台，并将所述束从一个被刻 写子场偏转到不相邻的被刻写的子场而不对不被刻写的子场曝光。不花费 时间处理没有图案数据的不被刻写的子场。
可以采用各种偏转技术以带电粒子对工件进行曝光。光栅扫描是束在 整个工件上向后和向前移动的扫描模式；所述束在指定区域上接通并直到 下一个指定区域被关断。矢量扫描是数字化束仅仅扫描被选择的区域的扫 描模式，在所述被选择的区域上，图案将被放置；在所选择的区域的扫描 完成之后，所述束被关断并被移动到代扫描的所选择的区域。混合矢量光 栅技术采用用于数据图案子场之间的主场的矢量近似，并采用广深扫描技 术偏转子场内的高斯或成形的数字化束。生产量提高可以由仅仅将工件台 移动到接受曝光的位置上。另一种形式的矢量光栅包括在主场中的矢量偏 转、在次场内的图案特征之间的矢量偏转，以及在次场内的特征的光栅图 像。矢量光栅系统的适量能力可以提供比纯光栅扫描系统更高的生产量， 且矢量光栅系统的光栅能力允许良好的图案保真度和具有小的停留时间 的高电流。
如上所述，在一定的优选实施例中，数字化束的次场偏转通过偏转反 射器实现，这之所以可行是因为，所述带电粒子的组的空间上和时间上的 纵向间距允许每组的独立偏转。在一定的实施例中，施加于每个偏转电极 台上的电压被计时以与每个带电粒子的组的速度匹配。
在所述带电粒子的组之间的间距可以有效地提供熄灭。尤其，这种在 组之间的熄灭有效地采用连续的或接近连续的带点粒子流的全通量。在组 之间的时间上的间距允许偏转误差校正(误差校正信号总和可以补偿台的 布置、偏转像差、光学像差和写模式处理调整)。生产量的改进可以通过 对数字化束曝光工件的时间进行最大化来实现。
在一定的优选的实施例中，数字化束能够实现多种图案曝光策略。这 种策略可以设计用于修改曝光剂量、种类、图案质量、每个带电粒子的组 的束能量、成批的所述组的束能量以及用于自适应虚拟数字模版的束能 量。设备也能够离散地在特定的写策略内的修改曝光剂量、种类、图案质 量、每个带电粒子的组的束能量、成批的所述组的束能量以及用于自适应 虚拟数字模版的束能量，以优化特定的工艺的特定的写策略。
在写策略的实施例中，束以光栅的方式穿过工件的整个区域被扫描。 在一定的实施例中，束斑的尺寸大于光栅中的栅格间距(例如，如图21A 所示)。在一定的实施例中，束斑的尺寸大致等于光栅中的栅格间距(例 如，如图21B所示)。即，所述图案是在主场中被扫描的矢量、次场中被 扫描的矢量和在待曝光的特征内的单个通道中的被扫描的光栅。当进行蚀 刻、注入和沉积时，以数字化束进行的特征处理可以调整每个像素的剂量 变化，以提高特征边缘的质量。在一些实施例中，大于一的数字化束斑尺 寸与像素之比可以平均所述带电粒子的组的位移，并可以减少曝光过程误 差。大的数字化束班尺寸与像素的比提高线边缘的粗糙度，并允许由于交 叠束的累积剂量造成的更高的剂量沉积。该工艺也可以在有抗蚀剂或没有 抗蚀剂的情况下进行。
在写策略的另一个实施例中，以大的斑尺寸和小的像素尺寸之比进行 行和列的交替曝光。以数字化束曝光交替的像素产生与所选择的特征同样 宽的像素曝光半宽，由此增加在两个轴上的目标值上的特征的临界尺寸 (例如，如图21C所示)。即，所述图案是在主场中被扫描的矢量、次场 中被扫描的矢量和在待曝光的特征内的单个通道中的被沿着x和y方向交 替的像素中被扫描的光栅。通过有效地减少每个瞬间的带电粒子的数量， 生产量被增加，但是牺牲了临界尺寸控制的成本。对于采用针对数字化束 的这种刻写模式存在优势，例如当进行无抗蚀剂蚀刻、注入和沉积工艺时， 将每个像素剂量变化或多种类的曝光用于提高器件性能、特征边缘质量和 生产量。由于系统生产量随着有效的刻写栅格的方块增加，所以生产量的 提高可能是很大的。该工艺可以在有抗蚀剂或没有抗蚀剂的情况下进行。
而写策略的另一个实施例将以像素间隔矩阵(或“组成物”)分隔， 并将在一系列通道中隔行交叉的组成物的组合的曝光重叠，每个通道沿着 x和y方向都与其他的通道偏移一个写地址的片段。即，所述图案是在主 场中被扫描的矢量、次场中被扫描的矢量和在待曝光的特征内的使像素交 叉隔行的一系列通道中的被扫描的光栅。束尺寸可以被设定成比像素尺寸 大25-100％，以便对闪束进行平均化，并减少每组的带电粒子数量(例如， 如图21D所示)。相对像素尺寸的更大的束斑尺寸通过对系统误差进行平 均，帮助减小线边缘的粗糙度，以允许更大的剂量沉积(例如，如图21E 所示)。针对数字化束采用该刻写模式具有优势，例如能够在进行直接蚀 刻、注入和沉积工艺时，将每个像素剂量的变化用于改善特征边缘质量， 由此提高特征边缘质量。该工艺也可以在有抗蚀剂或者没有抗蚀剂的条件 下进行。特征质量被提高，但是多个通道在对生产量影响很小或没有影响 的情况下实现。
写策略的另一个实施例实现具有预定的输入地址尺寸的单元的阵列 的采样矩阵。每个通道产生由单个通道中的束位移之间的距离限定的刻写 栅格。即，所述图案是在主场中被扫描的矢量、次场中被扫描的矢量和在 待曝光的特征内的沿着x和y方向偏移以形成使像素交叉隔行的多个偏移 组成物特征图案的一系列通道中的被扫描的光栅。所有通道的组成物形成 有效的曝光栅格(例如，如图21F所示)。所述束的剂量也可以被在系统 的操作包迹内自由变化。针对数字化束采用该刻写模式具有优势，例如能 够在进行直接蚀刻、注入和沉积工艺时，将每个像素剂量的变化用于改善 特征边缘质量，由此提高特征边缘质量。该工艺也可以在有抗蚀剂或者没 有抗蚀剂的条件下在大于大约400MHz的像素率下进行。在特征质量和生 产量之间的良好平衡由此可以实现。所述束的剂量也可以在系统的工艺限 定的操作包迹中变化(例如，如图21G所示)。这可以以多种技术实现， 所述技术包括对聚束器的工作周期进行调制。多级像素强度被从束强度的 0％至100％提供。部分强度的像素被沿着特征边缘使用，以便将所述边缘 定位在笛卡尔光栅扫描栅格的线之间。剂量调制可以被用户经由图案数据 文件指定。针对数字化束处理采用该刻写模式具有优势，例如能够在进行 无抗蚀剂蚀刻、注入和沉积工艺时，将每个像素剂量的变化用于改善特征 边缘质量，由此提高特征边缘质量。该工艺也可以在有抗蚀剂或者没有抗 蚀剂的条件下进行。在特征质量和生产量之间的良好平衡由此可以实现。
图8示出采用数字化束的典型的矢量光栅写策略。工件被分为方块像 素1至44。束通常以螺旋形运动穿过工件刻写，从1到4，然后从5到12， 然后从13到22等。每个像素被分成带，而每个带被分成场，所述场被分 成子场。所述束通常以螺旋形运动穿过每个带、场和子场刻写。在每个子 场中，所述束能够仅仅在被刻写的特征存在的位置上刻写。类似于矢量扫 描，数字化束仅仅扫描被选择区域，但是所述束不需要为移动到另一个区 域而被关断，至少所述束被关断的时间由于所述带电粒子的组之间的死区 可以为此目的而被使用而减少。
随着器件几何尺寸的减小，具有精确的重叠的图案化优选地至少比最 小尺寸或临界尺寸低一个量级。工件处理和运输可能引起在工件上的图案 的误差，所述误差对于位移误差有贡献，尤其当几何尺寸落入0.25微米 以下时。然而，串联的图案化装备(例如具有数字化束的曝光室)具有用 于通过定位和图案数据增加校正这些误差的柔性。完全自动的度量程序要 求所述数字化束自对齐，并进行偏转/工件定位校准，以及对晶片图案变 形进行校正，所述完全自动的度量程序不仅可以消除在最近级上的图案缺 陷，而且可以消除其他图案误差。
如上所述，束测量和激光干涉仪系统具有几埃以内的精度。使用这些 测量，系统校准软件可以收集针对主、次偏转场的偏转增益、线性度、偏 移和旋转。所述偏转被激光干涉仪校准，提供运转良好的偏转运动和在偏 转场内的数字化束的分布。所述数字化束分布相对于所述束偏转的线性和 非线性误差也可以被测量和校正。因为每个管芯在曝光之前被定位，所以 可以通过增加对图案软件的校正和在被校正的状态下曝光该管芯，而进行 温度补偿，所述温度补偿使得系统减少或消除图案变形，所述图案变形由 退火、真空辐射泄漏和蒸发以及不正确的调节造成。
电子数据制备(EDP)软件的柔性允许图案更换以获得处理的变化能 力。图案编辑、色调反转和特征偏移将增加的柔性提供给设备100的用户。 另外，特征边界、根据尺寸的剂量以及根据类型的剂量可以在小的几何尺 寸下改善数字化束辅助化学蚀刻(DBACE)和数字化束成核沉积(DBND)。
优选地，数据操作偏移系统，例如通过增加将经过校正的数据应用于 光学元件控制系统的图案数据，对图案和偏转变形进行校正。数据运算器 系统在光学元件控制之前为最终的图案数据施加偏斜，并因此可以包括非 常快的电子元件(例如，系统中最快的电子元件)。该系统将图案数据校 正、偏转变形校正和工件台运动校正累加到光学元件控制系统的前端。在 所述光学元件控制系统的前端上的数字模拟转换器将来自数据运算器的 数字信号进行转换。这些模拟信号一旦被放大，则驱动柱200。
重叠精度可以限制亚微米光刻。例如，传统的光刻系统不能对由晶片 处理造成的非线性图案变形进行校正，这通过工件尺寸的增加和器件几何 尺寸的减小而加剧。然而，因为所述图案没有被固定在掩模版上但在曝光 过程中可以改变，所以在此所述的一定的数字化束系统可以有利地校正这 些误差。自适应虚拟数字模版以软件代码的形式处于在时间上的任何给定 点上。因此，在主场中偏转的同时，可以在时间上和空间上对于次场内的 非线性图案的偏置、增益、旋转和校正自适应地进行实时校正。这些校正 可以在特征、管芯或到整个晶片内进行。
在曝光室102中处理工件101的方法包括将工件101以带电粒子的数 字化束进行曝光。在一定的实施例中，对工件101进行曝光包括：形成带 电粒子流；将所述流沿着轴线准直和传播；将所述流数字化为数字化束， 所述数字化束包括组(或包或闪束)，所述组包括至少一个带电粒子；采 用沿着所述轴线纵向设置的一系列偏转台偏转所述带电粒子的组；缩小所 述组；以及将被缩小的带电粒子的组聚焦到工件101上。曝光剂量优选地 小于大约1×1017个带电粒子/厘米2.如上所述，对所述束进行数字化可以 包括例如聚束、高速熄灭及其组合等。
在一些实施例中，将所述带电粒子的组偏转包括将电压选择性地跨过 偏转电极台施加在每个偏转电极台上。选择性地施加电压可以包括给第一 偏转电极台施加大电压和给其他偏转电极台施加较小的电压。选择性地施 加电压也可以包括给第一偏转电极台施加小电压和给其他偏转电极台施 加较大的电压。选择性地施加电压也可以包括在每个偏转电极台上施加近 似相等的电压。所述带电粒子的组的缩小优选地产生小于大约200nm、小 于大约50nm、小于大约10nm、小于大约5nm或者小于大约1nm的包直 径。所述工件台可以在曝光过程中连续地移动。例如，所述工件台可以在 大约100cm的尺度上在1秒的时间周期里连续移动。再例如，所述工件台 可以以每0.5秒中停顿不超过5纳秒的方式移动。
图5示出多个带电粒子的组502、504。在一些实施例中，带电粒子 组的偏转在工件上的死区512中出现，以使得在偏转过程中没有曝光出现。 饱和束脉冲的上升时间509可以用于空白的和非空白的边缘。在一些实施 例中，所述带电粒子的组的几何尺寸在垂直于时间的x和y维度上是高斯 的，以及对于传播轴线的速度也是高斯的。在一些实施例中(例如，如图 5所示)，所述带电粒子的组502、504具有沿着纵轴的梯形截面。在图5 中，两个带电粒子的组502和504被示出。每个数字化束具有密度分布上 升时间506和下降时间508。在没有电荷带电粒子和带电粒子的峰值密度 之间的时间是快速脉冲上升时间509。每组502、504具有带电粒子的峰 值密度所在的时间是数字化的闪束光时间510。在带电粒子的全浓度和没 有带电粒子之间的时间是快速下降时间511。没有带电粒子的时间是死区 512(波腹区域)。在第一组(例如组502)中的全浓度的带电粒子和后续 组(例如组504)中的初始浓度的带电粒子的最后时刻之间的时间是偏转 时间514。在第一组(例如组502)中的第一浓度的带电粒子和第二后续 组(例如组504)中的初始浓度的带电粒子之间的时间是闪束光工作周期 (或“闪束光斑速率”)516，并用于次场内的特征到特征的偏转时间。然 而，在一些实施例中，在多个工作循环上可以出现熄灭。可以采用熄灭装 置。
再次参照图1A和1B，设备100还可以包括至少一个专用的处理室 108。附加的处理室可以根据情况用于预先的处理。处理室108可以包括 任何类型的工件处理装备。例如但不限于，处理室108可以包括蚀刻、沉 积(例如氧化、成核等)、快速热退火(RTA)及其组合等。一些处理室 108可以配置用于处理已经在曝光室102中被曝光的工件101，同时其他 的处理室108可以配置用于在其他处理室108处理之前或之后、曝光室 108中的处理之前等时候对工件101进行处理。在一定的实施例中，处理 室108可以包括校准或度量工具。在一定的实施例中，设备100包括多个 处理室108，以使得工件101可以从裸衬底转变成大致完成的产品。优选 地，工件101可以被充分地处理，而不被从设备100中去除。在一定的实 施例中，从开始制作衬底到大致完成产品的持续时间小于一周，更优选地 小于两天，或甚至更优选地小于一天，或者更优选地小于一小时。
在典型的实施例中，两个处理室108被专门用于成核和氧化沉积，第 三个处理室108专门用于快速热退火，而第四处理室108专门用于化学辅 助数字化束蚀刻(CADBE)。尽管一个处理室108可以配置用于进行所有 这些处理，但是贡献允许，例如采用坚固的材料以避免在CADBE室中的 腐蚀。
自动处理软件可以被用于监测和分析所有方面的系统性能，以进行所 有功能操作的自动控制，并对由系统实现的每个工艺进行优化。软件可以 进行在系统的所有传感器上的数据搜集程序，并将所述结果组织成为操作 的与性能相关的读取系统的状态的报告。软件也可以针对通过包括与实际 工艺相比的目标工艺的系统的处理的每个工件制备处理报告，所述报告可 以被用于确定缺陷分析和处理边界。将处理参数反馈入自动控制环(例如 基于知识的程序)允许在开发过程中的高杠杆作用。软件可以将从至少一 个度量工艺搜集到的数据合并以增强这种工艺开发，例如用于监测和调整 蚀刻速率、沉积厚度和污染。尽管图案曝光可以由图案生成系统控制，但 是软件可以优选地运行所有的系统功能，包括处理工序、针对每个工序的 处理参数等。也可以采用其他配置。在一定的实施例中，也采用用户控制 和调整。
蚀刻是用于半导体电路制造的处理。高杠杆(leverage)的微电子集 成电路通常利用在临界尺寸和位置内的材料的高分辨率蚀刻。在特征深 度、一致性、各向异性和可复制性上的精确控制的蚀刻金属、半导和电介 质对于许多应用是需要的。标准处理技术典型地利用与抗蚀剂相关的图案 化步骤以进行材料去除，湿或干化学蚀刻跟在所述与抗蚀剂相关的图案化 步骤之后。
抗蚀剂图案化限制了蚀刻工艺的形貌、尺寸、深度和一致性。在被经 过聚焦的离子束曝光之后的铣削或蚀刻提供材料的高分辨率去除而不使 用抗蚀剂。然而，高剂量和低敏感度造成装备的减速，且铣削还没有在商 业上成功地实现。化学辅助工艺(例如，化学辅助离子束蚀刻(CAIBE) 和反应离子蚀刻(RIE))被引入以增强铣削，但是因为气体与曝光室内的 多个部件进行反应，所以它们不能被合并入FIB装备中。相反，如这里所 述，与在可与无抗蚀剂的处理兼容的组中的浓缩的带电粒子结合的低剂量 工艺提供质量图案和高生产量。
在一定的实施例中，工件的蚀刻、注入和沉积可以在曝光室102中进 行。被数字化束和处理气体曝光的多重活化可以极大地提高所有三种工艺 的效率。从能量、种类和电流的角度为特定的工艺专门设计的数字化束因 为所述数字化束的参数是可调整的而能够实现，所述数字化束可以影响和 分解一部分工艺气体分子。经过分解的分子撞击工件的原子表面以将新原 子溅射或注入工件，或者将新原子沉积在工件表面。在一些实施例中，工 件的部分和/或全部在曝光过程中被加热。
蚀刻技术的新家族理想地适合于采用无抗蚀剂工艺的高分辨率、高生 产量的微电子制造。该新工艺家族被称为数字化束辅助化学时刻 (DBACE)并比铣削对离子曝光敏感多达10至100倍。所述工艺包括至 少两个步骤，所述步骤包括将图案以数字化束曝光到待蚀刻的区域上。工 件的目标表面以很低的剂量的离子能量曝光，形成对于化学试剂的反应区 域。然后，工件被引入到隔离室内的反应气体。因此，高分辨率干化学蚀 刻工艺活跃地将所需的位置内的材料去除，而作为用于数字化束图案在曝 光室内的其他工件上的曝光的平行工艺。作为示例，DBACE可以在具有 氯气(Cl2)或氟气(F2)的硅和二氧化硅(SiO2)上、在具有Cl2的砷化 镓(GaAs)上、具有氧(例如O2)氧化亚氮(N2O3)的碳(例如金刚石) 上、在具有三氟化碳溴(CBrF3)的钨和钼上、和具有湿式氢氧化物化学 物质(例如氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH))的高温超导物(例如， 铜酸盐，如La1.85Ba0.15CuO4、YBa2Cu3O7-x(钇钡铜氧化物、YBCO、Y123、 钇钡铜酸盐)以及具有或不具有正常的金属区域的钙钛矿铜氧陶瓷)上进 行。DBACE已经被成功地应用于蚀刻砷化镓场效应管(FET)的栅极凹 槽器件而不破坏潜在的活性器件区域。
图9A-9C示意性地示出典型的数字化束辅助化学蚀刻工艺。在图9A 中，氧化物层902已经被沉积在砷化镓上。在图9B中，氧化物层902在 曝光室102中被例如镓离子(Ga+)曝光，如箭头904所示。然后，工件 被转移到蚀刻剂室。在图9C中，氯气(Cl2)蚀刻去除在曝光室102中被 曝光的氧化物层，以及分别以氯化镓(GaCl2)和氯化砷(AsCl2)的形式 的潜在的镓和砷。结果得到砷化镓中的沟槽，如图9C所示。应当理解， 其他的离子种类和蚀刻种类可以依赖于待蚀刻的材料进行选择。
薄膜沉积已经成为微电子加工中的常用工艺。许多技术已经被用于沉 积薄膜，包括蒸镀、物理气相沉积(PVD)(例如溅射沉积)、化学气相沉 积(CVD)、原子激光沉积(ALD)、电镀(例如电解电镀)和涂覆(例如 旋涂)。在常规的加工中，这些技术通常将材料沉积在工件的整个表面上， 并通过采用抗蚀剂图案化工艺提升或铣削工艺将材料形成图案。由于抗蚀 剂图案化工艺的成本、复杂性和物理限制，其他的无抗蚀剂技术通常在半 导体工艺中是优选的。沉积技术可以通过在应用沉积工艺之前、之中或之 后以粒子束进行曝光而有利地避免抗蚀剂图案化工艺，所述沉积技术包括 粒子束和热活化沉积，例如但不限于，数字化束活化CVD、数字化束活 化热成核、数字化束活化ALD以及化学辅助数字化束沉积。
直接图案沉积的两个示例是离子束成核沉积(IBND)和化学辅助离 子束沉积(CAIBD)。两种技术分解工件的表面上的原子或使工件的表面 上的原子成核，但是可以被慢束刻写技术所限制。CAIBD在以上相对于 采用数字化束的优势进行描述，但是其可以不用数字化束实现。IBND是 多PVD/CVD工艺，在所述工艺中，有机气体在被粒子束曝光以后被引入 到工件上。生长从类似于ALD的成核(曝光)位置出现。IBND通常采用 大约比CAIBD低五个量级的剂量，这能够使IBND比CAIBD快100,000 倍。
原位沉积工艺为加工硅互补金属氧化物半导体(CMOS)、砷化镓和 其他器件提供各种所需的材料。然而，沉积生产量和薄膜质量对于这些工 艺而言都要求很高。在IBND之前，晶片加工的合理的生产量沉积不能采 用原位束处理。作为示例，采用大离子剂量(例如4×106离子/厘米2)的 CAIBD的薄膜沉积速率将被束电流限制到大约100A/cm2，沉积一平方厘 米的500埃厚的层将耗费超过20年。然而，IBND能够产生所需的薄膜厚 度，同时也满足生产量和质量关系。例如，导致300mm直径的工件(大 约200cm2)的可用表面被2.5埃的沉积材料覆盖30％的工艺将耗费大约5 秒以采用具有10A/cm2的束电流密度的曝光室102曝光，这可以在10cm2/s 的量级上对成核位置进行曝光。然后，工件可以被运送到用于沉积的成核 室中，同时另一个工件在曝光室102中被曝光。
图10A-10C示意性地示出典型的数字化束辅助沉积工艺。以图10A 中的未处理工件开始，所述工件的部分被图10B中的箭头1002表示的数 字化束的带电粒子组曝光。然后，工件被转移到沉积室，在所述沉积室中， 其被反应剂(例如反应剂流体，优选反应剂气体)曝光。所述反应剂与经 过曝光的区域进行反应，以使材料成核或者自动地沉积，结果得到具有被 沉积的材料的区域1104的图10C的工件。
硅、砷化镓和其他电子器件的集成微电子制造采用离子注入在晶体管 连接边缘上变更器件的流动性分布。传统的注入技术通常包括抗蚀剂沉 积、图案化、显影和烘烤，之后是离子注入、抗蚀剂去除(例如通过灰化 和/或剥离)以及清洗。器件加工采用一系列这些注入技术，由此需要大 量图案化步骤。图案化可以通过采用串行注入被减少，但是用于将梯度注 入、轻掺杂漏(LDD)和共注入合并的器件可以获得更好的性能，并通常 为增加器件的性能而简化工艺。例如，高分辨率注入的位移精度可以导致 器件可靠性和/或工艺鲁棒性的增加。与传统的注入技术相关联的生产量 限制被需要大量注入的器件恶化。采用常规的CMOS工艺作为示例，单 独注入(即，抗蚀剂沉积、图案化、显影和烘烤，之后是离子注入、抗蚀 剂去除和清洗)可能需要大约70个工艺步骤。因此，下一代高杠杆的电 子器件的成本是很高的。
这种注入方案的开发可以以特别低的成本进行。例如，在抗蚀剂图案 化步骤中使用的掩模版的加工可能花费多个月和数以万计的美元。工艺开 发(例如，适合于掩模版、抗蚀剂类型、抗蚀剂厚度等的抗蚀剂曝光条件) 可能又耗费多个月。一旦开发完成，引导加工可能花费多周或多月。如果 测试曝光了在掩模版设计或工艺步骤中的缺陷，则所述工艺可能需要从头 开始，并一直反复到功能器件可以被可靠地形成。这种长期的开发对于一 定的器件是不实际的或甚至是不可能的(例如，生产数量受限的器件的特 定的军用器件)。
采用无抗蚀剂的直接刻写注入可以提供制造柔性和快速显影时间以 将研究中的先进技术(例如，单级梯度注入、LDD和共注入)、引导生产 和完全生产的环境相结合。这种系统可以获得在例如大约20nm以内、范 围从大约5千电子伏特(keV)到大约500keV的垂直注入分布。这些系统 可以具有柔性，以选择离子束的种类和将所述束置于梯度能量或剂量分布 中的其自身的9nm内，这可以被用于实现先进的注入工艺，例如单级梯度 注入、LDD和共注入。
图11A到11D示意性地示出经过直接刻写注入处理的工件的横截面。 以图11A中的未处理工件开始，所述工件被图11B中的箭头1100所表示 的第一组数字化束曝光分布注入。结果得到具有掺杂材料的区域1102的 图11C的工件。然后，进行由具有图11C中的箭头1104表示的第二数字 化束曝光分布的注入。结果得到具有掺杂区域1102和掺杂区域1106的图 11D的工件。所述工件可以在每次注入之后或一系列注入之后被退火以活 化掺杂剂。在一定的实施例中，如图11D所示的工件可以以单次注入进行 (例如采用如图11E到11I所示的技术)。
在图11E中，所述带电粒子的组的带电粒子密度随着它们如箭头1108 所示穿过工件扫描而被变更。工件的区域1110是轻掺杂的(例如n-)，而 区域1120是重掺杂的(例如n++)。图11F是剂量与类似于图11E中的工 件的工件位置的对数图。剂量分布可以例如通过将图11E的束进行交叠而 成为线性。在图11G中，所述束的能量随着其穿过由箭头1122表示的工 件被扫描而变更。工件的区域1124是浅掺杂的(例如类似轻掺杂漏)，而 区域1134是深掺杂的(例如n阱)。图11H是注入深度与类似于图11G中 的工件的工件位置的对数图。剂量分布可以例如通过将图11G的束进行交 叠而成为线性。在一些实施例中，能量在大约5和500keV之间，或者更 优选地在大约5和200keV之间变化。在图11I中，所述组的带电粒子密 度和所述组的能量随着所述数字化束如箭头1136所示穿过工件而变更。 工件的区域1138是轻掺杂和浅掺杂都有的，而区域1148是重掺杂和深掺 杂都有的。尽管未示出，应当理解，也可以变更其他的束参数，例如种类。 在一定的实施例中，束穿过晶体管、穿过管芯或者穿过工件而被变更。在 一定的实施例中，束在工件上的大约20nm的区域内被变更。所述束的变 更也可以增强蚀刻、沉积和其他工艺。
用于在具有1.5μm的栅极长度的器件中获得可接受的可靠性水平的 标准途径是将轻掺杂漏(LDD)工艺的使用合并。该两个步骤的注入工艺 形成源极和漏极区域，所述源极和漏极区域降低了沟道边缘的电场，这降 低了碰撞电离率，并导致更少的热载流子能够迁移进栅极氧化物，由此增 强器件的长期稳定性。束注入能够形成源极/漏极注入的正确的水平坡度， 这使得整个LDD工艺在一个步骤中完成。同样，束注入可以消除两个光敏 抗蚀剂步骤以及对侧壁定位件及其相关蚀刻工艺的需要，这可以尤其由于 硅衬底的损坏而影响生产率。
LDD工艺可能将1μm栅极长度的器件的跨导峰值降低大约10％，将 0.5μm栅极长度的器件的跨导峰值降低20％之多。然而，在一侧上消除离 子注入可能导致器件性能的很大提高。以常规的处理，这将需要附加的图 案化步骤，以遮蔽源极侧，并因此几乎不会进行。然而，束注入使得LDD 被仅仅置于晶体管沟道的漏极侧上，其中电场高，且离子注入可以从源极 侧被忽略。图12A到12C示出在工件内的注入结构的典型的横截面示意图。
束注入也可以被用于改善器件尺寸。控制器件尺寸的受限因素是源极 /漏极的结深。结越浅，短沟道效应就越小，而可测度就越大。然而，浅 结导致寄生源极/漏极的阻抗增加。该源极/阻抗的影响对于深亚微米器件 是合适的。束曝光的横向梯度电势尤其可以用于该情况下，例如通过制作 在晶体管沟道附近很浅而在晶体管触点下面很深的漏极。沟道边缘附近的 浅结导致短沟道效应的减小，而在所述触点下面的深结提升了低的系列阻 抗。另一个选项是将深结置于源极侧而将逐级的结至于漏极侧上。这可以 在减小漏极的负面效应引起的漏极侧上的壁垒降低的同时，将所述系列阻 抗以最小值保持在源极侧上，其中这是最重要的。
由数字化束注入产生的横向沟道掺杂变化允许构造高性能、高生产率 的平面栅极FET。LDD区域增加晶体管的输出阻抗和崩溃电压，这增加了 电源能力。如图13A所示，增加源极的掺杂和栅极下面(图13A的区域 1302)的掺杂可以降低源极栅极之间的阻抗，以通过增加沟道电流改善 FET的跨导。这些所需的横向掺杂变化，如图13B的图表所示，可以通过 改变沿着沟道长度的段中的注入剂量而产生。可以采用的不同的段的数量 仅仅被数字化束的尺寸限制。
尽管GaAs FET是许多微波(或毫米波)单片集成电路(MIMIC)的关 键元件，但是其他元件(例如肖特基(Schottky)二极管)被在用于高性 能器件的相同的工件上多次加工。然而，FET栅极不能被用作理想的二极 管，这是因为截止频率比高质量的肖特基二极管低得多。在相同的工件上 的FET和肖特基二极管的加工对于外延的生长或包层注入处理是很难实 现的。数字化束处理很适合相同的工件上的FET和二极管的选择性的离子 注入处理，这是因为用于在工件上的不同位置上进行离散处理的能力，如 图15所示。得到的器件是大致平坦的，这提高了生产率。由于在此所述 的所有工艺是真的，所以其他的处理步骤可以与传统的工艺相结合。
GaAs MIMIC在传统上是采用包层注入和沉积步骤以及批量蚀刻和合 金化处理步骤制作的。光敏抗蚀剂被用于选择性地遮蔽和限定在每个级上 的器件和电路图案。总之，传统方法采用包括12个掩模级的超过25个不 同的工艺步骤。前端(顶侧)工艺通常单独耗费240小时以完成6个工件 批次。因为需要大量的辅助操作时间和接触劳动，所述工艺效果很差。通 过基于注入、沉积和蚀刻设计选择性的像素的数字化束工艺，GaAs MIMIC 处理可以被极大地改善和简化以增加生产率和降低成本。数字化束处理提 供在GaAs MIMIC工艺的简化和改善方面的很大益处，由此导致更快的循 环时间、更高的电路生产率和更低的新片成本。原位处理可以消除通常需 要耗费近100小时来进行的一打工艺步骤，并能够进行主工艺改进，以在 可接受的时间框架内提高器件性能、生产率，降低成本和扩展能力。例如， 数字化束工艺可以包括仅仅9个步骤和19个操作，以将循环时间减小为 每个晶片40分钟。如图16A至16K所示，典型的GaAs MIMIC数字化束工 艺包括选择性的沟道和在退火前的接触注入。欧姆触点被描绘且触点材料 通过数字化束沉积而沉积，数字化束隔离注入跟在所述数字化束沉积之 后。所述触点通过退火被合金化。薄膜电阻、FET栅极、金属互连、绝缘 体和钝化层被数字化束沉积。
多功能MIMIC(MFIC)将多种功能集成在单个器件中。传统地，GaAs MFIC在接收器功能的集成水平增加的情况下被加工，将模拟和数字功能 结合，并将发送器和接收器的功能结合。MFIC通过减小零件数量、尺寸、 重量和装配/调节成本降低系统成本。晶片规模集成(WSI)能够集成许多 不相似的功能以在晶片上形成完整的系统，很好地适用于许多代未来的微 电子元件。MFIC通常需要先进的相位阵列天线系统，所述先进的相位阵 列天线系统将具有光学控制和数字信号处理的复杂的射频功能集成。示例 是系统级集成电路(SLIC)。为相位阵列应用而开发的大多数部件被采用 混合装配技术独立地设计。足够的支撑功能没有被集成，因此，不能被直 接插入系统。电路功能的单片集成减少了零件数量、尺寸、重量和装配成 本。
高电子流动性晶体管(HEMT)是具有在常规的GaAs FET上提高了很 多的性能的异质结FET。HEMT通常被用于在毫米波频率下操作的高速数字 电路和低噪声放大器。高度、极低功率的数字电路典型地具有在相同的工 件上被加工的互补的n沟道和p沟道FET，这，即使在选择性的外延材料 生长技术的条件下也是困难的。数字化束处理注入很好地适合于加工相同 的晶片上的互补的异质结绝缘栅极(HIG)FET。基础的n和p沟道HIGFET 器件的横截面分别如图14A和14B所示。所述器件大致为平坦的，并被嵌 入半绝缘的衬底。包括硅的数字化束可以被用于n沟道器件注入，而包括 铍的数字化束可以被用于p沟道器件注入。金属硅化物(例如肖特基栅极) 和欧姆触点(例如，包括AuGe和AuZn)可以通过数字化束沉积。这种工 序允许两步骤的原位器件加工工艺。因此，器件的独有特征将成为具有最 小步骤工艺的高分辨双重近似印刷。
异质结双极晶体管(HBT)通常用于具有高线性度、精度的模拟数字/ 数字转换器以及微波功率应用的器件中。然而，振荡的电流增益和最大频 率分别被寄生基极阻抗和集电极的电容所限制。GaAs HBT器件的性能和 生产率可以通过选择性的数字化束注入被改善。首先，铍在触点金属化降 低触点阻抗之前注入衬底。基极层相对相同的基极触点可以具有较低的掺 杂浓度，这通过提升通过p型基极的电子转移增加电流增益。第二，在发 射极和基极之间的氧和硼的注入隔离和限制电流通过器件垂直流动而不 是横向重组。这减少了杂散电容并提高的操作频率。因为尺寸小和光敏抗 蚀剂处理增加表面重组，而所述种族降低增益，所以这种加工工艺对于以 标准光敏抗蚀剂处理技术进行是困难的。
束注入的横向掺杂能力也可以改善器件通过沟道阻断注入的可测性。 这种沟道阻断注入通常减少窄的晶体管的有效的器件宽度，减少结的电容 并增加技术的性能。在常规的注入下，沿着场氧化物的边缘修整掺杂浓度 可以导致比进入活性区域所需要的更多的注入。在束曝光情况下，注入可 以在时间上被控制用于保持沿着场氧化物边缘的足够的但不过多的表面 浓度。
改变沟道阻断注入可以包括沿着鸟喙为沟道阻断或者保护环注入设 置坡度，以防止从离子化辐射造成的场倒转。因为硬度所需的注入剂量足 够高，以改善来自n+/p+区域的附近区域的崩溃问题，所以保护环的方式通 常导致大的面积损失。在所述保护环和n+注入层之间保留空隙可以解决该 崩溃问题(例如，如图19A所示)。该方式尽管有效，但可能导致大的密 度损失，尤其是当器件被量测到亚微米模式时。采用数字化束曝光，水平 掺杂梯度可以减少结的边缘附近的离子剂量，在所述结的边缘附近，场氧 化物薄并由此对辐射的敏感度较低，且可以增加在场氧化物的较厚的部分 下的离子剂量。采用这种策略可以获得优异的辐射硬度，同时又不会由于 前在的崩溃问题危害布局密度。非导电层的注入可以被用于形成很低密度 的隔离途径。足够的剂量(例如，在大约1×1015带电粒子/厘米2和1×1017 带电粒子/厘米2之间)的注入形成具有实际上无限大的电阻率的无定形区 域(例如，如图19B所示)。因此，器件可以通过该高阻区域互相隔离。 该隔离区域的尺寸可以极小，例如比氧化物隔离保护环小得多，导致电路 密度得以很大地提高。
在一些CMOS的应用中，采用双极晶体管可能是非常需要的。这已经 导致了对BICMOS技术的广泛的兴趣。许多这种应用不需要高频双极器件， 并因此不一定与BICMOS相关联的工艺复杂度会极大增加。横向双极器件 存在于每个CMOS技术中，但是通常性能太差以至于不能广泛使用。采用 束曝光注入可以极大地提高该横向双极晶体管技术的性能。在沟道(基极) 区域中的水平坡度可能导致辅助少数载流子运输的电场，提高晶体管的贝 塔(beta)值以及迁移频率(Ft)。LDD工艺破坏该双极器件的发射极效率， 因此，用于选择性地将LDD放置在所述沟道的漏极侧上的能力允许所述源 极区域用作发射极并不被作为LDD处理。
应当理解，数字化束注入能够被用于其他的应用和器件，而在此所述 的实施例仅仅是示例。也应当理解，包括蚀刻、注入和沉积的数字化束工 艺的组合能够被用于形成广泛的类型的半导体器件，而在此所述的实施例 仅仅是示例。例如，图18示出用于建立大致完成的半导体器件的工序。 一些步骤可以以传统的方法实现并与数字化束处理结合，或者，优选地， 每个工艺步骤采用数字化束处理实现。
退火是一种工艺，通过所述工艺，材料层中的原子或分子被加热或被 激发，以便激活掺杂剂，改变薄膜到薄膜或者薄膜到晶片衬底的界面，增 大沉积的薄膜的密度，改变生长的薄膜的状态，修补离子注入的破损，移 动掺杂剂，将掺杂剂从一个薄膜驱动到另一个薄膜中或者从薄膜驱动到晶 片衬底中，将过量的溶剂馏出(例如，来自抗蚀剂沉积、电介质上的旋涂 等)及其他。同样，退火结合直接刻写工艺尤其有用。然而，应当理解， 在快速退火之前，工件不需要在束曝光室中被曝光。
上述工艺和其他工艺的组合可以被用于生产工件，所述工件在单一的 处理工具中由裸衬底(例如，单晶体晶片、具有沉积场氧化物的工件)基 本加工完成(例如，准备进行钝化、准备进行管芯切割等)。
对于军用和商用的电子元件将持续地驱动在使用相同或相似形式的 逻辑单元的集成电路的广阔的范围中的发展。在过去的很多年里，多重曝 光技术已经被用于满足减小以后的节点的临界几何尺寸的需要。通常，增 加处理步骤的数量降低制造生产率和生产量，导致每个新设计规则的权宜 成本增加。针对新器件的未来发展的有前途的制造技术目前还不存在，所 述有前途的制造技术同时实现成本、分辨率和生产量以及工艺生产率的提 高。由此，将半导体工艺和光刻组合以提供数字化束的图案工艺可能为产 业的未来提供解决方案。
结合全自动化的无掩模数字化束曝光辅助沉积、蚀刻和注入工艺，高 生产量簇处理工具可能使得高性能和/或高密度集成电路的制造成本的显 著降低。例如，部分原位15nm源极/漏极BICMOS器件的制造可以分别包 括钨、硅氧化物、用于对准或金属化的铂、电介质绝缘体和硅化物。深亚 微米多晶硅梯度注入源极/漏极技术可以被用于在将器件的性能最大化的 同时将注入级的数量最小化。DBACE可以被用于LOCOS和栅极氧化物的构 成。用于注入、栅极和钝化极的多晶硅可以被沉积在设备上的CVD室中的 整个晶片上。场氧化物可以是在所有其他工艺之前仅在系统外部完成的在 位置之外的工艺。
多个不同的像素/数字化束斑尺寸组合可以被用于在不同的工件等级 上曝光，一边同时将处理工具的分辨率和生产量最大化。曝光策略也可以 被用于补偿上述一致的成核沉积。为了增加数字化束曝光辅助沉积工艺的 敏感度，多个等级可以在不降低系统的生产量的情况下以被减小的束电流 密度被曝光。为了实现完整的原位工艺，工具可以包括至少一种专用的氧 化作用(例如，等离子体增强CVD(PECVD))和成核室。
能够出现广泛类型的变化。可以增加、去除或重新排列部件。可以替 代不同的部件。布置和构造可以是不同的。类似地，处理步骤可以被增加、 去除或重新排列。
本领域中的技术人员应当理解，上述的方法和涉及具有另外的应用， 且相关的应用不限于以上所特定描述的。本发明也可以在不偏离再次所述 的实质特征的情况下，以其他具体的形式体现。上述实施例在所有方面被 考虑，其仅仅是说明性的，而不是以任何方式限制的。
该技术的应用实际上是不受限的，并远远地跨过明天的微电子部件的 发展。上述是用于展示无抗蚀剂处理的潜力的少量的高杠杆电子元件应用 (例如在军用和商用电子元件工业中)。可以有广泛类型的其他应用。应 当理解，大多数原位工艺步骤可以包括系统束电流密度降低到40A/cm2。 这相当于今天的技术并极大地降低了这些任务中的每个任务的风险。
尽管本发明已经在一定的优选实施例和示例的上下文中被公开，但是 本领域的技术人员应当理解，本发明超过特定的公开的实施例延伸到其他 替代的实施例和/或本发明及其显见的改进和等价物的应用。另外，尽管 本发明的多种变体已经被详细地示出和描述，但是在本发明的保护范围内 的其他的改变对于本领域的技术人员，在本公开的基础上是显然的。也期 望，实施例的具体特征和方面的各种组合或子组合可以被实现并仍落入本 发明的保护范围内。应当理解，所公开的实施例的各种特征和方面可以互 相组合和替代，一边形成所公开的发明的变化模式。因此，希望再次公开 的本发明的保护范围应当不被上述特定的公开的实施例所限制，而是应当 仅仅通过所附的权利要求的清楚地阅读而确定。
交叉引用
本发明要求2005年7月8日递交的在35U.S.C.§119(e)下的序列号 为60/697,780的发明名称为“受控的离子束半导体制造”的临时申请，在 此以引用的方式整体并入本文。