用于电子刻蚀和扫描电镜的 静电聚焦场发射阵列芯片(AFEA′s) 【技术领域】
本发明主要涉及电子(即β射线)束领域。特别是，本发明涉及一种产生空间调制的电子束矩阵的可寻址场发射体阵列。尤其是，本发明的优选实施涉及与静电加速栅和磁透镜组件结合的数字可寻址场发射体阵列，包括焦阑磁透镜系统和校正透镜系统，它们一起将空间调制的电子束矩阵缩微到目标晶片上，以便以最小的畸变直接写入电子抗蚀剂。因此本发明涉及可称为刻蚀类型的可寻址电子场发射体阵列。背景技术
在本申请中，几种出版物用括号中的阿拉伯数字标记出。可在说明书的结尾处发现这些或其他出版物的全部引文。为了指出本发明的背景和阐明本领域的现状，在此特意把这些出版物的公开内容完全引入到本发明中作为参考。
历史上，半导体生产的光刻技术在分辨率上已经被使用的光源的波长所限制。在任何特定光波长下，衍射把光束的聚焦能力限制为直径近似等于光源波长的圆。因此，制造工业已发展了几代刻蚀光源，每一代使用的波长都比前一代要短。随着微电子特征继续缩小，由于不再容易得到更短波长的合适光源，现在光刻技术的分辨率成了进一步增加芯片特征密度的障碍。因此需要一种方法以增加刻蚀的分辨率。
先前认可的一种方案已经使用电子束以暴光涂敷在半导体晶片表面上地电子抗蚀剂，因此能够使图案通过形成在随后产生的抗蚀剂中的孔而蚀刻在晶片的表面上。电子束技术已经是线宽近似0.1微米的半导体器件光刻生产的强大候选者。先前已经报告了数量级近似80的电子束图像分辨率(2)。
在下文中考虑的有时称作电子枪类型的现有技术电子束装置对于本领域的技术人员来说是熟知的。常规电子束典型通过电阻加热合适的材料产生电子流而产生在真空中。然后这些电子流被静电和/或磁聚焦。两种特殊的现有技术电子束器件为阴极射线管(CRT)和扫描电子显微镜(SEM)，这两种器件都在真空中产生并聚焦电子束。
例如，参考图1，示出了具有双电位透镜结构的常规CRT电子枪，其中电子束110射向电势为Vs.的屏幕120(1)。该常规电子枪包括阴极130和第一多孔栅极140，该栅极相对于阴极保持为负，并控制来自阴极的电子的流动。第二多孔栅极150位于交叉点(cross-over point)的下游并关于阴极130设置为正电压，以便吸引电子并成形电子束110。聚焦电极160聚焦电子束110。通过使用电磁聚焦而不是使用聚焦电极160可提高分辨率。
现在参考图2，阐明了电子束电磁偏转的原理，其中电子通量210以一偏转振幅射向屏幕220。电磁偏转线圈230由两个垂直线圈组成，这两个线圈产生的电磁场在竖直和水平平面内垂直于电子束轨迹。长度为l的场被施加到先前已经加速到速度为VB的电子流210上。假定场强是均匀的并且长度为l，电子流210被偏转到半径为r的圆形路线上。相应的偏转角为θ，其中Ni为产生磁场的安匝数，D是产生磁场的圆柱线圈的直径，l为场的长度并且VB是单位为伏特的加速电压。sinθ=Ni(l)/2.68DVB]]>
尽管由现有技术电子束器件产生的电子束中的电子具有波长，和由衍射强加的相应分辨极限，但实际情况是，电子波长是如此的短以至于电子的衍射不限制电子束的分辨率。这是由于所有的现有技术电子束系统包括产生杂散场的静电透镜和/或磁透镜。这些杂散场为导致尺寸至少为纳米数量级的电子束形状发生畸变的电磁像差。这些畸变大于电子的波长。因此，在理论衍射限制变成问题之前，现有技术器件的电磁像差限制了电子束的最大分辨率。因此，需要一种减小电磁像差对电子束刻蚀分辨率影响的方法。
而且，在过去，由于现有技术电子束只是照射单个区域而不得不有系统地扫描以写入任何种类的图案，因此电子抗蚀剂成像效率已经相对降低了。例如，参考图3，示出了常规固定电子束310被一个射束成形掩模320截断。掩模320包括一个方形孔。掩模320起β射线屏蔽的作用并给予电子束方形截面，该截面对于电子抗蚀剂的暴光是比较有用的。然后方形束被透镜330成形，接着在撞击上面涂有电子抗蚀剂的目标晶片350之前被扫描偏转器340偏转。
仍然参考图3，为了扫描图示的T-形图案，或者扫描偏转器340的操作必须扫描电子束，或者必须移动目标晶片350。在任何一种情况下，即使将简单集成电路(IC)的设计成像都需要大量的时间。随着集成电路(ICs)复杂性的增加，更高要求的半导体电路设计规则相应地需要更小的电子束斑尺寸。斑尺寸越小，完成特定图案扫描所需的时间就越长。因此，迄今电子束刻蚀速度已经很慢而且价格昂贵。因此，还需要一种较高效率的电子抗蚀剂写入方法。
仍然参考图3，电子束刻蚀的另一问题是使用截断的电子束涉及应用从屏蔽的电子通量吸收显著能量的掩模320。掩模320的热管理成为问题。这就阻止了除最简单的屏蔽掩模之外的任何一种掩模的使用，这是由于具有任何程度细节的掩模因为它们作为β射线屏蔽而迅速变形和熔化。随着使用具有较短波长的较高能量电子，需要消耗的热能也增加，这一事实加重了这一问题。因此，需要一种不使用掩模制作电子束截面的方法。
下面参考的美国专利公开了满足它们预期目的的实施例。在此特意把下面参考的两个现有美国专利全面地引入到本申请中作为参考，其目的在于包括但不局限于指出本发明的背景和阐明本领域的现状。
美国专利No.366,5241公开了场离子发生器和场发射阴极结构以及生产方法。美国专利No.5363,021公开了大规模并行阵列阴极。发明内容
概括地说，本发明针对一种数字可寻址场发射体阵列(例如空间调制β射线源)。该阵列可结合磁透镜部件，该部件包括焦阑磁透镜系统和校正磁透镜系统，它们一起将场发射的电子束阵列缩小到目标晶片上，用于电子抗蚀剂的直接暴光。通过在透镜部件之前另外提供相对较高的静电加速场，可将来自透镜部件的杂散磁场引起的像差效应最小化。实质上经过改进的本发明的一个意外的有利结果是提供一种作为可重新编程虚拟掩模的低畸变灵活制作工具。
本发明的主要目的在于提供产生电子束(电子束矩阵)的数字可寻址阵列的装置。本发明的另一目的在于提供利用磁透镜部件可以磁性地缩微电子束矩阵的装置，同时将透镜部件引起的像差而造成的矩阵畸变效应减至最小。本发明的另一目的在于提供通过偏转矩阵可充满目标晶片象素的装置。本发明的另一目的在于提供一种价格可行的装置。本发明的另一目的在于提供坚固的和可靠的装置，从而减少时间和运行价格。本发明的又一目的在于提供一种具有一个或多个上面讨论的特征但使用最小数量装备可相对简单地制造和装配的装置。
根据本发明的第一方面，这些目的是通过提供一种数字直接写入电子束刻蚀系统达到的，该系统包括：I)数字可寻址场发射阵列，包括：A)数字计算机界面；B)电连接到所述数字计算机界面的多个场发射体；以及C)可操作地连接到所述多个场发射体的静电偏压栅极；II)可操作地连接到所述可寻址静电场发射阵列的静电加速栅极；III)可操作地连接到所述静电加速栅极的磁透镜部件，所述磁透镜部件包括：A)焦阑磁透镜系统；以及B)校正磁透镜系统；以及IV)可操作地连接到所述磁透镜部件的一套静电偏转板。在一个实施方案中，矩阵系统还包括V)通过所有的所述静电加速栅极，所述磁透镜部件和所述一套静电偏转板，电耦合到所述多个场发射体的目标晶片。
本发明的另一目的在于提供可用来在一个短的时间周期内不用掩模直接写入带有图案的电子抗蚀剂的方法。本发明的另一目的在于提供可预测和重现的方法，从而减小差异和降低操作成本。本发明的又一目的在于提供一种具有一个或多个上述讨论的特征但安装和操作相对简单的方法。
根据本发明的第二方面，这些目的是通过提供一种包括程序设计可寻址场发射体阵列的方法达到的；然后利用所述的可寻址场发射体阵列产生空间调制的电子束矩阵；并利用磁透镜部件聚焦所述空间调制电子束矩阵。在一个实施中，该方法还包括重新程序设计所述可寻址场发射体阵列。
当连同下面的描述和附图考虑时，将更好地理解和懂得本发明的这些和其他的方面和目的。然而，应当理解尽管示出了本发明的优选实施方案和及其许多专门的细节，但是下面的描述是作为说明而不是限制给出的。可在本发明的范围内不脱离本发明的精神下做一些变化和修改，并且本发明包括所有的上述修改。附图说明
通过参考实例性的和在附图中说明并形成本说明书一部分的非限制性的实施方案，构成本发明的优点和特征的清晰概念和本发明的几个典型结构的操作的清晰概念将变得更容易明白，其中在附图中相同的参考标记指示几个图中的相同元件，其中：
图1表示一个常规电子枪的示意图，适当地标记为“现有技术”。
图2表示一个常规电磁电子束偏转过程的示意图，适当地标记为“现有技术”。
图3表示一个常规电子抗蚀剂写入构造的示意图，适当地标记为“现有技术”。
图4表示一个代表本发明一种实施方案的数字直接写入电子束矩阵系统装置的示意图。
图5表示一个代表本发明一种实施方案的数字可寻址场发射体阵列的示意图。
图6表示一个代表本发明一种实施方案的AFEA芯片的示意图，其中逻辑，存储和控制电路(LMC′s)包括电流源电路。
图7表示一个代表本发明一种实施方案的平AFEA发射体的静电聚焦组件设计的示意图，其中焦点在离最后的栅极30微米处。
图8表示一个代表本发明的一种实施方案的大规模并行静电聚焦EBDW系统的示意透视图。
图9表示一个代表本发明一种实施方案的AFEA控制电子线路的框图。
图10表示一个代表本发明一种实施方案的电流存储单元的电路示意图。
图11表示一个代表本发明一种实施方案的监测象素操作的发射体/检测器构造的示意图。具体实施方式
参考在附图中说明的和在下面描述中详述的非限制性实施方案，充分解释本发明及其各种特种和优点。应当注意到在附图中说明的特征未必按比例画出。已知元件和处理技术的描述被忽略了，以便不必要地妨碍本发明的详细描述。
1.系统概览
在常规电子束枪的情况下，高分辨率和快速图形写入的上述要求彼此相互矛盾并且不能同时满足。然而，通过应用根据本发明的数字直接写入电子束矩阵系统，考虑到该系统可包括产生空间调制β射线(即电子)束矩阵的数字可寻址场发射体阵列的事实，该射线束矩阵可被用于在短时间内在没有掩模的情况下于电子抗蚀剂中直接暴光电路图案，可能在一定程度上同时满足这些要求。重要的是，该阵列是可重新编程设计的，以便能在不到1秒内使电子束矩阵重新布置，从而使本发明成为理想的灵活制作工具。
在全部的本申请中使用下列的定义。发射体定义为潜在的电子发射材料，诸如金刚石类碳(DLC)。替代的电子发射材料可基于碳纳米管(CNT)，硅上的无定形金刚石和/或化学气相沉积方法(CVD)沉积的无定形碳。发射表面定义为发射体的表面，如果存在足够强的电场，从该表面上发射电子。发射阵列(EA)定义为发射体的阵列。场发射阵列(FEA)定义为FEA加上相应的偏压栅。可寻址场发射阵列(AFEA)定义为FEA加上支持的集成电路(IC)，该电路包括逻辑和存储控制(LMC)。至于电子束本身，电子束阵列定义为电子束矩阵(EBM)。
2.优选实施方案的详细描述
现在参考图4，根据本发明的数字直接写入电子束矩阵刻蚀系统具有几个层和远程计算机控制410。该系统也包括目标晶片420，该晶片可预先涂有电子抗蚀剂。
该系统的第一层包括发射体阵列430(EA)。发射体阵列(EA)是用于电子束源的小型阴极的二维阵列。EA430可为紧致的发射体阵列，以便得到较高的信息密度。通过连接到远程计算机控制410的直接数字计算机界面435，可得到EA430的编程-重新编程设计。小型EA可包含10×10阵列的场发射器件，每个具有多重计算机控制连接。所述小型EA的编程需要小于近似10毫秒(ms)的时间，并且单个中央处理器(CPU)可控制多个所述AFEA。单独的场发射器件可由金刚石类碳的涂层或金刚石薄膜做成。
该系统的第二层包括静电偏压栅极440。静电偏压栅极440可为整体结合EA430的金属层。另一方面，栅极440可为同EA430分离但位于其附近的结构。应当注意到电子从金刚石类碳(或金刚石)发射所需的起始电压为大约每微米3伏特量级。EA430和栅极440一起组成场发射阵列445(FEA)。从FEA发射的电子束的阵列可称为电子束矩阵480(EBM)。
该系统的第三层包括静电加速栅极450，其将EBM中电子的能量从几伏特能量提高到近似100KV到近似200KV能量。应当注意到如此高的能级有利于使电子相对地不受任何随后遇到的由小杂散磁场和/或电场导致的聚焦误差。更确切地说，处于较高能量时，由小杂散磁场造成的电子的曲率半径变得可以忽略。此外，应当注意到这些较高的能量也可以使电子足够穿透涂在目标晶片420上的刻蚀抗蚀剂材料。
该系统的第四层包括磁透镜部件460，其可对随后撞击目标晶片420的EBM480成像和/或缩微。磁透镜部件460可包括焦阑磁透镜系统463和校正磁透镜系统467，它们一起将EBM480缩微到目标晶片420上。
磁透镜部件460可以GATAN成像过滤器为基础，该过滤器为可容易地从California，Pleasanton的GATAN公司买到的磁透镜系统。成像过滤器使用圆柱磁透镜而不是圆透镜。此外，该过滤器导致电子沿着直线横渡而不是在交叉点(cross-over point)上跨越。过滤器的使用优选包括连续垂直线跨接的产生。校正透镜系统467可以六极(hektupole)校正器透镜为基础。六极校正器相对于四极校正器，如同四极校正器相对于两极校正器一样。磁透镜部件460可包括由超导材料做成的线圈，以便最小化杂散场。此外，线圈可由超导氧化物做成，使得廉价的液氮能提供系统操作的足够冷却。
该系统的第五层包括一套在纳米尺度上偏转的静电偏转板470。纳米尺度上的偏转是为了填充(filling-in)目标晶片420表面上的写入象素。因此，写入象素的尺寸可限定到大于目标晶片420表面上的每个单独电子束的横截面。这将允许例如30nm×30nm电子束完成100nm×100nm象素的完全写入，精度达到大约10nm。
该系统的第一层(场发射体阵列)放置在超高真空(UHV)室中较为有利，以将单独场发射器件遭受的离子轰击的损害减至最小。然而，在单独场发射体器件由DLC做成的情况下，它们相对于离子损害是坚固的，并且不需要UHV环境起作用。通常，该系统其余的层不需要UHV环境起作用，并且该系统的其余可位于高真空室中。这两个室可被包括多个传导孔的法兰隔离，各个电子束通过传导孔通过。因此，在法兰的两端存在差动抽吸。这些室可为预存的刻蚀分档器的一部分，本发明在该分档器中被改进。
应当注意到图4描述的结构为增强清晰度以示意的形式描述。尽管图4示出的实施方案包括两个磁透镜，但是在具有在此公开的本发明知识之后，提供具有磁透镜和/或静电透镜任何类型和/或组合的系统是处于本领域普通技术人员的水平之内的。此外，在具有在此公开的本发明知识之后，提供具有静电栅极和/或偏转极的任何类型和/或组合是处于本领域中的普通技术人员的水平之内的。相似地，本发明可装配有供选的掩模以滤出较宽的角度。
现在参考图5，将详细考虑包括EA430和静电偏压栅极440的FEA445。应当理解到图5只示出了FEA445和EA430和栅极440的一部分。实际的发射体阵列可包括上百，或上千甚至上百万个单独的发射器。相似地，相应的偏转栅极包括一套匹配的开孔，通过开孔单独的电子束可穿过。
EA430被表示为包括能够从发射表面上发射电子的多个可寻址发射体431-434。当然，EA430可包括比图5中示出的仅仅四个要多得多的发射体。所有的发射体一起定义了发射体阵列(EA)。静电偏压栅极440被表示为包括多个栅极元件441-444，这些元件在施加偏压时能够引起发射体431-434发射电子。当然，偏压栅极440可包括多得多的元件。偏压栅极440为FEA445上的最终金属层，并应该具有相对较小的电容，使得它能够在大约一微秒量级的转换时间内被加到几伏正或负的偏压或更小(使用适度的电源)，从而将FEA445的所有写入电流打开和/或关闭。EA430和偏压栅极440一起组成产生电子束矩阵480的场发射阵列445，该矩阵能够在涂有合适的电子抗蚀剂材料的半导体晶片上直接写入刻蚀图形。
以下述的方式提供电子束矩阵480的控制。通过将偏压栅极440分别从负转换到正或从正转换到负，得到整个场发射阵列445的打开或关闭。必须注意到在每个发射体431-434上可施加单独的偏压。特别是，相对于单独的发射体偏压，每个发射体431-434通过连接530为单独可寻址的。因此，来自每个发射体阴极的单独电子束是可寻址的。当偏压栅极440是“打开”时(正偏压)，相对于440栅极偏压为负的发射体将发射。因此，本发明允许在所述图案被写入到目标晶片420之前将图案编程到FEA445中。
当FEA445整体上被偏压栅极440开启时，施加到组成EA430的单独发射体431-434的单独偏压将确定特定的发射体是否被编程为写入或不写入。如果一个单独发射体写入，那么它将发射一个电子束，该电子束贡献A445发射的所有电子束矩阵。如果一个单独的发射体不写入，矩阵的该部分将基本上没有电子。因此，处于写入状态或不写入状态的每个单独发射体将确定从FEA445产生的所有电子束矩阵的构型。
在该实例中，偏压栅极440机械连接到EA430上。FEA445的每个象素包括发射体尖端和引出栅部分，它们一起提供引起电子发射必须的电场。如上所述，在运行中，每个发射体将被编程以写入或不写入。这可通过发射体表面同栅极440(非写入状态)接地或将相对为负的偏压施加到发射体表面(写入状态)来完成，该发射体表面相对于至少足以引起电子从发射体表面发射的偏压栅极定义了电场。
FEA445可微制作在包含逻辑和存储芯片520(LMC)的硅集成电路510上。LMC520必需单独控制每个发射体。FEA445，集成电路510和LMC520一起构成可寻址场发射阵列(AFEA)。可寻址场发射阵列优选为数字可寻址场发射阵列，以便允许快速重新编程。
应当注意到为提高清晰度，发射体和偏压栅极分别作为简单的块和T型结构被描述在图5中。尽管图5示出的优选实施方案包括四个块型发射体和四个T型栅极元件，但是在具有在此公开的本发明知识之后，提供任何数量的发射体阵列或任何合适构型是处于本领域中普通技术人员水平之内的。相似地，在具有在此公开的本发明知识之后，提供任何形状的发射体和栅极元件只要产生出合适的发射场是处于本领域中的普通技术人员的水平之内的。
尽管不被限制于任何特殊的性能指示器，通过检验亮度和低像差，本发明的优选实施方案可在一次鉴定一个。通过使用简单和常规的电子通量检测实验，在没有不适当的实验下可在场发射阵列上进行亮度的检测。通过使用简单和常规的磁场检测实验，在没有不适当的实验下，可在磁透镜部件上进行低像差的检测。
本发明可在容易可编程的场发射体阵列中利用几百万个电子束同时写入，在大约1秒量级的时间周期内，以0.1微米的线宽，有能力写入整个1厘米×1厘米的芯片。本发明也能伸缩线宽的比例达更小的量级(即10nm)。本发明避免了刻蚀过程中物理掩模的需要。除了快速写入大面积外，本发明具有数字可编程虚拟掩模的优点，该掩模可在不移动元件情况下，在数毫秒内对新层重新编程。实例
现在通过下面用来详细说明各种重要特征的非限制性实例，进一步对本发明的特殊实施方案进行描述。这些实例只是试图促进理解本发明被实践并进一步使本领域中的技术人员实践本发明的方式。因此，这些实例不应当看作本发明范围的限制。
先前报告的许多方法存在的一个问题是它们需要一个非常大的高精度的昂贵的磁透镜装置，并在速度上被通过磁透镜系统的交叉点的电流限制。当过多的电流通过一个小的空间时，电流表现出一种称为“空间电荷爆炸”的物理现象，电流的电荷密度引起粒子相互碰撞和排斥并变得不聚焦。
本发明可包括一个芯片上静电聚焦组件(on-chip eletrostatic focusingstack)。该组件聚焦来自每个纳米阴极的电流。聚焦组件可成为制作AFEA芯片本身方法的一部分，因此可集成在芯片中。芯片上的聚焦组件包括多个静电元件，每一个都对应于一个纳米阴极。芯片上的静电聚焦组件可以离AFEA大约20至100微米的距离(精确的距离涉及在焦点上的电子束斑大小的选择)聚焦来自纳米阴极的电流，。
这样，没有所有的纳米阴极电流叠加的交叉点，并由于来自每个纳米阴极的电流在聚焦距离上是低于空间电荷爆炸的临界值，所以没有空间电荷爆炸，并不限制通过增加另外的芯片或每个芯片上更多的纳米阴极而能够得到的电流。由于具有AFEA芯片的静电聚焦方案，大规模并行的EBDW(电子束(e-beam)直接写入)刻蚀系统的成本基本上降低了并且速度也增加了。另外，电流调节电路确保晶片的均匀刻蚀暴光，使得可开发容易控制的刻蚀方法。
这就允许消除了大型昂贵的磁透镜系统，并通过具有静电聚焦的AFEA芯片的阵列，潜在地允许整个300mm的半导体晶片被刻蚀暴光。芯片的阵列将装配为底版并且晶片将从精度线形平移工作台(例如在光刻分档器中)上的阵列下方通过。通过将电流合适地编程到每个纳米阴极上，并且安排芯片使得要被暴光在晶片上的每列象素在横穿AFEA阵列的下方时在大约10或12个阴极的下方通过，并且在大约30秒的时间内通过来自AFEA阴极的电子束整个30mm的晶片可被刻蚀暴光。当然，其他的配置也是可能的。
本发明可包括作为集成在可寻址场发射阵列芯片(AFEA′s)上的逻辑，存储和控制电路一部分的电流拷贝器(current copier)或存储电路。对于每个纳米阴极都有一个电流拷贝器。电流拷贝器电路导致AFEA芯片上的每个纳米阴极发射基本相同的电流。电流拷贝器电路连同每个纳米阴极的逻辑，存储和控制电路可直接制作在芯片上。因此，所有的电路可集成在芯片设计中并利用纳米阴极刻蚀产生在芯片本身上。
为了基本完美的可靠性或为了大规模并行扫描电子显微镜，本发明可包括用探测器替代发射体使用的某些空间(例如，大约一半)。这些探测器优选为电子探测器和/或光电探测器(光电探测器将需要衬底上的发光光致抗蚀剂或层)。在电子探测器的情况下，所述系统可被用作大规模并行SEM(扫描电子显微镜)。电子探测器或光电探测器将测量反射回来或撞击下面目标表面的电子数量，并因此允许形成表面几何形状的图片(如在标准的SEM实际应用中)，但是以大规模并行的方式。
所述系统可被用作快速扫描整个晶片的缺陷，例如在大约60秒或更短的时间内。扫描所需的精确时间将被使用的芯片的数量，系统的时钟频率和正被扫描的晶片实际尺寸支配。
应当理解到具有电子检测器或光电检测器的一半AFEA发射体的替代物基本允许半导体晶片上的每个象素被暴光的绝对验证。如上所述，如果检测器为电子检测器，那么相同的系统可用作超快大规模并行低电压SEM(扫描电子显微镜)，以检查半导体晶片的缺陷。根据半导体工业协会1997年版的“半导体国家工艺线路图(National Technology Roadmapfor Semiconductors)”，目前对于特征尺寸为130nm或更小的具有图案的半导体晶片(10,000cm2/小时)高速检查不存在已知解决方法。由于本发明可能允许以高达近似85,000cm2/小时的速率进行晶片检查，因此提供一个解决该问题的方法。
本发明也包括大规模并行电子束直接写入(EBDW)半导体刻蚀的系统设计。利用与电荷耦合器件，CCD，照相机使用相似的组桶式逻辑方案，每个阴极可被数字寻址(但是通过0和1，而非电荷)。本发明的一些实施方案可在单个1-cm的集成电路上具有超过106的单独可寻址场发射阴极。AFEA刻蚀设计的选择扩展包括单独的电流源以驱动每个发射体，用于紧密控制电荷传输，和每个发射体的芯片上静电聚焦(与磁透镜相对)。利用芯片上静电聚焦，悬浮在半导体晶片上方20至100微米的底版上的300个芯片阵列(横跨30乘平均深度10)可在30秒内以40-nm象素刻蚀暴光整个300mm的晶片。芯片上静电聚焦可包括在发射体上刻蚀制作的另外栅极和被电介质(标称低温SiO2)层隔离的第一控制栅极。
作为刻蚀系统的实例，可设计静电组件栅极之间的隔离距离和电压，以将多个200-nm阴极的每一个都聚焦成离芯片大约30微米距离的相应20nm的斑尺寸。另一方法是栅极可被设计得聚焦成40nm的斑尺寸，AFEA芯片阵列和被暴光的晶片之间的工作距离为大约60微米。
参考图6，示出了AFEA芯片实例的示意图。固态发射体阴极610直径大约为200nm并被排列在近似4微米的节距上。阴极之间的大多数面积被用作逻辑，存储和控制电路(LMC′s)，它们控制单独象素是开还是关，并且也调节被开启的发射体/象素的电流。通过调节第一栅极620的电压超过阴极(例如在图6中为10V)，整个阵列可被开启或关闭，使得利用第一栅极620，一个芯片不但能够整体上被开启或关闭，而且利用单独的LMC′s，每个单独的发射体可被编程为开启或关闭。这就允许在晶片通过AFEA阵列下方时晶片上的每个象素被单独写入。
相对于被加工件的设计规则，如果AFEA′s中的发射体的密度是高的，芯片可向晶片轻微地倾斜一个角度，(相对于20nm聚焦点尺寸的晶片的线形平移台4微米内倾斜20nm的角度，对于40nm焦点尺寸为4微米内40nm)。利用这些布置，AFEA阵列上的多重发射体可单独地寻址300-mm晶片上的每个40-nm象素。这考虑到在一个特定发射体发生故障的情况下晶片上的任何象素的发射体寻址的冗余度，并且也开辟了光致抗蚀剂灰度级照明的可能性。通过调节整个AFEA阵列的开启时间也能得到灰度级照明。按照所需，接收特殊照明的象素被编程为接通，用于灰度级照明。
参考图7，示出了静电聚焦栅极的组件的示范布局。在该特殊实例中，栅极组件为大约4微米深，具有200-nm直径的发射体710。发射体710可为扁平的均匀发射阴极。该组件可通过具有布置在图5示出的LMC′s顶面的垫上的发射体的常规光刻方法生产出。
再次参考图7，在该特殊实例中，发射的电子束720在离AFEA最后栅极730工作距离30微米处聚焦为直径FWHM(半最大值全宽)小于20nm的点。在栅极之间存在势表面740。
如果需要100％的可靠性，每一个其他的发射体/阴极可被电子探测器或光电探测器取代，以检验处于每个脉冲上的每个发射体。在光电探测器的情况下，本发明的优选实施方案使用抗蚀剂或目标上的发光层。如果使用电子探测器，将使系统同样作为大规模并行扫描电子显微镜(SEM)操作。通过将每个探测器在每次阵列被激发时接收的电荷时钟同步地记录到计算机上，可建立一个阵列下方的衬底的图像。这是大规模并行的，并且晶片被工作台线形扫描，而不是电子扫描电子束。
本发明可避免空间电荷极限。由于电流是如此的小，以至于100pA发射体电子束在超过100微米的长度内不爆炸。每个芯片将从多于106阴极上产生1微安的时间平均电流(1微秒内每个纳米阴极产生～100pA，平均时间超过1至20KHz的频率)。被加到系统上的每个芯片增加平均电流的另一微安，直到晶片全部被芯片覆盖的点。这就意味着在单个300mm直径晶片上，对于在此讨论的实施，最大可能的时间平均电流为大约700微安。然而，由于产生了新一代的具有较小特征尺寸的AFEA芯片，随着阴极密度的增加，该值也增加，并且多于一个的晶片可在任何时间从阵列下方通过。晶片写入速度将被工作台速度和安装的AFEA芯片模块数限制，而不被常规磁透镜电子束刻蚀中的可得到的电流所限制。
本发明可拥有模块性。例如，系统可以以1-cm芯片的增量设计。可折衷速度和成本以最优化系统设计。较多的芯片导致较快的速度，较少的芯片导致不太昂贵的系统。数据处理也可为模块化的。千兆字节/秒的光纤将为一块芯片提供足够的数据。每个芯片可被它自己的CPU和数据的RAID盘阵列驱动。
本发明可具有非常高的生产能力的可能性。对于具有在4微米节距上的发射体的芯片，在晶片上聚焦成40nm象素，以每秒每个发射体1000电子脉冲计时，30芯片宽10芯片深(平均)的阵列，通过以1cm/秒的速度拖拉晶片线性通过阵列下方，该实施方案可在30秒内写入整个300-mm的晶片。
本发明可具有大的聚焦深度：对于图7示出的实例，聚焦深度为极好的。特别是，聚焦深度可近似为4微米量级(在实际焦点每侧～2微米)。横向(热)电子速度和球面像差限制了该实例中的实际焦点尺寸。
图8示出了很像包含静电聚焦AFEA芯片源820的阵列810的刻蚀系统透视图。每个芯片源820被耦合到光纤830上。被这些光纤提供的数据传送速率可近似为每光纤1千兆字节。每个光纤830依次耦合到CPU840和相应的Raid盘阵列850上。AFEA芯片阵列在其最宽点处可为30芯片宽(对于300mm的晶片，每个1-cm的30个芯片将刚好覆盖它)，并且平均为10芯片深。图8示出了3行，分别为13，11和5芯片宽。在晶片的边缘，10个芯片可能太深(只有几个芯片足以暴光晶片的最外面行)，因此对于特殊系统或晶片尺寸将计算每列中的芯片的精确数量。在此特殊实例中，每个芯片能够发射106波束。在图8中只示出了来自三个芯片的波束。由于发射体的非常高的密度和冗余度，只需要一个线形平移工作台(X-平移工作台移动以单头箭头示出)。在y-方向上的平移是不需要的。如果需要较少的AFEA模块(例如对于低成本，低生产能力系统)，那么可使用x-y分档器/平移工作台。
在图8描述的特殊实例中，放置在晶片台870上的晶片860离阵列810近似30微米。在该特殊的实例中，在晶片工作台870和阵列810之间存在近似0.3度的偏移角度。由于轻微的偏移，在晶片860被工作台870平移时，来自串联邻近芯片的波束泄出可立即向上游冗余地照射(撞击)管芯(加工件)。
逻辑、存储、与控制电路
可使用如图9说明的在小几何图形CMOS IC工艺中实现的逻辑移位寄存器910和电流调节器电路920来控制AFEA。移位寄存器910允许“开”和“关”像素的图案存储在AFEA芯片上，而电流调节器920对于像素至像素在开启电压上的变化进行补偿，并维持像素电流的较好匹配。
将需要实施电路的面积(“不动产”)最小化是所需要的。为了将实现电路所需的面积最小化，组成移位寄存器910的锁存器930可作为级联动态存储单元实施。
参考图10，电流存储单元1000可被用于电流调节电路。电路1000基本上为动态存储器，其输出电流被参考(基准)电流设置。如果相同的参考电流被用于AFEA中的所有存储器，并且通过设计电荷注入和输出阻抗的效应最小化，那么能确保像素之间足够的匹配。
参考图11，通过监测来自正被暴光的半导体晶片像素上的光致抗蚀剂的电子或发光的背反射或二次发射，可得到发射体操作的真实时间探测。探测器1100可被布置为围绕发射体1110的缺口环，如图11所示。如果不用电子探测器，而是使用光电探测器，该探测器可为控制电路衬底中的浅n-或p-扩散区，并需要聚焦组件中的光学透明缺口环开口。另一方法，在聚焦组件顶级上的偏压金属缺口环可被用作探测二次电子。探测器电路可取代近似一半的LMC电路，并可被集成在芯片上。信号可以组桶的形式通过出去，与CCDs被读出的形式相似，保存探测器1100在衬底暴光过程中接收的电荷。
本发明的许多特征具有另外的方案。刻蚀集成静电聚焦光学器件有许多另外的方案，在电压，栅极开口尺寸和栅极隔离上不同。电流拷贝器电路也有许多变化。将AFEA芯片安装在底版上以在刻蚀下或扫描电子显微镜下移动衬底的结构对于芯片的数量，芯片的位置等具有很多的变化。集成的数字可寻址纳米阴极本身可以具有几何图形或发射体材料很多可能的变化。在中心电极上具有负压的静电聚焦组件设计也有很多方案。这在阻止正离子进入组件和撞击阴极上可能有好处。对于大规模并行SEM情况下探测器几何形状的许多另外的方案是可能的。
本发明的优点包括集成在芯片上的静电聚焦组件，刻蚀制造，每个聚焦组件对应于芯片上的每个集成阴极。先前报告的涉及电子或离子的方法具有离散的聚焦方法。先前报告的方法没有一个集成在芯片上，并且它们中没有一个单独将数字可寻址纳米阴极集成在芯片上。
本发明的优点为可避免空间电荷的爆炸。SACALPEL(5)，微列(4)，和离子束(7)刻蚀技术都在电流上被空间电荷限制。具有静电聚焦的大规模并行AFEA′s可被工作台速度限制，而不被可用的电流限制。
本发明的优点为能实行非常高速的刻蚀并具有非常小的特征尺寸。先前报告的方法(4-10)没有一个能够实行高速(大于每分钟300mm晶片)和具有小特征尺寸(100nm或更小)。先前报告的方法没有一个能够以合理的生产能力印刷50nm和更小的特征尺寸。先前报告的方法或者被带电的颗粒光学(解剖刀，微列，离子注入)限制或者被光子光学(对于EUV和X-射线)限制。
本发明的优点为能够用作半导体晶片检查的大规模并行SEM系统。用探测器和探测器电路取代每个其他的阴极及其LMC电路允许系统以比微列或标准SEM技术得到的速度快几个数量级的速度检查晶片。目前还没有能得到这种速率的已知的晶片检查(对于单个大规模并行AFEA SEM系统，高达每小时85000cm2或更快)。
本发明的优点为能够为像素间的电流平衡提供电流拷贝器电路。像素间的电流平衡的电流拷贝器电路在其他任何的刻蚀系统是得不到的。
本发明的优点为只需要一个单一的扫描工作台(一个方向)。先前报告的所有方法至少需要两维的扫描和控制。先前报告的扫描工作台必须被纳米量级的精度度量(interfermoetrically)驱动，并非常昂贵。除去一个镜台大大减小了系统的成本。
本发明的优点为可避免大型(昂贵)聚焦光学器件。先前报告的所有方法需要非常大的精度高的聚焦光学器件。AFEA′s的光学器件为刻蚀和便宜地集成在芯片上。因此，系统的成本显著减小。
本发明的优点为实施方案可容易地升级到下一代。替换系统上的芯片和升级软件是将系统升级到下一代刻蚀所需的。计算机控制系统等可被保留下来。然而，升级硬件以得到特殊下一代AFEA芯片的全部速度可能性是需要的(即数据计时的速率等等)然而，通过只是替换AFEA芯片和升级软件，将系统升级到新(更小)特征尺寸将是完全可行的。所有剩余的硬件可被重新使用。
本发明的优点为该技术可为无掩模的。EUV(8)，XRPL(6)，IPL(7)和SCALPEL(5)技术都需要掩模。无论什么技术，据计划掩模将会很快地比半导体刻蚀的主要装备成本要高。在这种环境下，数字可编程无掩模技术具有极大的成本优点。
发明的实际应用
在技术领域中具有价值的本发明的实际应用为在电子抗蚀剂上写入图形。此外，本发明和刻蚀分档器(诸如被用于半导体光刻目的)一道，或和大规模并行扫描电子显微镜(诸如被用于检查目的)一道或和其他等是有用的。本发明事实上有很多的应用，在此不需要详细描述。
在此描述的本发明的所有公开的实施方案可使用常规材料，亚元件和亚组合程序，没有不适当的实验和实践。尽管被提出本发明的发明者考虑的最好方式公开在上面，本发明的实践并不局限于此。很明显，在不偏离本发明概念的精神和范围下，可对本发明的特征进行各种补充，修改和重新布置。因此，本领域中的技术人员应当理解，在附加 的范围内，可与在此描述不同地实践本发明。
例如，通过提供另外的静电栅极和/或磁透镜和/或偏转板，可增强电子束矩阵源。相似地，尽管金刚石类碳(DLC)对于发射表面是优选的，在其位置上任何的场发射材料都可应用。另外，单独的元件不需要从公开的材料做出，而是可从任何合适的材料做出。
而且，单独元件不需要做成公开的形状，或以公开的构型布置，但事实上可以被提供任何形状，并以事实上的任何构型布置，这影响提供可寻址场发射体阵列的电子。此外，尽管在此描述的可寻址场发射体阵列为物理隔离模块，很明显该阵列可集成在装置中，并与装置联合在一起。此外，除所述特征相互排斥之外，每个公开实施方案的所有公开特征可联合或取代每个其他公开实施方案的公开特征。
附加权利要求企图覆盖所有的上述补充，修改和重新布置。本发明的有利实施方案被附加从属权利要求区分。
参考文献
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