Разработка системы автоматизированного проектирования миниатюрных электронно-оптических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Данильчев, Сергей Сергеевич

• Данильчев, Сергей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Данильчев, Сергей Сергеевич

Введение.

1. ЗАДАЧИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИНИАТЮРНЫХ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1. Традиционные методы расчета и моделирования электронно-оптических систем.

1.2. Уравнения траекторий электронного пучка в электрическом поле.

1.3. Аберрации электронных линз с прямолинейной осью

1.3.1. Сферическая аберрация.

1.3.2. Астигматизм.

1.3.3. Кривизна поля изображения.

1.3.4. Дисторсия.

1.3.5. Кома.

1.4. Миниатюрные электронно-оптические системы.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ МИНИАТЮРНЫХ ЭОС С МЕХАНИЧЕСИМ СКАНИРОВАНИЕМ.

2.1. Миниатюрная электростатическая ЭОС с подвижной и наклонной оптической осью.

2.2. Модели распределения электрического поля в миниатюрных электростатических линзах.

2.3. Уравнения траекторий электронного пучка в миниатюрной ЭОС.

2.4. Система автоматизированного проектирования миниатюрных ЭОС на базе программы МаШсаё.

2.4.1. Входной язык программы автоматизированного проектирования миниатюрной ЭОС

2.4.2. Расчет распределения электрического поля.

2.4.3. Решение систем дифференциальных уравнений.

3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИНИАТЮРНЫХ ЭЛЕКТРОННО - ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

3.1. Этапы проектирования миниатюрной ЭОС.

3.2. Проектирование двухлинзовой миниатюрной ЭОС в параксиальном приближении.

3.2.1. Распределение потенциала электрического поля в линзах.

3.2.2. Решение дифференциальных уравнений для параксиальных траекторий электронного пучка.

3.3. Проектирование двухлинзовой миниатюрной

ЭОС по точным уравнениям траекторий

3.3.1. Вычисление распределения потенциала и напряженности поля в окрестности подвижной оси с помощью степенных рядов.

3.3.2. Решение точных уравнений траекторий.

3.3.3. Численное определение коэффициента сферической аберрации.

3.3.4. Численное определение коэффициента хроматической аберрации.

3.4. Оптимизация режима работы электроннооптической системы.

3.5. Оптимизация геометрических параметров ЭОС.

3.5.1. Оптимизация ЭОС по радиусу канала линзы.

3.5.2. Оптимизация ЭОС при постоянной величине напряженности поля в зазоре линзы.

3.6. Расчет отклонения пучка в миниатюрной ЭОС с подвижной осью.

3.6.1. Математическая модель отклоняющей системы.

3.6.2. Компьютерный расчет аберраций отклонения.

3.6.3. Моделирование режима идеального отклонения пучка

3.6.4. Расчет аберраций отклонения электронного пучка.

3.6.5. Расчет распределения поля в отклоняющей системе.

3.7. Проектирование электронно-оптических систем с подвижной оптической осью.

4. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МИНИАТЮРНЫХ ЭОС.

4.1. Основы конструирования миниатюрных электронных линз.

4.1.1. Конструкция пластины миниатюрной линзы.

4.1.2. Блок миниатюрной электронной линзы.

4.2. Основы конструирования миниатюрных электронно-оптических систем.

4.3. Основы технологии производства миниатюрных электронных линз.

4.3.1. Основы технологии производства пластин, образующих миниатюрную линзу

4.3.2. Основы технологии сборки пластин в миниатюрную линзу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы автоматизированного проектирования миниатюрных электронно-оптических систем»

В настоящее время разработаны физические и технологические основы, позволяющие создать новый класс электронно - лучевого оборудования широкого применения. Это миниатюрные электронно - оптические системы, формирующие пучки заряженных частиц диаметром меньше 10 нм при ускоряющем напряжении меньше 1 кВ.

Наиболее перспективным технологическим процессом изготовления ЭОС является групповая технология микроэлектроники, приходящая на смену технологии точного машиностроения. Групповая технология микроэлектроники приводит к существенному уменьшению габаритов ЭОС, что позволяет назвать их миниатюрными. Групповая технология позволяет автоматизировать процесс производства миниатюрных ЭОС и как следствие, снизить их стоимость. Миниатюрные ЭОС являются базовыми элементами перспективного электронно- и ионно-лучевого оборудования нового поколения, отличающегося малыми габаритами и весом, низкой стоимостью и широкими возможностями при практическом применении. Это дешевые малогабаритные электронные микроскопы и микроанализаторы, технологическое оборудование для субмикронной и нано технологии, мобильные лаборатории для нужд геологоразведки, медицины, биологии и сельского хозяйства. Появилась реальная возможность создания многолучевых систем с индивидуальным отклонением пучков, открывающая возможность реализации групповых операций в нанотехнологии.

Основным конструктивным материалом при изготовлении миниатюрных ЭОС является кремний, основными технологическими процессами -процессы легирования, фото- и электронной литографии, жидкостное, плаз-мохимическое и ионное травление, прецизионное совмещение элементов конструкции в процессе сборки. Эти процессы широко применяются в технологии микроэлектроники, и в частности, при производстве интегральных микросхем.

Новая технология ставит задачу разработки новых конструктивных решений, а это в свою очередь требует разработки современных компьютерных систем автоматизированного проектирования миниатюрных ЭОС. Темпы разработки новой техники требуют сокращения сроков разработки и доводки устройств, повышения точности и достоверности методов проектирования.

Диссертационная работа посвящена разработке системы автоматизированного проектирования миниатюрных ЭОС с наклонной и подвижной оптической осью. Системы этого типа позволяют устранить основной недостаток существующих миниатюрных ЭОС - малое поле сканирования (малое поле обработки). Миниатюризация и, следовательно, малая масса элементов ЭОС позволили рассмотреть принципиально новый класс систем - ЭОС с механическим сканированием.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Данильчев, Сергей Сергеевич

Заключение

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Проведенный анализ алгоритмов расчета электрического поля в миниатюрных электронно-оптических системах с подвижной и наклонной оптической осью показал целесообразность применения в САПР аналитических моделей, создаваемых средствами аналитических преобразований пакета МаШсаё.

2. Предложенный алгоритм численного вычисления геометрических аберраций ЭОС основан на итерационном решении систем дифференциальных уравнений, правые части которых сформированы из аналитических выражений средствами пакета МаШсаё, что позволило достичь необходимой точности счета.

3. Разработанные алгоритмы расчета миниатюрных ЭОС с наклонной и подвижной оптической осью, состоящие в аналитическом представлении распределения электрического поля в окрестности криволинейной оптической оси и численном решении систем дифференциальных уравнений, положены в основу системы автоматизированного проектирования миниатюрных ЭОС.

4. Разработанная система автоматизированного проектирования миниатюрных ЭОС с наклонной и подвижной оптической осью, основанная на средствах математического пакета МаШсаё, позволяет эффективно решать задачи конструирования и оптимизации миниатюрных ЭОС. Сравнительный анализ решения ряда контрольных задач по расчету известных миниатюрных ЭОС, опубликованных другими авторами, позволяет сделать вывод о сходимости результатов на уровне 10%.

5. На основе разработанной системы автоматизированного проектирования проведена разработка ряда вариантов конструкции миниатюрных ЭОС с подвижной и наклонной оптической осью. На этих примерах показаны алгоритмы проектирования, включающие алгоритмы оптимизации конструкции по различным параметрам.

6. Предложено техническое решение миниатюрной ЭОС с механическим сканированием, позволяющее устранить главный недостаток известных миниатюрных ЭОС - малое поле сканирования электронного пучка на объекте.

7. Разработанные на основе системы автоматизированного проектирования принципы конструирования и технологии производства миниатюрных ЭОС, показывают возможность организации их серийного производства в рамках существующей групповой технологии микроэлектроники.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Данильчев, Сергей Сергеевич, 2004 год

1. Glaser W. Grundlagen der Electronenoptik.// Wien: Springer -Verlag, 1952. Русский перевод: Глазер В. Основы электронной оптики.// М.: Гос. из-во технико-теоретической литературы. 1952, 763 с.

2. Кельман В.М., Явор С.Я. Электронная оптика.// M,-JI.: Из-во АН СССР, 1959, 328 с.

3. Силадьи М. Электронная и ионная оптика.// М.: Мир, 1990, -638 с.

4. Hawkes P.W., Kasper Е. rinciples of Electronoptics.// N.-Y.: Academc Press, 1989. Русский перевод: Хокс П., Каспер Э. Основы электронной оптики. // М.: Мир, 1993. Том. 1, 551 е., Том. 2, 477 с.

5. Баранова Л.А., Явор С.Я. Электростатические электронные линзы.// М.: Наука, 1986,

6. Ильин В.П., Катешов В.А., Куликов Ю.В., Монастырский М.А. Численные методы оптимизации эмиссионных электронно-оптических систем.//Новосибирск: Наука, 1987,

7. Тихонов А.Н., Арсенин И.Я. Методы решения некорректных задач.// М.: Наука, 1979 г. -285 с.

8. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. //М.:Наука, 1969 г.- 424 с.

9. Васичев Б.Н., Балашов В.Н. Типовые электронно-оптические системы установок для электронной литографии.// М.: МИЭМ, 1992.

10. Алямовский И. В. Электронные пучки и электронные пушки. // Советское радио, Москва, 1966.

11. Страшкевич А. М. Электронная оптика электростатических систем. // Энергия, Москва — Ленинград, 1966.

12. Явор С.Я. Фокусировка заряженных частиц квадрупольнымн линзами. // М.: Атомиздат, 1968.

13. Молоковский С. И., Сушков А. Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. // Д.: Энергия, 1978.

14. Афанасьев В. П., Явор С. Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. // М.: Наука, 1978.

15. Арцимович Л. А., Лукьянов С. Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. // М.: Мир, 1980.

16. Васичев Б.Н. Растровая электронная микроскопия и электронная литография. // ОМП, 1978 г., N 9, стр.65.

17. Балашов В:Н., Васичев Б.Н. Метод расчета ошибок изображения в электронно-оптических системах установок для электронной литографии.// Известия АН СССР Сер. физическая, т. 48^ п. 12, 1984 г., с. 2414 2417.

18. Балашов В.Н., Шахбазов С.Ю., Филипчук Т.С. Расчет электростатических линз с подвижной оптической осью.// Радиотехника и электроника, N8, 1992

19. Балашов В.Н., Филипчук Т.С., Трофимов В.А., Шахбазов С.Ю. Расчет электростатических линз с подвижной оптической осью.// Известия РАН Сер. физическая, т. 57, п. 8, 1993 г., с. 118 -122.

20. Балашов В.Н.// Известия РАН. Сер. физ. 1996. Т. 60. № 2. С. 169-176.

21. Chang Т. Н. P., Thomson М. G. R., Kratschmer Е. et al. Electron-beam microcolumns for lithography and related applications. // Journal Vacuum Science & Technology. В 14, V 6, 1996, pp. 37743781.

22. Kratschmer E., Kim H. S., Thomson M. G. R. et al.: An electron-beam microcolumn with improved resolution, beam current, and stability. // J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 13, No. 6, Nov/Dec 1995, pp. 2498-2503.

23. Zlatkin A., Garcia N.: Low-energy (300 eV) versatilescanning electron microscope (SEM) with 30 nm resolution. // Microelectronic Engineering, Vol. 45, 1999 №1, pp. 39-46.

24. Thomson M. G. R. The electrostatic moving objective lens and optimized deflection systems for microcolumns // J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 14, No. 6, Nov/Dec 1996, pp. 3802 3806

25. Liu W., Ambe T., Pease R. F. Micro-objective lens with compact secondary electron detector for miniature low voltage electron beam systems //J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 14, No. 6, Nov/Dec 1996, pp. 3738 3741

26. Kim et al.: Miniature Schottky electron source // J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 13, No. 6, Nov/Dec 1995, pp. 2469 2472

27. Sturrock P.A. Static and Dynamic Electron Optics. // Cambridge: Cambridge University Press, 1955, 214 c.

28. Moses R.W. Lens Optimization by Direct Application of the Calculus of Variations. In: Image Processing and Computer-aided Design in Electron Optics, p. 250 272. // London, N.-Y.: Academic Press, 1973.

29. Goto E., Soma T. MOL (Moving objective lens) Formulation of deflective aberration free system.// Optik, v. 48, n. 3, 1977. p. 255 -259.

30. Ishii K., Matsuda T. Sub-100-nm-Scale Patterning Using a Low-Energy Electron Beam. Jap. // J. Appl. Phys., V.31, 1992. p. L 744 - L 746.

31. Chang T.H.P., Thomson M.G.R., Yu M.L., et al. // Microelectron. Eng. № 32 1996, p.l 13

32. Burstert F., Winkler D., Lishke B. // Microelectron. Eng. № 31 1996, p. 95

33. Koops H.W.P, Weiel R., Kern D.P. et al. // J. Vac. Sci. Technol. B 6(1) 1988, p.477

34. Matsui S.and Mori K. // J. Vac. Sci. Technol. B 4, 1986, p.

35. Delong A., Chmelick J., Kolarik V., et. al. // Optik 81, 1989. p. 103

36. Gross H.S., Prins F.E., Kern D.P. New method for fabrication of an array of individually controllable miniaturized electrostatic lenses. // Microelectron. Eng. № 35, 1997, pp. 469-472

37. Khursheed A. Construction and design of a high-resolution portable-scanning electron microscope column. // SPIE Proc. 1999 -V3777, p. 116-124. \

38. Ji Q., King T.-J., Lee Y.Y., et al. Compact column design for a focused ion-beam litography system. // SPIE Proc. 1999 - V3777, p. 175-182 *

39. Winkler D., Bubeck C.-D., Fleischmann A., et al. // J. Vac. Sci. Technol. B 16, 1998, p. 3181

40. Koops H.W.P., Kretz J., Rudolph M. et al. // J. Vac. Sci. Technol. B 11, 1993 p. 2386

41. Thomson M.G.R., Chang T.H.P. Lens and deflector design for microcolumns. // J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 13, No. 6, 1995, p. 2445

42. Fresser H.S.F., Prins F.E., and Kern D.P. Low-energy electron detection in microcolumns. // J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 13, No. 6, 1995 p. 2553

43. Zolgharmain S. et. al. Characterization of a GaAs metal-semiconductor-metal low-energy electron detector. // J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 13, No. 6, 1995, p. 2556

44. Kratchmer E. et. al Experimental evaluation of a 20x20 mm footprint microcolumn. // J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 14, No. 6, 1996, p. 3792•v

45. Zhao Y. Variable axis lens of mixed electrostatic and magnetic fields and its application in electron-beam lithography systems. // J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 17, No. 6, 1999, p. 2795

46. Yasuda H., Arai S., Kai J., et. al. //J.Vac. Sci. Technol. 1996.

47. B14. No 35. pp. 3813-3820.

48. Ohiwa H., Blackwell R. J., Siegel B. M. // J. Vac. Sei. Technol., 1981, 19, No. 4, pp. 1074 — 1076.

49. Munro E. // J. Vac. Sei. Technol., 1975, 12, No. 6, pp. 1146—1150.

50. Renau A., Read F. H., Brunt J. N. H. // J. Phys E: Sei. Instrum., 1982, 15, pp. 347—354. '50. van Hoof H.A. // J. Phys. E: Sei. Instrum., 1980, 13, pp. 1081—1089.

51. Uchikawa Y., K. Gotoh, T. Ohye. // Elect. Eng. Jpn., 1981, 101, No. 3, pp. 8—13.

52. Szilagyi M. // in: Electron Microscopy 1980, Proceedings of the 7th European Congress on Electron Microscopy, v. 1, pp. 62—63, Seventh European Congress on Electron Microscopy Foundation, Leiden, 1980.

53. Saito T., Kikuchi M., SeversO. J. //J. Appl. Phys, 1979, 50, No. 10, pp. 6123—6128.

54. Koops H. // J. Vac. Sei. Technol., 1973, 10, No. 6, pp. 909—912.55. van Gorkum A. // J. Vac. Sei. Technol., 1983, Bl, No 4, pp. 1312—1315.

55. Herriott D. R., Brewer G. R., // in: Electron-Beam Technology in Microelectronic Fabrication, New York: Academic, 1980, pp. 141—216.

56. Slowko W. // J. Vac. Sei. Technol., 1981, 19, No. 3, pp. 733—738.

57. Szilagyi M., Paik H., Siegel Bc. M. // in: Proceedings of the 10th International Conference on Electron and Ion Beam Science and Technology, Monreal.-Bakish R., ed., pp. 409—421. Electrochemical Society Proceedings v. 83-2,New Jersey: Pennigton, 1983.

58. Shimoyama H. // J. Electron Microsc., 1982, 31, No. 2, pp. 127—136

59. Kasper E. // Optik, 1985, 69, No. 3, pp. 117—125.

60. Szilagyi M. // J. Vac. Sei. Technol., 1987, A5, pp. 273—278.

61. Vijayakumar Р., Szilagyi M. // Rev. Sei. Instrum., 1987, 58, No. 6, p. 953

62. Kuroda K., Suzuki T. II J. Appl. Phys., 1974, 45, pp. 1436—1441.

63. Paik H., Lewis G. N, Kirkland E. J., et. al. // J. Vac. Sei. Technol., 1985, B3, No. 1, pp. 75—81.65.' Rempfer G. F. // J. Appl. Phys., 1985, 57, No. 7, pp. 2385—2401.

64. Sceliger R. // Optik, 1948, 4, pp. 258—262.

65. Riddle G. H. N. // J. Vac. Sei. Technol., 1978, 15, No. 3, pp. 857—860.

66. Kurihara K. // J. Vac. Sei. Technol., 1985, B3, No. 1, pp. 41—11

67. Szilagyi M. // J. Vac. Sei. Technol., 1983, Bl, No. 4, pp.»1137—1140

68. Fink J., Kisker E. // Rev. Sei. Instrum., 1980, 51, No. 7, pp. 918-920

69. Tsuno K., Honda T. // Optik, 1983, 64, No. 4, pp. 367—378.

70. Smith M. R., Munro E. // Optik, 1986, 74, No. 1, pp. 7—16.

71. Jansen G. H., Groves T. R., Stickel W. III J. Vac. Sei. Technol., 1985, B3, No. 1, pp. 190—193.

72. Lencova В., Lenc M. // Optik, 1984, 68, No. 1, pp. 37—60.

73. Данильчев С.С., Балашов В.Н. Перспективы создания миниатюрных электронно-оптических систем.// Известия РАН. Сер. физич. № 4, 2003 г.

74. Данильчев С.С., Балашов В.Н. Перспективы создания адаптивных электронно-оптических систем.// Известия РАН. Сер. физич. № 4, 2003 г.

75. Данильчев С.С., Балашов В.Н. Перспективы создания миниатюрных адаптивных электронно-оптических систем.// XIX российской конференции по электронной микроскопии (Москва, Черноголовка, ИПТМ РАН, 2002 г.; Тезисы докладов, с. 56.

76. Данильчев С.С., Балашов В.Н. Перспективы создания многолучевых установок для электронной литографии на основе миниатюрных линз,// XIX российской конференции по электронной микроскопии (Москва, Черноголовка, ИПТМ РАН, 2002 г.; Тезисы докладов, с. 57.

77. Данильчев С.С. Моделирование миниатюрных электронно-оптических систем.// Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ, Москва 2003 г. Тезисы докладов, с. 417.

78. Данильчев С.С., Балашов В.Н. Миниатюрные электронно-и ионно- оптические системы для нанотехнологий. // Научно-практическая конференция по нанотехнологии, тезисы доклада Москва, МЭИ 2004 г.

79. В.Н. Балашов, С.С. Данильчев. Миниатюрная электронно-оптическая система. Патент РФ по заявке № 2004120393/22(023284) от 14.07.2004 г.