JP2000048751A - 荷電粒子線光学系及び荷電粒子線転写装置及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】設計段階で定めたヨーク形状をそのまま変更せ
ずに、両端部磁場のダレを減らすことで、磁場分布を狙
いとする長方形に類似した均一な分布とし、収差が極め
て少ない荷電粒子線光学系及び荷電粒子線転写装置を提
供する。 【解決手段】磁界の作用により荷電粒子線ＥＢを集束す
る電磁レンズ３、４を少なくとも１つ有する荷電粒子線
光学系において、電磁レンズ３、４の入射側端部５ａ及
び射出側端部５ｃの少なくとも一方の端部での電流値と
単位長さ当りのコイル巻数との積が、中間部５ｂでの積
よりも大きくなるように形成されたことを特徴とする荷
電粒子線光学系である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線やイオンビ
ーム等の荷電粒子線を使用し、特に半導体素子等をリソ
グラフィー工程で製造する際に用いられる荷電粒子線光
学系及び荷電粒子線転写装置及びその装置を用いたデバ
イスの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体素子の微細化、高集積化に
対応するために、従来の光を用いる投影露光装置以上の
高い解像度が得られる荷電粒子線を用いた荷電粒子線転
写装置の開発が盛んに行われている。荷電粒子線転写装
置に用いられている投影光学系の従来例を図４にて説明
する。線源（不図示）から射出された荷電粒子線ＥＢ
は、コンデンサレンズ（不図示）により平行線とされ、
視野選択偏向器（不図示）によりレチクル１の小領域の
１つに導かれる。レチクル１上にはウエハ２に転写すべ
きパターン形状に対応したパターンが設けられている。
レチクル１を通過した荷電粒子線ＥＢは、第１投影レン
ズ３にてクロスオバーＣＯに集束し、第２投影レンズ４
にてウエハ２上にパターン像を転写する。投影レンズ
３、４は、いわゆる電磁レンズであり、軸対称のコイル
と純鉄等の磁性材料のヨーク（磁極）とで構成されてい
る。

【０００３】その際、従来の投影レンズ３、４のコイル
４５、４６は、それぞれ単一の電源４７、４８から電力
を供給され、磁場を形成している。別のコイル構成とし
ては、焦点、回転、倍率調整のための微小磁場を形成す
るコイル（不図示）とコイル４５、４６とが、投影レン
ズ３、４内に併設されているものがある。どちらの構成
も、コイル４５、４６は均一な巻き方になっており、す
なわち単位長さ当りのコイル巻数は、荷電粒子線ＥＢの
入射側端部から射出側端部にかけて、ほぼ一様となって
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の投影光学系
に用いられている荷電粒子線光学系は、コイルが両端部
から中央部にかけ、全域ほぼ均一な単位長さ当りの巻数
になっている。このときの中心軸上の磁場分布は、図４
（Ｂ）のように両端部が比較的緩やかに立ち上がる台形
に類似した形になっている。なお、図４（Ｂ）の縦方向
の位置は、同図（Ａ）の縦方向の位置に対応している。
磁場分布が、長方形に類似した均一な分布にならないの
は、ヨークの形状が、両端部の磁場に影響しているため
である。すなわち、ヨークの両端部に磁力線が集中し
て、軸上の磁場をダレさせる。

【０００５】投影レンズ内で荷電粒子線は、磁場による
力を受けて集束し、ねらいとする集束点に向かう。集束
点を決める静電場の無いときの近軸軌道の方程式は、回
転座標系でかくと、次式のようになる。

【０００６】

【数１】 ここで、光軸をｚ軸とし、ｒ（ｚ）は荷電粒子の軌道
（回転は除く）、ｅは荷電粒子の電荷、ｍは荷電粒子の
質量、Ｂ（ｚ）は軸上磁場、φは荷電粒子の加速電圧で
ある。この軌道方程式より明らかなように、ｒ（ｚ）が
大きいときに荷電粒子線に働く力が大きく、磁場につい
てはその大きさの２乗に比例した力が働く。分かりやす
く説明するために、図５（Ａ）に、磁場分布のｚ方向の
積分値と最大磁場が同じ長方形の場合と台形の場合とを
比較した例を示す。更に、磁場の２乗のグラフを、図５
（Ｂ）に示す。図５（Ａ）、（Ｂ）において、横軸は光
軸Ｚ方向を示し、縦軸はそれぞれＢ（ｚ）、Ｂ2（ｚ）
を示す。実線ｐは長方形モデルを表し、破線ｑは台形モ
デルを表し、一点鎖線ｒは参考のための荷電粒子線の軌
道のモデルを表す。アンペールの法則と、軸上には磁性
体が無いこととから、軸上磁場の積分値はレンズの励磁
電流（アンペアターン数）に比例している。図５（Ｂ）
より、同じ励磁電流であれば、長方形の方が台形に比べ
て、軌道が大きいところで磁場も大きく、軌道全体での
荷電粒子に働く力は大きくなることが分かる。したがっ
て、長方形の方が集束作用が強く、励磁電流も少なくて
すむ。

【０００７】収差に関しては、磁場及び磁場の微分に軌
道及び軌道の微分等を掛けたものを積分した形で寄与す
るので、実際は磁場の最大値が小さいほど収差が小さく
なる。したがって、長方形の分布に近い方が励磁電流、
収差の点で有利になる。投影レンズを設計するには、ま
ず、荷電粒子線の最大偏向幅を想定し、それに収差が影
響しない程度のヨーク内径にする。更に、その他の構造
物が入る空間を考慮して、ヨークのギャップを決め、そ
の寸法に合うようにコイルの寸法を決める。

【０００８】更に最近の荷電粒子線転写装置には、スル
ープットの向上が特に求められている。そのため一度に
露光できるレチクル寸法を増やしたり、偏向幅を増やし
て処理枚数を増やすことが必要となり、その結果レンズ
の内径が大きくなる傾向にある。レンズ内径が大きくな
ると、益々両端部の磁場のダレが大きくなり、収差の度
合いは大きくなる。

【０００９】また、半導体デバイスの製造方法にとって
も、スループットが低下する、最小線幅を実現した半導
体デバイスが製造ができない等の問題がある。したがっ
て本発明は、設計段階で定めたヨーク形状をそのまま変
更せずに、ヨークによる両端部磁場のダレを他の簡単な
手段で相殺することで、磁場分布を狙いとする長方形に
類似した均一な分布とし、収差が極めて少ない荷電粒子
線光学系及び荷電粒子線転写装置及びその装置を用いた
デバイスの製造方法を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたものであり、すなわち、添付図面
に付した符号をかっこ内に付記すると、本発明は、磁界
の作用により荷電粒子線（ＥＢ）を集束する電磁レンズ
（３、４）を少なくとも１つ有する荷電粒子線光学系に
おいて、電磁レンズの入射側端部（５ａ、１０）及び射
出側端部（５ｃ、１２）の少なくとも一方の端部での電
流値と単位長さ当りのコイル巻数との積が、中間部（５
ｂ、１１）での積よりも大きくなるように形成されたこ
とを特徴とする荷電粒子線光学系である。

【００１１】本発明はまた、レチクルパターンを荷電粒
子線（ＥＢ）にて照射する照射手段（３０）と、レチク
ルパターンの像をウエハ（２）上に結像する投影光学系
を備えた荷電粒子線転写装置において、投影光学系は少
なくとも１つの電磁レンズ（３、４）を有し、少なくと
も１つの電磁レンズ（３、４）は、入射側端部（５ａ、
１０）及び射出側端部（５ｃ、１２）の少なくとも一方
の端部での電流値と単位長さ当りのコイル巻数との積
が、中間部（５ｂ、１１）での積よりも大きくなるよう
に形成されたことを特徴とする荷電粒子線転写装置であ
る。

【００１２】本発明はまた、その装置を用いた半導体デ
バイスの製造方法により、スループットを低下させるこ
となく最小線幅の小さい半導体デバイスを製造すること
が可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面によっ
て説明する。図１は本発明の荷電粒子線光学系の第１実
施例を示す。線源（不図示）から射出された荷電粒子線
ＥＢは、コンデンサレンズ（不図示）により平行線とさ
れ、視野選択偏向器（不図示）によりレチクル１の小領
域の１つに導かれる。レチクル１上にはウエハ２に転写
すべきパターン形状に対応したパターンが設けられてい
る。レチクル１を通過した荷電粒子線ＥＢは、第１投影
レンズ３にてクロスオバーＣＯに集束し、第２投影レン
ズ４にてウエハ２上にパターン像を転写する。

【００１４】第１投影レンズ３は、いわゆる電磁レンズ
であり、軸対称のコイル５と純鉄等の磁性材料のヨーク
（磁極）６とで構成されている。コイル５は、一体のコ
イルであるが、その入射側端部５ａでの単位長さ当りの
巻数と、射出側端部５ｃでの単位長さ当りの巻数とが、
コイル中間部５ｂでの単位長さ当りの巻数よりも多くな
っている。コイル５には、単一の電源８から電流が流さ
れており、第１投影レンズ３内に磁場を形成している。
ここで磁場の強さは、単位長さ当りのコイル巻数とコイ
ルに流れる電流値との積となるので、コイル両端部５
ａ、５ｃの磁場強さは、コイル中間部５ｂの磁場強さよ
り大きくなる。この各部ごとに分割した中心軸上の磁場
分布は、同図（Ｂ）のようになる。ここで同図（Ｂ）の
縦方向の位置は、同図（Ａ）の縦方向の位置に対応して
いる。また曲線ａはコイル端部５ａの磁場分布に、曲線
ｂはコイル中間部５ｂの磁場分布に、曲線ｃはコイル端
部５ｃの磁場分布にそれぞれ対応している。曲線ａ，ｃ
の最大磁場強さが、曲線ｂの最大磁場強さよりも大きく
なるのは前記説明で明らかであるが、それぞれの曲線
ａ、ｂ、ｃの端部の勾配が異なるのは、各コイル５ａ、
５ｂ、５ｃの位置が、異なっているためである。これら
の曲線ａ、ｂ、ｃを合成したものが、同図（Ｃ）に示す
ように、第１投影レンズ３全体の中心軸上磁場分布とな
る。

【００１５】このように、コイル両端部５ａ、５ｃによ
り形成する両端部の磁場ａ、ｃを、コイル中間部５ｂに
より形成する磁場ｂより予め強く設定することで、両端
部での磁場ダレを減らし、理想的な長方形に類似した磁
場分布とすることができる。これにより、最終的に収差
の極めて小さい荷電粒子線光学系となっている。第２投
影レンズ４についても、投影光学系の投影倍率分、第１
投影レンズ３と大きさを異にするが、基本的構成は第１
投影レンズ３と同じである。すなわち、コイル７は両端
部のコイル巻数が多くなっており、電源９からの電流に
より形成される磁場の分布形状は均一分布となってい
る。

【００１６】図２は本発明の荷電粒子線光学系の第２実
施例を示す。第２実施例と第１実施例との違いは、第１
投影レンズ３と第２投影レンズ４に設けられたコイルの
構成の違いである。第１投影レンズ３のコイル構成は、
それぞれ磁場の異なる入射側コイル１０と、中間部コイ
ル１１と、射出側コイル１２との３つとなっている。各
々のコイル１０、１１、１２には、それぞれの電源１
６、１７、１８から電流が流れ、その中心軸上において
同図（Ｂ）に示すような磁場をそれぞれ形成する。ここ
で同図（Ｂ）の縦方向の位置は、同図（Ａ）の縦方向の
位置に対応している。また同図（Ｂ）の曲線ａは入射側
コイル１０の磁場分布に、曲線ｂは中間部コイル１１の
磁場分布に、曲線ｃは射出側コイル１２の磁場分布に対
応する。両端部コイル１０、１２の最大磁場強さは、中
間部コイル１１の最大磁場強さより大きくなっている
が、これを達成するためには、それぞれのコイル１０、
１１、１２のコイル巻数で調整しても良いし、コイル１
０、１１、１２を流れる電流値で調整しても良いし、そ
の双方で調整しても良い。両端部の磁場分布は対称形な
ので、両端部コイル１０、１２は同じものを使用し、電
源１６、１８は１つにし、そこから電流を両端部コイル
１０、１２に直列に供給しても良い。これらの各部コイ
ル１０、１１、１２の磁場ａ、ｂ、ｃを合成したもの
が、同図（Ｃ）に示すように、第１投影レンズ３全体の
中心軸上磁場分布となる。

【００１７】このように、両端部コイル１０、１２によ
り形成する両端部磁場ａ、ｃを、中間部コイル１１によ
り形成する中間部磁場ｂより予め強く設定することで、
両端部磁場のダレを減らし、理想的な長方形に類似した
磁場分布とすることができる。これにより、最終的に収
差の極めて小さい荷電粒子線光学系となっている。第２
投影レンズ４についても、投影光学系の投影倍率分、第
１投影レンズ３と大きさを異にするが、基本的構成は第
１投影レンズ３と同じである。すなわち、コイル構成が
両端部コイル１３、１５と中間部コイル１４の３つであ
り、その各部コイル１３、１４、１５がそれぞれ電源１
９、２０、２１を有し、各磁場を合成した分布が、均一
な形状となる。

【００１８】図３は本発明の荷電粒子線転写装置の一実
施例を示す。本実施例は、第１実施例又は第２実施例の
荷電粒子線光学系を搭載した荷電粒子線転写装置であ
る。電子銃３０から射出された荷電粒子線ＥＢは、コン
デンサレンズ３１で平行線とされ、視野選択偏向器３２
により紙面に垂直なＸＹ平面内で偏向されて、レチクル
１の小領域の１つに導かれる。レチクル１は、レチクル
ステージ３３によってＸＹ平面と平行に保持されてい
る。レチクルステージ３３は、レチクルステージ駆動部
３５により、Ｘ軸方向にステップ移動し、Ｙ軸方向に連
続移動する。レチクル１上にはウエハ２に転写すべきパ
ターン形状に対応したパターンが設けられている。レチ
クル１を通過した荷電粒子線ＥＢは、偏向器３６により
所定量偏向された後、第１投影レンズ３にてクロスオー
バーＣＯに集束し、さらに第２投影レンズ４にてウエハ
２上の所定位置に所定の投影倍率で転写される。ウエハ
２は、ウエハステージ４０上にＸＹ平面と平行に保持さ
れている。ウエハステージ４０は、ウエハステージ駆動
部４１により、レチクルステージ３３のＹ軸方向の連続
移動とは逆方向へ連続移動する。

【００１９】第１投影レンズ３と第２投影レンズ４は、
第１実施例又は第２実施例に示したように構成されてい
る。したがって、両端部磁場のダレを減らし、理想的な
長方形に類似した磁場分布とし、最終的に収差の極めて
小さい転写装置となっている。なお、本実施の形態で
は、電磁レンズの両端部における磁場のダレを減らすこ
とにより収差を小さくしたが、一方の端部のみのダレを
減らすことでも収差を小さくすることができる。

【００２０】図６は本発明を適用する半導体デバイスの
製造方法を示すフローチャートである。製造工程は、ウ
エハを製造するウエハ製造工程、（またはウエハを準備
するウエハ準備工程）、次工程で使用するマスク（また
はレチクルと呼ぶ）を製作するマスク製造工程（又はマ
スクを準備するマスク準備工程）、ウエハに必要な加工
処理を行うウエハプロセッシング工程、ウエハ上に形成
されたチップを１個づつ切り出し、動作可能にならしめ
るチップ組立工程、出来たチップを検査する、チップ検
査工程を主工程とし、それぞれの工程は更に幾つかのサ
ブ工程からなっている。この主工程の中で半導体のデバ
イスの性能に決定的な影響を有する主工程がウエハプロ
セッシング工程である。この工程では、設計された回路
パターンをウエハ上に順次積層し、メモりーやＭＰＵと
して動作するデバイスチップを多数形成することであ
る。このために、ウエハプロセッシング工程では、絶縁
層となる誘電体薄膜や配線部、電極部を形成する金属薄
膜等を形成する薄膜形成工程（ＣＶＤやスパッタリング
等を用いる）、この薄膜層やウエハ基板を酸化する酸化
工程、薄膜層やウエハ基板等を選択的に加工するために
マスク（レチクル）を用いてレジストのパターンを形成
するリソグラフィ工程、レジストパターンに従って薄膜
層や基板を加工するエッチング工程（例えばドライエッ
チング技術を用いる）やイオン・不純物注入拡散工程、
レジスト剥離工程、更に加工されたウエハを検査する検
査工程を有している。尚、ウエハプロセッシング工程は
必要な層数だけ繰り返し行われ、設計通り動作する半導
体デバイスが製造される。図７はこのウエハプロセッシ
ング工程の中核をなすリソグラフィ工程を示すフローチ
ャートである。前段の工程で回路パターンが形成された
ウエハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程、レ
ジストを露光する露光工程、露光されたレジストを現像
してレジストのパターンを得る現像工程、現像されたレ
ジストパターンを安定化させるためのアニール工程を有
している。露光工程（リソグラフィ工程）に本発明の露
光装置を用いるとリソグラフィ工程のスループット、コ
スト、精度、収率等が大幅に改善される。特に、必要な
最小線幅、及びそれに見合った重ね合わせ精度を実現す
ることに係わる工程はリソグラフィ工程、その中でも位
置合わせ制御を含めた露光工程であり、本発明の適用に
より、今まで不可能であった半導体デバイスの製造が可
能になる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、コイルに
より形成する両端部の磁場を、中央部の磁場より予め強
く設定することで、両端部磁場のダレを減らすことがで
きる。またコイルは、その構造も製造方法も非常に簡単
なので、あとから全体の磁場分布を更に狙いとする分布
に近似させたいときでも、容易に変更可能である。これ
により、最終的に収差の極めて少ない荷電粒子線光学系
及び荷電粒子線転写装置を提供することができる。また
その装置を用いた半導体デバイスの製造方法により、ス
ループットを低下させることなく最小線幅の小さい半導
体デバイスを製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の荷電粒子線光学系を示す
（Ａ）概略図と、投影レンズのコイル各部における中心
軸上磁場分布を示す（Ｂ）分布図と、投影レンズ全体の
中心軸上磁場分布を示す（Ｃ）分布図である。

【図２】本発明の第２実施例の荷電粒子線光学系を示す
（Ａ）概略図と、投影レンズの各コイルにおける中心軸
上磁場分布を示す（Ｂ）分布図と、投影レンズ全体の中
心軸上磁場分布を示す（Ｃ）分布図である。

【図３】本発明の一実施例の荷電粒子線転写装置を示す
概略図である。

【図４】従来例の荷電粒子線光学系を示す（Ａ）概略図
と、投影レンズ全体の中心軸上磁場分布を示す（Ｂ）分
布図である。

【図５】長方形磁場分布と台形磁場分布の（Ａ）Ｙ軸に
磁場を示した分布図と、（Ｂ）Ｙ軸に磁場の２乗を示し
た分布図である。

【図６】半導体デバイスの製造方法を説明するための図
である。

【図７】リソグラフィー工程を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１…レチクル ２…ウエハ ３…第１投影レンズ ４…第２投影レ
ンズ ５…第１投影レンズのコイル ５ａ、５ｃ…第１投影レンズのコイル端部 ５ｂ…第１投影レンズのコイル中間部 ６…ヨーク ７…第２投影レ
ンズのコイル ８、９…電源 １０、１２…第１投影レンズの端部コイル １１…第１投影レンズの中間部コイル １３、１５…第２投影レンズの端部コイル １４…第２投影レンズの中間部コイル １６、１７、１８…電源 １９、２０、２
１…電源 ３０…電子銃 ３１…コンデン
サレンズ ３２…視野選択偏向器 ３３…レチクル
ステージ ３５…レチクルステージ駆動部 ３６…偏向器 ４０…ウエハステージ ４１…ウエハス
テージ駆動部 ＥＢ…荷電粒子線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁界の作用により荷電粒子線を集束する電
   磁レンズを少なくとも１つ有する荷電粒子線光学系にお
   いて、 前記電磁レンズの入射側端部及び射出側端部の少なくと
   も一方の端部での電流値と単位長さ当りのコイル巻数と
   の積が、中間部での前記積よりも大きくなるように形成
   されたことを特徴とする荷電粒子線光学系。
2. 【請求項２】前記少なくとも一方の端部での単位長さ当
   りの前記コイル巻数が、前記中間部での単位長さ当りの
   前記コイル巻数よりも多いことを特徴とする請求項１記
   載の荷電粒子線光学系。
3. 【請求項３】前記電磁レンズは、軸方向に直列に配列さ
   れた少なくとも３個のコイルを有し、 入射側コイル及び射出側コイルの少なくとも一方での前
   記積が、中間部コイルでの前記積よりも大きくなるよう
   に形成されたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子
   線光学系。
4. 【請求項４】レチクルパターンを荷電粒子線にて照射す
   る照射手段と、前記レチクルパターンの像をウエハ上に
   結像する投影光学系を備えた荷電粒子線転写装置におい
   て、 前記投影光学系は少なくとも１つの電磁レンズを有し、 該少なくとも１つの電磁レンズは、入射側端部及び射出
   側端部の少なくとも一方の端部での電流値と単位長さ当
   りのコイル巻数との積が、中間部での前記積よりも大き
   くなるように形成されたことを特徴とする荷電粒子線転
   写装置。
5. 【請求項５】マスクまたはレチクルに形成されたパター
   ンをウエハ上に転写するためのリソグラフィ工程を有す
   る半導体装置の製造方法であって、該リソグラフィ工程
   に請求項４に記載の露光装置を使用することを特徴とす
   る半導体デバイスの製造方法