JP2004193157A - 電子線照明光学系及び電子線露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく大電流を発生することができ、かつ、それを効率よく使用することができる電子線照明光学系を提供する。
【解決手段】電子銃１から放出された電子ビーム６は、第１のレンズ４によりトリムアパーチャ２上に集光される。この集光された部分７はクロスオーバと呼ばれる。通常は、トリムアパーチャ２によりクロスオーバでのビームの半分程度が遮蔽される。トリムアパーチャ２を透過したビームは、第２のレンズ５によりシェーピングアパーチャ３にほぼ垂直になるよう集光される。図２において、Ａは電子銃１のカソード面を紙面下側から見た図を表し、Ａ２が正方形のエミッション面（電子放出領域）を表している。Ａ２以外の部分は、カソード材質より仕事関数の高い金属でコートするか、又は表面を細かく荒らしてＡ２の面より仕事関数の高い面が露出するよう加工されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主に、半導体集積回路等のリソグラフィーに用いられる電子線露光装置に使用するのに好適な電子線照明光学系、及びそれを使用した電子線露光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスを製造する工程においては、マスクまたはレチクルに形成されたパターンをウエハ等の感応基板に露光転写する工程が含まれる。近年、半導体デバイスの集積度の向上により微細化されたパターンは従来の紫外光を用いた露光方法では解像が困難になりつつあり、荷電粒子線や極短紫外線（ＥＵＶ）を用いた新しい露光方法が使用されるようになってきている。中でも電子線を用いた露光装置は、電気的手段による制御性が良い等の利点を持ち、次世代の露光手段として有望である。
【０００３】
このような電子線露光装置の方式のうち、近年新たに、露光の高解像と高スループットの両方を兼ね備えた電子線露光方式として、分割転写タイプのＥＰＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）方式が注目を集めている。ＥＰＬ方式とは、１ダイまたは複数ダイを一度に露光するのではなく、１ダイをサブフィールドと称する小さな領域に分割し、この小領域を偏向器によりつなぎ合わせながら転写露光するという方式である。現在のところ、この小領域の大きさはレチクル上で数１００μｍ□以上（ウエハ上で２５μｍ□以上）であり、従来の露光方式の数１０倍以上の大きさである。
ＥＰＬで使われる電子銃としては温度制限領域で動作する低輝度（１００ｋＶにおいて１０^３Ａ／ｃｍ^２・ｓｒ以下）、高エミッタンス（１００ｋＶにおいて数１０００μｍ・ｍｒａｄ）の電子銃が開発されている。ＥＰＬでは、レチクル面の前記小領域を照射する電流として１００μＡ以上の電流が必要とされるため、ＥＰＬ用電子銃としてはエミッション電流が１０００μＡを超えるものが要求されている。又、ＥＰＬ方式では分解能を高めるため、中空ビーム（Ｈｏｌｌｏｗ Ｂｅａｍ）方式が提案されているが、この場合には、電子銃に数１０００μＡのエミッション電流が要求されている。
【０００４】
代表的なＥＰＬの照明光学系を図３に示す。図３は縦置きの照明光学系を横方向からみた図である。図３の１は電子を放出する電子銃であり、Ａはそのカソードを紙面の下方向から見た図である。なお、電子銃は、通常カソード面から放出される電子をウェネルト電極で引き出し、それをアノードに印加される加速電圧で加速して電子を放出するように構成されているが、周知のものであり、本発明と直接の関係がないので、その詳細な図示と説明を省略する。
【０００５】
カソードの形状は、ビームの位置調整を容易にするため、通常は円形のものが採用されている。電子銃１から放出された電子ビーム６は、第１のレンズ４によりトリムアパーチャ２上に集光される。この集光された部分はクロスオーバと呼ばれ、ビーム強度プロファイルはほぼＧＡＵＳＳ分布になっている。通常は、トリムアパーチャ２によりクロスオーバにおけるビームの半分程度が遮蔽される。
【０００６】
トリムアパーチャ２を透過したビームは、第２のレンズ５によりシェーピングアパーチャ３にほぼ垂直になるよう集光される。このときカソードの結像面８は、シェーピングアパーチャ３から数ｍｍ以上、上方向又は下方向に離れるように設計されている。カソードの結像面８がシェーピングアパーチャ３上に来ないよう設計されているのは、カソード面上の微小なキズや結晶欠陥がシェーピングアパーチャ３の位置に結像されるのを防ぐためである。
【０００７】
すなわち、シェーピングアパーチャ３は照明されるレチクルと共役な位置に置かれるので、シェーピングアパーチャ３の位置にカソードの面が結像されるようにすると、カソード面上の微小なキズや結晶欠陥が照明されるレチクルの面に結像され、照明ムラとなるので、これを防ぐためである。
【０００８】
Ｂはシェーピングアパーチャ３を紙面上側から見た場合のカソード像Ｂ１、シェーピングアパーチャ３の開口Ｂ２を表している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の照明光学系の欠点は、エミッション電流の利用効率（＝露光に利用される電流／エミッション電流）が極端に悪いということである。例えば、従来のＥＰＬ方式以外の電子ビーム露光装置においては、利用効率は１％以下であり、利用効率を改善したといわれるＥＰＬ方式においてさえ、利用効率は数％を達成している程度であった。
【００１０】
利用効率が悪いと、エミッション電流として１０００μＡ以上のエミッション電流を流さざるを得ない。しかしながら、ＥＰＬ方式では加速電圧が１００ｋＶと高いため、数１０００μＡの電流を取り、且つ放電せずに安定して動作する電子銃を製作することは非常に困難であった。又、エミッション電流が数１０００μＡの場合には、数１００Ｗの熱が発生し、この熱を管理・制御するための冷却機構も大規模にならざるを得ない。
【００１１】
更にＨｏｌｌｏｗ Ｂｅａｍ方式を採用する場合は、５０００μＡを越えるエミッション電流を流すことになるが、この場合にはＢＯＥＲＳＣＨ効果として知られている電子ビームの異常エネルギー分散が無視できない程度に増大し、Ｈｏｌｌｏｗ Ｂｅａｍで分解能を改善する効果が相殺されかねない。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、効率よく大電流を発生することができ、かつ、それを効率よく使用することができる電子線照明光学系及びそれを使用した荷電子線露光装置を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、温度制限領域で動作する電子銃と、当該電子銃より下流に設けられたビームの開き角を制限するためのトリムアパーチャ、ビームの視野を制限する矩形のシェーピングアパーチャと、前記電子銃と前記トリムアパーチャの間に設けられ、ビームのクロスオーバをトリムアパーチャ上に形成する第１のレンズと、前記トリムアパーチャと前記シェーピングアパーチャの間に設けられ、前記電子銃のカソード像位置を調整する第２のレンズとを有する電子線照明光学系であって、前記電子銃の電子放出領域の形が矩形をなし、かつ、前記トリムアパーチャ位置に、前記矩形の電子放出領域のシェーピングアパーチャ上への投影像の回転方向を可変に制御する回転レンズが設られていることを特徴とする電子線照明光学系（請求項１）である。
【００１４】
本手段においては、電子銃の電子放出領域の形が矩形をなしているので、従来の円形の電子放出領域を有する電子銃を電子源とした電子線照明光学系に比して、シェーピングアパーチャによって遮蔽される電子線の量を少なくすることができる。とくに、この矩形の形を、シェーピングアパーチャの開口とほぼ相似としておくようにすれば、シェーピングアパーチャ位置における電子放出領域の像を、ほぼシェーピングアパーチャの開口と同じ大きさにすることができ、遮蔽される電子線の量を特に少なくすることができる。
【００１５】
空間電荷制限領域で動作している電子銃では、ほぼ矩形の像をシェービングアパーチャ上に結像させることは難しいため、本発明では、温度制限領域で動作する電子銃を用いる。
【００１６】
この場合、シェーピングアパーチャの位置における電子放出領域の像とシェーピングアパーチャの開口との間に角度のずれがあると、電子放出領域の像の端面の一部がシェーピングアパーチャの開口内に入ってしまい、シェーピングアパーチャが機能しなくなることがある。これを防ぐために像の大きさを多きくすると、シェーピングアパーチャで遮られる電子線の量が多くなるという問題が発生する。
【００１７】
本手段においては、トリムアパーチャ位置に、矩形の電子放出領域のシェーピングアパーチャ上への投影像の回転方向を可変に制御する回転レンズが設られているので、この回転レンズにより、電子放出領域の像の方向とシェーピングアパーチャの開口の方向とを合わせることができ、これにより、シェーピングアパーチャで遮られる電子線の量を少なくして、電子線の有効利用を図ることができる。さらに、光学鏡筒の熱負荷が低減し、且つ電子銃の放電に対する安定性も向上するという副次的な効果を期待することができる。
【００１８】
回転レンズをトリムアパーチャ位置に設けているのは、トリムアパーチャより下流のクロスオーバの位置・大きさに影響を与えず、シェーピングアパーチャ上でのカソード像の回転調整ができるようにするためである。すなわち、クロスオーバの位置、大きさが変わると、開き角が変わるという問題が生じるので、これを防止するためである。
【００１９】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記カソード上の矩形の電子放出領域は、当該矩形領域外にカソード材質よりも仕事関数の高い物質をコートして作成するか、又は矩形領域外の単結晶表面を荒らすことによって形成されていることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００２０】
前記第１の手段においては、要するに電子銃から放出される電子ビームの形状を矩形にすることが必要とされる。矩形の電子ビームを作る最も簡単な方法は、カソード自体を矩形にするか、カソードの前面に矩形のマスク（厚さ数１００μｍ以上）を置くことである。しかしながらこれらのうち前者の方法では、電子放出面内の温度一様性が劣化し、その結果、矩形領域内の電流密度が大きく変動することになる。後者の方法では、カソード近傍の静電場までが乱されることになり、その結果幾何収差が増大しエミッタンスが低減してしまう。これらの結果、このような方法では矩形ビームを達成できたとしても、必要な大きさよりも大きな電子ビームとし、エッジ部をシェーピングアパーチャでカットして使用せざるを得ず、電子ビームの使用効率が低下する可能性がある。
【００２１】
本手段においては、矩形の電子放出領域が、当該矩形領域外にカソード材質よりも仕事関数の高い物質をコートして作成するか、又は矩形領域外の単結晶表面を荒らすことによって形成されているので、カソードの周囲の部分をも加熱した場合でも、仕事関数の高い物質がコートされている部分や、単結晶表面が荒らされている部分からは電子が放出されない。よって、照明の一様性を保ちながら、電子放出面を矩形にでき、矩形の電子ビームを形成することができる。
【００２２】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記矩形領域の大きさは、前記シェーピングアパーチャ上への投影像の大きさが、シェーピングアパーチャの開口より５〜３０％大きくなるようにされていることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００２３】
電子線光学系の特性によっては、シェーピングアパーチャ位置に形成される電子放出領域の像の位置が変動したり、回転したりすることがある。このような場合に、電子放出領域の像の端部がシェーピングアパーチャの開口内に入ると、シェーピングアパーチャの役割が果たせなくなる。実際の電子線照明装置においては、電子放出領域の矩形の大きさを、シェーピングアパーチャ上への投影像の大きさが、シェーピングアパーチャより５％以上大きくなる（対応する辺同士の比較において）ようにしておくことにより、シェーピングアパーチャ位置に形成される電子放出領域の像の位置が変動したり、回転したりすることが発生しても、電子放出領域の像の端部がシェーピングアパーチャの開口内に入ることが防止できる。ただし、あまり大きくするとシェーピングアパーチャで遮蔽される電子線が多くなり効率が低下する。よって、本手段においては、電子放出領域の矩形の大きさを、シェーピングアパーチャ上への投影像の大きさが、シェーピングアパーチャより３０％を超えて大きく（対応する辺同士の比較において）ならないようにしている。
【００２４】
前記課題を解決する第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記カソード像の結像位置はシェーピングアパーチャ上での開き角によるボケ（ｂｌｕｒ）が、１０μｍから１００μｍ程度となる位置とされ、前記電子銃のカソード領域の機械的な回転方向は、前記回転レンズに一方向の電流を流した際に、カソード像の結像位置が前記シェーピングアパーチャから遠ざかる方向に移動しながら、前記カソード像と前記シェーピングアパーチャの開口の方向が合うよう設定されていることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００２５】
本手段においては、カソード像の結像位置はシェーピングアパーチャ上での開き角によるボケ（ｂｌｕｒ）が、１０μｎｍから１００μｎｍ程度となる位置とされている。カソード面上には、その加工の際、μｍのオーダの幅を有する疵や欠陥が残るが、開き角によるボケを１０μｍ以上とすることにより、これらの疵や欠陥の像がレチクル面に形成されて照明むらを発生させることを防止することができる。また、このボケが１００μｍを超えると、レチクルパターンの露光転写精度に影響を及ぼすので、１００μｍ以下に限定する。
【００２６】
また、カソード像とシェーピングアパーチャの開口の方向を回転レンズで合わせるとき、回転量に対応してカソード像の結像位置が光軸方向に移動する。この移動に伴って、カソード像の結像位置がシェーピングアパーチャ位置に近づき、その結果、シェーピングアパーチャ上での開き角によるボケ（ｂｌｕｒ）が、１０μｍ未満となると、前述のように、カソード面の疵や欠陥の像がレチクル面に形成されて照明むらを発生させる。
【００２７】
よって、本手段においては、回転レンズによる調整の方向を、回転量に対応してカソード像の結像位置がシェーピングアパーチャ位置から遠ざかる方向とする。すなわち、回転レンズによる補正をかけない状態で、カソード像の結像位置がシェーピングアパーチャ上での開き角によるボケ（ｂｌｕｒ）が、１０μｍ以上となるような状態であり、かつ、電子銃のカソード領域を少し回転させておき、回転レンズによる補正をかけない状態では、カソード像とシェーピングアパーチャの開口の回転方向がずれているような状態となるように、カソード領域の機械的な回転方向を決めておく。すると、使用状態において、カソード像とシェーピングアパーチャの開口の方向が合うように回転レンズを調整すると、カソード像の結像位置は、初期状態から遠ざかるような状態でカソード像とシェーピングアパーチャの方向が合う。よって、カソード像の結像位置がシェーピングアパーチャ位置に近づいて、カソード面の疵や欠陥の像がレチクル面に形成されて照明むらを発生させることが防止できる。
【００２８】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかである電子線照明光学系を有することを特徴とする電子線露光装置（請求項５）である。
【００２９】
本手段においては、前記第１の手段から第４の手段のいずれかである電子線照明光学系を有するので、それぞれこれらの各手段が有する作用効果を奏することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態であるＥＰＬの照明光学系の概要を示す図である。電子銃１から放出された電子ビーム６は、第１のレンズ４によりトリムアパーチャ２上に集光される。この集光された部分はクロスオーバと呼ばれ、ビーム強度プロファイルはほぼＧＡＵＳＳ分布になっている。通常は、トリムアパーチャ２によりクロスオーバでのビームの半分程度が遮蔽される。
【００３１】
トリムアパーチャ２を透過したビームは、第２のレンズ５によりシェーピングアパーチャ３にほぼ垂直になるよう集光される。このときカソードの結像面８は、シェーピングアパーチャ３から数ｍｍ以上、上方向又は下方向に離れるように設計されている。カソードの結像面８がシェーピングアパーチャ３上に来ないよう設計されているのは、カソード面上の微小なキズや結晶欠陥がシェーピングアパーチャ３の位置に結像されるのを防ぐためである。
【００３２】
すなわち、シェーピングアパーチャ３は照明されるレチクルと共役な位置に置かれるので、シェーピングアパーチャ３の位置にカソードの面が結像されるようにすると、カソード面上の微小なキズや結晶欠陥が照明されるレチクルの面に結像され、照明ムラとなるので、これを防ぐためである。
【００３３】
図１において、Ａは電子銃１のカソード面を紙面下側から見た図を表し、Ａ２が正方形のエミッション面（電子放出領域）を表している。Ａ２以外の部分は、カソード材質より仕事関数の高い金属でコートするか、又は表面を細かく荒らしてＡ２の面より仕事関数の高い面が露出するよう加工されている。表面を荒らす場合には、カソードとして使用する物質は単結晶で且つカソード面はその単結晶の方位面のうちでも、最も仕事関数の低い面でなければならない。
【００３４】
なお、電子銃は、通常カソード面から放出される電子をウェネルト電極で引き出し、それをアノードに印加される加速電圧で加速して電子を放出するように構成されているが、周知のものであり、本発明と直接の関係がないので、その詳細な図示と説明を省略する。
【００３５】
図１におけるＢは、シェーピングアパーチャ３部におけるカソード１面の電子放出領域Ａ２の投影像Ｂ１とのシェーピングアパーチャ３の開口Ｂ２の関係を示す図である。
【００３６】
この場合において、シェーピングアパーチャの開口Ｂ２は正方形をしており、カソード面の電子放出領域Ａ２の大きさは、無駄電流を減少させるために、そのシェーピングアパーチャへの投影像Ｂ１の一辺がシェーピングアパーチャの開口Ｂ２の一辺の長さの１．０５〜１．３倍の大きさになるように設定されている。
【００３７】
電子放出領域Ａ２のシェーピングアパーチャ３への投影像Ｂ１は、通常は投影レンズ４、５の作用により回転することになる。カソードを電子銃１に組み込む際には、電子放出領域の投影像Ｂ１が開口Ｂ２となるべく同じ方向を向くように調整されているが、それでも、各種誤差によりＢ１はＢ２に対して数度回転してしまうことは避け難い。そこで、本実施の形態では電子放出領域の投影像Ｂ１の回転調整をするためにトリムアパーチャ位置に回転レンズ９を設けている。この回転レンズ９により、トリムアパーチャ７より下流のクロスオーバの位置・大きさに影響を与えず、シェーピングアパーチャ３上での電子放出領域の投影像Ｂ１の回転調整ができるようになる。
【００３８】
本実施の形態においては、電子放出領域Ａ２の結像位置８はシェーピングアパーチャ３上での開き角に起因するボケが、１０μｍから１００μｍ程度となるような位置になるよう設定され、カソードの機械的な回転方向設定は、電子放出領域の投影像Ｂ１と開口Ｂ２との方向を一致させるために、回転レンズ９に電流を流した際に、電子放出領域の投影像Ｂ１の結像位置が前記シェーピングアパーチャ３から遠ざかる方向に移動しながら方向が合うよう設定されている。
【００３９】
このようにすることにより、電子放出領域の投影像Ｂ１の回転調整の結果、電子放出領域Ａ２の像の形成位置がシェーピングアパーチャ３に近づいて、ボケが１０μｍ未満となることが防止される。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態の１例である電子線露光装置の光学系の概要図である。図２おいて、図１に示されたものと同じ構成要素には同じ符号を付している。図２において、１は電子線源、４、５、１２は照明用レンズ、２はトリムアパーチャ、３はシェーピングアパーチャ、１５はマスク、１６は投影用レンズ、１７はコントラストアパーチャ、１８はウエハ、９は回転レンズである。
【００４１】
電子線源１から放出された電子線は、照明用レンズ４、５、１２によりマスク１５上を均一に照明する。マスク１５上に形成されたパターンの像は、投影用レンズ１６によりウエハ１８上に結像し、ウエハ１８上のレジストを感光させる。開口角を制限するためにトリムアパーチャ２が設けられており、散乱線をカットするためにコントラストアパーチャ１７が設けられている。これらの構成は従来の電子線露光装置と同じである。
【００４２】
本実施の形態においては、電子線源１、照明用レンズ４、５、１２、トリムアパーチャ２、シェーピングアパーチャ３で形成される電子線照明光学系に、回転レンズ９が設けられ、この照明光学系は、図１の説明で説明したような機能を発揮する。よって、図１の説明で述べたような効果を奏することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、効率よく大電流を発生することができ、かつ、それを効率よく使用することができる電子線照明光学系及びそれを使用した荷電子線露光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態であるＥＰＬの照明光学系の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の１例である電子線露光装置の光学系の概要図である。
【図３】従来の代表的なＥＰＬの照明光学系の概要を示す図である。
【符号の説明】
１：カソード、２：トリムアパーチャ、３：シェーピングアパーチャ、４：第１照明用レンズ、５：第２照明用レンズ、６：電子ビーム、７：クロスオーバ、８：カソードの結像面、９：回転レンズ、１１：電子線源、１２：照明用レンズ、１５：マスク、１６：投影用レンズ、１７：コントラストアパーチャ、１８：ウエハ、

Claims (5)

1. 温度制限領域で動作する電子銃と、当該電子銃より下流に設けられたビームの開き角を制限するためのトリムアパーチャ、ビームの視野を制限する矩形のシェーピングアパーチャと、前記電子銃と前記トリムアパーチャの間に設けられ、ビームのクロスオーバをトリムアパーチャ上に形成する第１のレンズと、前記トリムアパーチャと前記シェーピングアパーチャの間に設けられ、前記電子銃のカソード像位置を調整する第２のレンズとを有する電子線照明光学系であって、前記電子銃の電子放出領域の形が矩形をなし、かつ、前記トリムアパーチャ位置に、前記矩形の電子放出領域のシェーピングアパーチャ上への投影像の回転方向を可変に制御する回転レンズが設られていることを特徴とする電子線照明光学系。
2. 請求項１に記載の電子線照明光学系であって、前記カソード上の矩形の電子放出領域は、当該矩形領域外にカソード材質よりも仕事関数の高い物質をコートして作成するか、又は矩形領域外の単結晶表面を荒らすことによって形成されていることを特徴とする電子線照明光学系。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電子線照明光学系であって、前記矩形領域の大きさは、前記シェーピングアパーチャ上への投影像の大きさが、シェーピングアパーチャの開口より５〜３０％大きくなるようにされていることを特徴とする電子線照明光学系。
4. 請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の電子線照明光学系であって、前記カソード像の結像位置はシェーピングアパーチャ上での開き角によるボケ（ｂｌｕｒ）が、１０μｍから１００μｍ程度となる位置とされ、前記電子銃のカソード領域の機械的な回転方向は、前記回転レンズに一方向の電流を流した際に、カソード像の結像位置が前記シェーピングアパーチャから遠ざかる方向に移動しながら、前記カソード像と前記シェーピングアパーチャの開口の方向が合うよう設定されていることを特徴とする電子線照明光学系。
5. 請求項１から請求項４のうち、いずれか１項に記載の電子線照明光学系を有することを特徴とする電子線露光装置。

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