JP2004349118A - 電子ビーム加工機の終点検出方法とその機能を備えた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、電子ビームを用いたエッチング加工において、熟練したスキルを必要とすることなく、チャージアップの影響を受けることなく、低加速電圧でも加工の終点を確実に検出することができる方法並びにその機能を備えた装置を提供することにある。
【解決手段】電子ビーム加工機において、電子ビームが照射される試料面近傍に加工に、低加速電圧の電子ビーム照射でも発生するＸ線を検出可能なＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｅｄｇｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｅｎｏｒ（ＴＥＳ）を配置し、電子ビームの走査に同期してＸ線を検出し、注目した元素の信号の有無または該信号の大小で二次元的に終点検出を行う方法を採用した。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子ビーム加工機におけるエッチング加工の終点を検出する方法、特にマスク修正に適した方法とその機能を備えた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今までリソグラフに用いられるマスクの修正や半導体デバイス等、試料の特定領域を微細加工する際には、エッチングレートやデポジションレートの大きいイオンビーム加工機（特に液体金属Ｇａをイオン源とした集束イオンビーム［ＦＩＢ］装置）が用いられてきたが、イオン照射による試料面のダメージや試料内へのイオンの注入を嫌うアプリケーション（例えば、Ｆ ｒｏｎｔ Ｅｎｄの配線変更、Ｆ２（露光波長が１５７ｎｍ）用フォトマスクの欠陥修正やＥＵＶＬ（極短紫外光）用のマスクの欠陥修正）にはイオンビームを使用しない電子ビームによる加工に対する要望が高まっている。この電子ビームをエネルギービームとして用いたＣＶＤやガスアシストエッチング技術は、特許文献１（特開平４−１２５６４２号公報）に記載され、位相シフト用フォトマスクの透明膜に生じた欠陥を精度よく修正することを目的として、フォトマスクの主面にＣＶＤ用のガスを吸着せしめた後、欠陥領域にエネルギービームを選択的に照射することによって欠陥領域に修正膜を堆積する技術が示されている。また、フォトマスクの主面にエッチング用のガスを吸着せしめた後、欠陥領域にエネルギービームを選択的に照射することによって欠陥領域をエッチングすることが示され、位相シフト用フォトマスクの主面に透明膜を形成することを目的として、フォトマスク主面の透過領域の一部にエネルギービームを選択的に照射することによって透明膜を堆積させることが開示されている。
【０００３】
ところで、エッチング加工においてその終点検出は高品位な加工を実現するためには必要不可欠な情報である。ＦＩＢを用いた加工の場合は二次イオンの検出が可能であり、その場合にはイオンの種類を判別することによって容易に終点検知ができるのであるが、二次電子の場合には照射された材質の識別ができない。例えばガラス基板上にパターンが形成されたマスクにおける黒欠陥を除去する修正加工において、それがＦＩＢ加工である場合にはガラス面が露出したときには検出二次イオン中にクロムのようなマスク材が存在しなくなることをもって欠陥が除去されたことが判別できる。しかし、電子ビームを用いたエッチングの場合には検出するものが二次電子であることからその判別ができない。電子ビームを用いたエッチングにおける終点検出には二次電子の材質コントラスト差を利用する方法が採られているが、材料選択性に乏しい材料の二次電子検出情報からこれを判別することはなかなか困難であり、特に未修練者には難しい作業である。また、導電性の低い試料の場合には電子照射によるチャージアップの影響を受けるため終点検出を困難にしている。
また、電子ビーム加工機では、加速電圧が低い方が加工効率も良く、また導電性の低い試料にも適応できるため、１ｋＶ程度の低加速電圧で使われている。１ｋＶ程度の低加速電圧でも良好な結果が得られる終点検出方法が求められているところである。
【０００４】
特許文献２（特開２００２−３６７１２１）には、薄膜ヘッドＧＭＲ素子両側に微細なトラック幅寸法で電気的分割されたリードを形成するに当たり、微細トラック部限定で電子ビーム描画、エッチングし、リードの外形部は通常露光、エッチングする方法を用い、電子ビーム描画部のエッチング終点確認のため、ＧＭＲ素子以外の部分に下地がＡｌＴｉＣ基板上の終点検出ランドを設け、微細トラック部エッチングの際、終点検出ランドの下地ＡｌＴｉＣ基板の露出で終点を検出する技術が開示されている。具体的には図４に示すようにＧＭＲ素子両側に電子ビーム描画とエッチングにて微細なトラック幅寸法で電気的分割されたリード電極▲４▼を形成する際に、ＧＭＲ層▲２▼以外の部分に下地ＡｌＴｉＣ基板▲１▼の終点検出ランド▲６▼を設け、光学顕微鏡にて下地ＡｌＴｉＣ基板１の露出を確認することでエッチングの終点を検出するものである。すなわち光学顕微鏡を用いてオペレータの目で確認しながら終点検知をするものであるから、作業には熟練したスキルが求められる上、終点の判定にも時間がかかるため効率的ではなかった。なお、図中１ａはシールド層、１ｂはギャップ層、▲３▼は永久磁区制御層、▲５▼はエッチングマスクとなるレジストマスクである。
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１２５６４２号公報「フォトマスク欠陥修正方法」平成４年４月２７日公開 公報２頁右上欄１３行〜右下欄５行
【特許文献２】特開２００２−３６７１２１号公報「薄膜磁気ヘッド及びその製造方法」平成１４年１２月２０日公開，要約書，図１
【非特許文献１】「陽極接合ウエハーを用いたＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｅｄｇｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｅｎｓｏｒ」電気学会論文誌Ｅ 日本電気学会 平成１４年１１月発行 Ｖｏｌ．１２２−Ｅ ５１７−５２２頁
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、電子ビームを用いたエッチング加工において、熟練したスキルを必要とすることなく、チャージアップの影響を受けることなく、低加速電圧でも加工の終点を確実に検出することができる方法並びにその機能を備えた装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
電子ビーム加工機において、電子ビームが照射される試料面近傍に、低加速電圧の電子ビーム照射でも、発生するＸ線を検出可能なＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｅｄｇｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｅｎｏｒ（ＴＥＳ）を配置し、電子ビームの走査に同期してＸ線を検出し、注目した元素の信号の有無または該信号の大小で二次元的に終点検出を行う方法を採用した。
また、その機能を備える装置は、電子ビームが照射される試料面近傍に配置したＴＥＳと、電子ビームの走査に同期して前記ＴＥＳの検出信号を二次元情報として取り込む手段と、注目した元素に対応した信号の有無またはレベルから加工の終点を判定する手段とからなる電子ビーム加工機とし、更に必要に応じて走査位置に対応させて終点に達したところはビーム照射せず、達していない部分の加工を続ける機能を備えるようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は前述したように、電子ビームを用いたエッチング加工において、複雑な検出手段を備えることなく、チャージアップの影響を受けることなく、低加速電圧でも加工の終点を確実に検出することができる方法並びにその機能を備えた装置を提供することにある。前述した従来の方法の他に、例えばオージェ電子を検出する方法や蛍光Ｘ線分光分析法の一つであるＥｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（ＥＤＳ；ＥＤＸともいう）といった手法の採用が考えられる。前者の場合、大きな分析器を使用する必要があるので、スペースが限られている装置における配置が問題になる。また、感度が低いため長時間の測定か大プローブ電流の測定が必要になる。大電流を使うと導電性の低い試料だとチャージアップやそれに起因してクーロン力が作用しビームの照射位置がずれる所謂ドリフトが発生するといった問題を伴う。また後者を採用した場合、測定に１０ｋＶ程度の高加速電圧が必要となること。加速電圧変更時に軸ずれが発生し調整が必要となること。また、加速電圧が高いときにはＸ線の広がりが大きいため、微小領域の分析ができないことと、導電性の低い試料だとこの方式でもチャージアップやドリフトの問題が発生する等の短所がある。
【０００９】
そこで本発明者が提案する検出方法は、近年検出器１個で広エネルギー帯を測定することができ、かつ蛍光Ｘ線分光分析法の一つであるＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（ＷＤＳ）と同程度のエネルギー分解能を有するＸ線検出器として注目されているＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｅｄｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ（ＴＥＳ）を採用するものである。
このＴＥＳについては非特許文献１に示されており、その従来ＴＥＳの構造は、図２に示すように厚さが０．２μｍ〜１μｍのＳｉＮｘ薄膜（メンブレン）の上に、Ｘ線を吸収するための吸収体２１と、吸収体２１内の発熱に伴う温度変化により抵抗値を変化させる温度計２２と、吸収体２１と温度計２２で発生した熱がヒートシンクヘ流れる熱量を制限するために用いられるメンブレン２４から構成されている。メンブレン２４は、シリコン基板を裏面からエッチングして作製されており、メンブレン下部は空洞となっている。
【００１０】
図３は、ＴＥＳの動作原理を示した模式図である。温度計２２とヒートシンク２５はメンブレンで熱的に接続され、熱コンダクタンスはＧで与えられる。温度計２２は、転移温度（常伝導から超伝導へ転移する温度）で急峻な抵抗変化を示す超伝導体が用いられる。ヒートシンク２５の温度はＴＥＳの転移温度より十分低く設定される。ＴＥＳの温度を転移温度（Ｔ）に調整するために、温度計には常に一定の電圧（Ｖｂ）が印加され、温度計２２で発生するジュール熱（Ｐｊ）が、メンブレンを伝わりヒートシンクヘ２５と逃げる熱と平衡状態に保たれている。転移温度にＴＥＳの動作点を保持させた状態で、外部からＸ線が照射されると吸収体２１で熱が発生する。吸収体２１で発生した熱により、温度計２２の温度が増加する。微小温度の増加がＴＥＳで発生すると、ＴＥＳの抵抗値が増加する。ＴＥＳは定電圧で駆動されており、抵抗の増加によりＴＥＳに流れる電流が減少し、温度計に発生するジュール熱が減少する。電流変化の大きさが入射したＸ線のエネルギーに比例する。Ｘ線の吸収により発生した熱は、ジュール熱の回復に用いられ、急速にもとの定常状態へと回復する（電熱フィードバック）。温度に対する抵抗変化は感度α≡ｄｌｎＲ／ｄｌｎＴで与えられ、温度計２２に半導体を用いた場合（α＝−３）と比較し、例えばα＝１００へと改善可能である。Ｘ線スペクトラムのエネルギー分解能は、式（１）で与えられる。
（数１）
ΔＥ＝２．３５５√４ｋ_ｂＴ^２Ｃ（１／α）√ｎ／２） ………………（１）
ここで、ｋ_ｂはボルツマン定数、ＣはＴＥＳの比熱、ｎは熱的抵抗に起因する因子であり、１００ｍＫの場合ｎ＝４で与えられる。ＴＥＳで用いられる吸収体や温度計は金属であり、極低温（１００ｍＫ）では比熱は１ｐＪ／Ｋ程度にすることができる。感度αが１００の場合式（１）から、エネルギー分解能を１ｅＶ程度に設計することが可能である。この値はシリコン検出器の１３０ｅＶに対して２桁優れている。また、Ｘ線パルスの時定数：τ_ｅｆｆは式（２）で与えられ、電熱フィードバックがない（α＝０）場合と比較し時定数が小さくなる。
（数２）
τ_ｅｆｆ ＝ τ_０ ／（１＋α／ｎ）……………… （２）
ここで τ_０＝Ｃ／Ｇであり、Ｇはメンブレンの熱伝導度を表す。
また、計数率は１秒あたりにカウントできるパルス数（ｃｏｕｎｔ ｐｅｒ ｓｅｃ．；ｃｐｓ）であり、１／６τ_ｅｆｆで定義される。
【００１１】
本発明では、このようなＴＥＳを図１に示すように電子ビーム加工機の電子ビームが照射される試料面近傍に配置し、電子ビームを受けて放射されるＸ線を検出し、Ｘ線を放出した物質を判別する。図中１は電子源、２は電子ビーム、３はコンデンサレンズ、４は対物レンズ、５は偏向系、１６は二次電子１７を検出する二次電子検出器である。６は試料７を載置するステージで、図示されていない駆動機構によって三次元位置姿勢が調整される。８はエッチングまたはデポジション用のガス導入系で、９はエッチング用ガス、１０はデポジション用ガスの容器である。以上の構成は従来の電子ビーム加工機の構成と異なるところはない。本発明に特異の構成は電子ビームが照射される試料面近傍に配置されたＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｅｄｇｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｅｎｓｏｒ（ＴＥＳ）１１であり、１２の冷凍機と１３の熱シールドそして１４の窓材という構成である。
ガスアシストエッチングによって加工を行う途中、ガス噴射を止めて作業を中断し、加工部分に加工時より走査速度を落として電子ビーム２を照射して試料から蛍光Ｘ線１５を放射させる。放射された蛍光Ｘ線１５は試料に向けられた窓材１４を通してＴＥＳ１１に吸収され、そのエネルギーを電流値の変化として検出する。電子ビームによって放射されるＸ線のエネルギーレベルはその物質によって異なるため、加工すべき物質（例えばマスク黒欠陥の場合のクロム等）ではなくその下地の物質（基盤ガラス）からの蛍光Ｘ線であるときはすでに加工が終了していることを検知できる。ＴＥＳはエネルギー分解能が高いのでピークが重なって定量できないことも少なく、加工する膜と下地の組み合わせの適用範囲が広い利点がある。また、加速電圧を低くした状態で検出できるため、Ｘ線の広がりを狭く抑えられ微小領域の分析が可能である。導電性の低い試料でもチャージアップやドリフトの問題はほとんど起こらない。検出感度は試料からの距離が短い程よいので、ＴＥＳはできるだけ試料近傍に配置することが望ましい。
【００１２】
ＴＥＳの環境として１Ｋ以下の低温が必要なので、１２の冷凍機と１３の熱シールド装置を配置するものとした。熱シールド板で覆うのは真空保持と熱を流入を防ぐためである。検出されたＸ線のエネルギーレベルからそのＸ線を放出した物質が分かるが、その位置、すなわちその時点の電子ビームの照射位置と対応されることにより、加工が終了した領域を二次元的に把握することが可能である。本発明の実施例においては加工を中断して注目する領域のみ電子ビームの選択走査を行わせ、電子ビームの走査すなわち偏向系５に印加されるＸＹ走査信号に同期してＴＥＳによりＸ線を検出する手段を備えるようにすることで二次元的に加工の進捗を把握できる機能を備えるようにした。注目した元素の信号の有無または設定した閾値と比較する手段を備えるようにし、その結果で二次元的に終点検出を行う。その結果は走査位置と対応させ、終点と判断されたところは次回の加工用の走査では電子ビームを照射せず、終点に達していない個所のみ電子ビームを照射して加工する。この加工は不連続の飛び越し走査制御によって行う方法と、連続走査をしながらビームブランキング制御によって行う方法とがある。本発明の終点検知は加工実施時にプログラム設定をして自動的に行わせることが可能である。加工部分の状態に応じて適宜の時点（例えば加工走査回数で指定）で加工を中断し、エッチングガスの噴射を停止させると共に電子ビームの走査速度や必要に応じて加速電圧を設定しておき、終点検知動作を実行させる。加工が進むに従い測定間隔を短くして実行させるのが合理的である。この測定のための加工中断は加工領域についてＴＥＳ検出情報がとれればよいわけで原理的には１回の走査でよい。しかし、データの信頼性を上げるため数回の走査による検出値を平均して得てもよい。いずれにしても加工の中断は数秒乃至１分以内で行うことができ、従来の終点検出と比べ加工能率の点でも優れている。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の電子ビーム加工機の終点を検知する方法は、電子ビームが照射される試料面近傍にＴＥＳを配置した電子ビーム加工機を用い、エッチングガスの噴射を停止してエッチング加工を中断し、加工領域に電子ビームを照射してそこから放出されるＸ線を前記ＴＥＳによって検出し、注目した元素の信号の有無または該信号の大小で加工が終了したか否かを自動判定するものであるから、熟練したスキルを必要とすることなく加工の終点を確実に検出することができる。また、この方法は低加速電圧下で測定できるため、Ｘ線の広がりを抑えて位置分解能が高く、試料が導電性の低い材質であってもチャージアップの影響を受けることなく、ドリフトの問題もない。
【００１４】
本発明の電子ビーム加工機は、電子ビームが照射される試料面近傍に配置したＴＥＳと、電子ビームの走査に同期して前記ＴＥＳの検出信号を二次元情報として取り込む手段と、前記ＴＥＳの検出信号を基に注目した元素に対応した信号の有無またはレベルから加工の終点を判定する手段とからなるものであるから、熟練したスキルを必要とすることなくこの装置の使用により加工の終点を確実に検出して所望の加工を実行することができる。また、この装置によれば低加速電圧下で測定できるため、Ｘ線の広がりを抑えて位置分解能が高く、試料が導電性の低い材質であってもチャージアップの影響を受けることなく、ドリフトの問題もない。そして、ＴＥＳの背面に熱シールドを介して冷却器を設置した構成を採用した本発明の電子ビーム加工機は、ＴＥＳのＸ線検出動作を安定確実なものとすることができる。
【００１５】
更に、二次元情報として得たＴＥＭ検出情報に基づき終点に達した部分は電子ビームを飛び越し走査またはブランキング手段によって加工しないようにして終点に達していない部分のみを次回の加工領域として加工する手段を備えた本発明の電子ビーム加工機は、終点検出測定の結果を装置自体が自動的に把握して必要な加工を続けるので、未修練者にも容易にエッチング加工を行うことができる。また、加工途中に加工を中断して終点検出動作を設定プログラムに従って自動的に行う機能を備えた電子ビーム加工機は、加工の中断や終点検出をオペレータの操作で行う必要が無く、スキルを持たない未修練者にも容易に加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子ビーム加工機の基本構成を示す図である。
【図２】本発明に使用されるＴＥＳの基本構造を示す図である。
【図３】ＴＥＳによるＸ線分光分析の原理を説明する図である。
【図４】従来の電子ビーム加工機における加工終点検知技術を説明する図である。
【符号の説明】
１ 電子源
２ 電子ビーム
３ コンデンサレンズ
４ 対物レンズ
５ 偏向系
６ ステージ
７ 試料
８ エッチングまたはデポジション用のガス導入系
９ エッチング用ガス
１０ デポジション用ガス
１１ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｅｄｇｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｅｎｓｏｒ
１２ 冷凍機
１３ 熱シールド
１４ 窓材
１５ 試料から発生したＸ線
１６ 二次電子検出器
１７ 二次電子

Claims (6)

1. 電子ビームが照射される試料面近傍にＴＥＳを配置した電子ビーム加工機において、エッチングガスの噴射を停止して加工を中断し、加工領域に電子ビームを照射してそこから放出されるＸ線を前記ＴＥＳによって検出し、注目した元素の信号の有無または該信号の大小でエッチング加工の終点を検知する方法。
2. 電子ビームが照射される試料面近傍に配置したＴＥＳと、電子ビームの走査に同期して前記ＴＥＳの検出信号を二次元情報として取り込む手段と、前記ＴＥＳの検出信号を基に注目した元素に対応した信号の有無またはレベルから加工の終点を判定する手段とからなる電子ビーム加工機。
3. ＴＥＳの背面には熱シールドを介して冷却器が設置されている請求項２に記載の電子ビーム加工機。
4. 二次元情報として得たＴＥＳ検出情報に基づき終点に達していない部分のみを次回の加工領域として加工する手段を備えた請求項２または３に記載の電子ビーム加工機。
5. 終点に達した部分は電子ビームを飛び越し走査またはブランキング手段によって加工しないようにしたものである請求項４に記載の電子ビーム加工機。
6. 加工途中に加工を中断して終点検出動作を設定プログラムに従って自動的に行う機能を備えた請求項２乃至５のいずれかに記載の電子ビーム加工機。

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