JP2005019200A - 電子線装置及び該電子線装置を用いた電子線描画装置 - Google Patents
電子線装置及び該電子線装置を用いた電子線描画装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】電子銃を、半球状のカソード1並びに其々光軸上にアパーチャ9、7、11を有する第二のバイアス電極8、第一のバイアス電極6及びアノード10をこの順序で配置して構成し、かつ第一及び第二のバイアス電極に印加する電位を可変制御するバイアス制御手段を設ける。バイアス制御手段は、例えば第一及び第二のバイアス電極カソードとの相対電位の和を略一定とする。さらに、必要に応じて、一つあるいは複数の第三のバイアス電極を第一のバイアス電極と第二のバイアス電極との間に設ける。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子銃とそのバイアス電極電位を制御するバイアス制御回路とを含む電子線装置、ならびにこの電子線装置を用いた電子線描画装置に関し、特に4Gビット以上の記憶容量を有するDRAMなどの半導体デバイスのリソグラフィ工程において、高スループット、高精度を実現できるマルチビーム描画装置等に使用して好適な電子線装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子線描画装置は、DRAMやMPU等の半導体デバイスの原版であるマスクを作成するために長く用いられてきた。近年、その解像力の高さから微細化が進む半導体製造プロセスのなかで、リソグラフィ工程で用いられる露光装置への応用がなされている。現在、4GビットDRAM以降のデザインルールに適用可能な装置として、電子銃から放出される電子ビームを収束させて、その収束位置を偏向器、電磁レンズ等で制御して半導体基板上に描画する、所謂直接描画タイプの電子線露光装置が考案されている。
【0003】
しかしながら、半導体デバイスの量産プロセスに、これらの装置を適用するには幾つかの問題点がある。そのなかで最も重要なものは描画速度であり、所謂マスク描画機の数十倍〜数百倍の高スループットが要求される。この問題を解決する一手段として、電子銃から放出される電子ビームを複数本に分割して、例えば電子ビームを数千本に分割してマトリックス状に並べ、各々のビームで同時にパターンを描画するマルチビーム方式の電子線描画装置がある。この装置は複数の電子ビームでより広い視野に同時にパターンを描画するので、スループットを飛躍的に向上させることができる。
【0004】
このような装置、すなわち、より広視野にビーム強度の揃った複数の電子ビームを用いて直接描画するような装置の電子銃に要求される特性は、分割された各電子ビームで直接パターンを描画するために、ある程度高輝度である必要がある。かつ、ひとつの電子ビームから広い視野に渡って複数の電子ビームに分割するのでビームの角度電流密度分布が平坦でなければならず、そのためにはエミッタンスも大きくなければならない。一般に輝度及びエミッタンスは保存量であってそれらの値は光源である電子銃によって決定される。
【0005】
従来の電子線描画装置に使用されている電子銃の基本的な構成は、輝度を高くするために先端を凸形状或いは鋭く尖らせたカソードと、カソードに印加する電圧よりも低い電位を与えられカソードから射出される電子を収束させるためのウェーネルトと、アース電極を持つアノードからなっている。このような三極タイプの電子銃は構造が簡単で扱いやすいので、広く一般に用いられている。しかしながらこうした電子銃は輝度を高くすることに主眼が置かれており、その角度電流密度分布は、広い視野に渡って平坦でなければならいという、上述のような要求を満たすことは非常に困難である。
【0006】
こういった問題を解決するために、例えば特許文献1では、電子放出面が半球状であるカソードと、バイアス電極及びアノードを光軸上に並べた三極構造とし、バイアス電極のアパーチャの中心とカソードの電子放出面の先端との距離をバイアス電極のアパーチャの半径に略同一かそれよりも少し大きくすることで、比較的高い輝度を維持しながら角度電流密度分布を平坦化している。図6はそうした電子銃と一般的な三極構造の電子銃の角度電流密度分布を比較した一例である。同図で101は一般的な三極構造の、102は半球状カソードを用いた電子銃の、其々角度電流密度分布である。これらからわかるように、一般的な三極構造の電子銃に比べて半球状カソードを用いた電子銃は角度電流密度の平坦な部分が広く、この平坦化された部分を光学的な処理過程を経た後に空間分割することにより、先述したような強度の揃った複数の電子ビームを提供することができる。
【0007】
なお、電子銃に関する先行技術としては、他に特許文献2〜4に記載されたものが知られている。
【0008】
【特許文献1】
特開2000−285840号公報
【特許文献2】
特開平9−129166号公報
【特許文献3】
特開平9−180663号公報
【特許文献4】
特開平9−260237号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
実際のリソグラフィにおいて特に精度を重視する場合には、装置諸特性のドリフトを抑制しながら描画すると同時に諸パラメータの分解能を上げておく必要がある。上述電子銃においては角度電流密度分布の平坦な部分のみを使用し、残りの部分は適切な位置で絞り等によって遮蔽することになる。その際、遮蔽された電流が絞りを流れ発熱源となるので、種々の方法で冷却を行い、温度変化を抑制している。一方、この世代の装置に求められる描画精度は、僅かな温度変化による電子光学系の諸性能の変動を許さない状況にある。このため遮蔽される電流の絶対量が少ない方が好ましい。
【0010】
また、パターンの微細化に伴って近接効果補正、エッジ効果補正、形状補正のための補助露光、などパターン描画に際して種々の微調整の精度が重要になっている。例えば、露光エネルギーを細かく調整してパターンや補助パターンを描画し形状精度をさらに向上させる必要がある。この目的を達成するためには描画装置の露光エネルギー量の制御分解能をできるだけ高めておく必要がある。こうした観点から電子銃の輝度は、プロセス等、描画の諸条件に適した輝度に逐次変更設定できることが好ましい。
【0011】
ところで、先述した三極構造の電子銃の輝度調整はアノード電圧やバイアス電圧を微調整して実施する。このうちアノード電圧を調整する方法は最終的に得られる電子のエネルギーが変化するためリソグラフィ装置には適用しにくい。またバイアス電圧を調整する方法では、通常、輝度の変化にともなって角度電流密度分布も変化する。図7は球状カソードを有する三極構造の電子銃において、バイアス電圧V1と角度電流密度分布の関係を示した一例である。同図からわかるように、バイアス電圧V1の変化とともに輝度が変わり、同時に角度電流密度分布も変化して平坦度が変わっているのがわかる。この状況でビームを分割すると、得られる各ビームの強度にバラツキが生じ描画特性を劣化させてしまう。本発明は上記の問題点に着目し、電子銃における電流密度の角度分布特性を維持しながら輝度を変えることのできる電子線装置を提供することを課題とし、さらにその電子線装置を用いた種々の電子線応用装置、特に高スループットの電子線描画装置を提供することをさらなる課題とする。
【0012】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記の課題を達成するために本発明の電子線装置は、電子放出面が半球状であるカソードと、該カソードと対向して配置され光軸上に第一のアパーチャを有するアノードと、前記カソードと前記アノードの間に配置され、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記カソードの電子放出面より大きい第二のアパーチャを光軸上に具備する第一のバイアス電極と、前記第一のバイアス電極から見て前記カソード側に隣合って配置され、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記カソードの電子放出面より大きい第三のアパーチャを光軸上に具備する第二のバイアス電極とを備え、前記カソードの電子放出面の先端が、前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの内径を直径とする球殻上か又は該球殻の外側に配置されてなる電子銃、及び、前記第一のバイアス電極に印加される電位と前記第二のバイアス電極に印加される電位とを可変制御するバイアス制御手段を有することを特徴とする。
【0013】
上記のごとく、本発明では第一のバイアス電極とそれに隣合った第二のバイアス電極を個別独立に制御することで角度電流密度分布を維持しながら輝度を連続的に変えることのできる電子線装置を得ることができる。
【0014】
本発明においては、前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの半径をR1、前記第二のバイアス電極の第三のアパーチャの半径をR2、前記カソードの電子放出面の先端と前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの中心との距離をD1、前記第一バイアス電極の第二のアパーチャの中心と前記第二のバイアス電極の第三のアパーチャの中心との光軸方向の距離をD2としたとき、R1とR2との間に0.8R1≦R2≦1.2R1なる関係をもたせ、かつ前記D1とD2との間に0.8D1≦D2≦1.2D1なる関係をもたせるように構成することが好ましい。これにより、輝度調整における電流密度の角度分布特性の維持性能をさらに高めることができる。
【0015】
また、前述第一のバイアス電極と第二のバイアス電極の形状及び配置において、前記第一のバイアス電極に印加される電位を前記カソードの電位に対する相対電位としてE1、前記第二のバイアス電極に印加される電位を前記カソードの電位に対する相対電位としてE2としたとき、kを正の定数としてE1とE2との間に0.9k≦|E1+E2|≦1.1kなる関係を維持させることが好ましい。これにより、より簡易な制御でかつ電流密度の角度分布特性の維持性能を高めることができる。
【0016】
また、前記第一のバイアス電極と前記第二のバイアス電極の間に、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記カソードの電子放出面より大きいアパーチャを光軸上に具備する一つ又は複数のバイアス電極を順次隣合ってさらに配置させてもよい。これにより、クロスオーバの位置やクロスオーバ径、等の諸特性を調整することが容易になる。
【0017】
さらに、本発明によれば、前述何れかの電子線装置と、前記電子線装置からの電子線を所望の特性を有する露光ビームに加工するための成形系と、前記露光ビームの位置を制御するための偏向系と、前記露光ビームを試料である基板上に収束させ所望のパターンを描画するための投影系とを有する電子線描画装置が得られる。このように前記電子銃の輝度調整時における電流密度の角度分布特性の維持が良好であるという特徴を種々の電子線応用装置に適用することができる。
【0018】
【発明の実施形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は本発明の一実施例に係る電子線装置の構成を示す。同図において、1は電子を放出するカソード、2及び3はカソード1を加熱するためのヒータ、4及び5はカソード1とヒータ2及び3を挟み込んで固定するとともに、カソード1に電位を印加し、かつヒータ2及び3に電流を流すための支持電極、6は第一のバイアス電極、7は第二のアパーチャ、8は第二のバイアス電極、9は第三のアパーチャ、10はカソード1から放出された電子を加速して所望のエネルギーにするためのアノード、11は第一のアパーチャ、12は第四のアパーチャである。13は支持電極4及び5とバイアス電極6を絶縁するための絶縁体、14、15、16及び17はカソード1及び二つのバイアス電極6、8に所望の電位を与えるためのバイアス制御回路、18はバイアス制御回路14、15、16、17を介してカソード1に電位を印加するための高圧電源、19はヒータ2及び3に電流を供給しカソード1を加熱するための加熱電源である。なお、カソード1及び第一のバイアス電極6及び第二のバイアス電極8及びアノード10及びそれらの各アパーチャは電子ビームの光軸を中心軸とする同軸構造である。
【0019】
カソード1は、円柱状の六ホウ化ランタン(LaB6)の単結晶の先端を半球状に加工してある。カソード1の側面は前記円柱の軸を挟んで対称となるように平坦な切り欠きを設け、その切り欠き部分をグラファイトのヒータ2及び3で挟み込み、さらにその外側から支持電極4及び5で挟み込んで固定してある。カソード1には高圧電源18によって、バイアス制御回路14、15、16及び17を介して負の高電位が与えられていて、本例では−50kVである。第一のバイアス電極6及び第二のバイアス電極8は、前記バイアス制御回路によってカソード1に与える電位と同じか、それより低い電位を其々個別に印加できるようにしてある。カソード1はヒータ2、3に加熱電源19から電流を供給することで加熱されると電子を放出する。放出された電子ビーム27は、アノード10によって加速されると同時に、第一のバイアス電極6及び第二のバイアス電極8による電界レンズの効果で収束し、アノード10の第一のアパーチャ11付近でクロスオーバ28を形成する。アノード10の第四のアパーチャ12は制限開口として作用し、電子ビーム27の周辺部分を遮蔽して角度電流密度分布の平坦なビーム中心部分だけが通過するようになっている。
【0020】
図2は、図1の電子線装置におけるカソード1と第一のバイアス電極6、第二のバイアス電極8、及びアノード10との幾何学的配置を示している。同図において、第一のバイアス電極6の第二のアパーチャ7の半径はR1であり、第二のアパーチャの中心とカソード1の電子放出面の先端との距離はD1であり、R1とD1の関係において1.0R1≦D1≦1.5R1の範囲でD1を調整できるようになっている。また、第二のバイアス電極8の第三のアパーチャ9の半径R2は0.8R1≦R2≦1.2R1としたときに特に良好な特性が得られるので、本実施形態ではR1=R2とした。半球状電子放出面の半径rは第一のバイアス電極6の第二のアパーチャ7の半径R1の二分の一以下が望ましいのでr=R1/6とした。第一のバイアス電極6の第二のアパーチャ7の中心と第二のバイアス電極8の第三のアパーチャ9の中心との距離D2は0.8D1≦D2≦1.2D1の範囲で第二のバイアス電極の光軸方向の位置を調整できるようにしてある。さらにアノード10の第一のアパーチャ11の半径R3は、第一のバイアス電極6の第二のアパーチャ7の半径R1よりも小さく本実施形態ではR3=R1/2とした。
【0021】
ここで第一のバイアス電極6と第二のバイアス電極8には前記バイアス制御回路内の17によって前記カソード1の電位に対する相対電位として其々E1及びE2の電位を与える。すなわち第一のバイアス電極6及び第二のバイアス電極8とカソード1との間に電位差E1及びE2を与える。図3はE1とE2との間に、k(単位はV)を正の定数として|E1+E2|=k、となる関係を維持させたときの輝度とE1及びE2の関係を表したもので、本実施の形態ではk=1050[V]である。同図からわかるように上式|E1+E2|=kを満足させながらE1及びE2を変化させると、全体の輝度を変えることができるのと同時に、輝度が変わっても電流密度の角度分布特性には変化のないことがわかる。実用上は|E1+E2|のkからの誤差にある程度の許容範囲があり、概ね0.9k≦|E1+E2|≦1.1kなる関係を維持していれば、所望の特性が得られることがわかった。
【0022】
上述の実施の形態において、さらに図4に示す通り第一のバイアス電極6と前記第二のバイアス電極8の間の光軸上に、第五のアパーチャ21をもつ第三のバイアス電極20を追加し、これに対応してバイアス制御回路内の17から第三のバイアス電極へ電位E3を与えられるようにして電位E3を変化させると、カソード1から射出された電子ビームが収束して形成されるクロスオーバの位置を容易に調整できることがわかった。本実施の形態では、第三のバイアス電極の電位E3はE1とE2に与えられる電位の間の値であり、第五のアパーチャ21の半径R4は第二のアパーチャ7の半径R1及び第三のアパーチャ9の半径R2よりも大きくした。このとき、クロスオーバ位置の実用的な可動範囲はスパンで1mm程度であった。さらに、第五のアパーチャ21の半径R4の値や第三のバイアス電極20の光軸方向の位置を種々に変えることで、この可動量をさらに大きくすることもできるが、電流密度の角度分布特性に影響が出ない程度に留めるよう留意する必要がある。さらに第三のバイアス電極20の軸対称方向の断面形状を例えば台形などにすれば、形成される電子ビームの諸特性をより細かく調整できるが、第一、第二のバイアス電極、それらのアパーチャの半径、及びそれらの位置関係及びE1、E2、E3の各電位との関係が相互に影響し合うため、前記断面形状は各々の場合に合わせて決定する必要がある。
なお、本実施形態では電子源として六ホウ化ランタン(LaB6)の単結晶を用いているが、他の電子源例えば、タングステン(W)などの高融点金属を用いても同様な結果が得られている。
【0023】
(第2の実施形態)
次に図1の電子線装置を用いた電子線描画装置の一実施形態を図5をもとに説明する。図5は図1の電子線装置を光源として試料に所望のパターンを直接描画する電子線描画装置を表す図である。同図において、1は上記第1の実施形態における電子線装置で、本描画装置の光源であり、本描画装置の運用状態あるいは加工対象のプロセス条件によって電子ビームの輝度を先述した方法で制御している。ここで光源の位置は、ほぼ図1におけるクロスオーバ28の位置である。この光源から放射された電子ビームはその前側焦点位置が前記光源位置であるコンデンサーレンズ30によって略平行の電子ビームとなる。この略平行の電子ビームは複数の要素電子光学系32が配列された、成形系31に入射する。ブランキング電極を有する要素電子光学系32は複数の光源の中間像33をブランキングアパーチャ35の開口付近に形成すると同時に、複数のブランキング電極を各々個別に作動させてブランキングアパーチャ35で複数の電子ビームを個別に遮蔽することができる。
【0024】
次に、磁界レンズ37と磁界レンズ38は磁気対称ダブレットで投影系を構成しており、制限開口42を有している。ここで、磁界レンズ37と磁界レンズ38との距離は各々のレンズの焦点距離の和に等しく、前記光源の中間像33は磁界レンズ37の焦点位置にあって、それらの像は磁界レンズ38の焦点位置に形成される。このとき磁界レンズ37と磁界レンズ38の焦点距離の比が投影倍率となる。さらに、磁界レンズ37と磁界レンズ38の磁界が互いに逆方向に作用するように設定されているため、球面収差、非点収差、コマ収差、像面彎曲、軸上色収差の所謂五つの収差を除く他のサイデル収差、回転と倍率の色収差が打ち消されている。
【0025】
40は収束磁界とMOL条件を満足する磁界偏向器、41は電界によって偏向を行う静電偏向器で、これら二つの偏向器を用いて複数の中間像33からの電子ビームを偏向させて、複数の中間像33の像を試料43の上で平面的に移動させるようになっている。ここで磁界偏向器40と静電偏向器41は、光源像の移動距離によって使い分けている。39は偏向器を作動させた際に発生する偏向収差によるフォーカス位置のずれを補正するためのダイナミックフォーカスコイル、36は同様な過程で発生する非点収差を補正するダイナミックスティグコイルである。また、44は試料43をX,Y,Z方向に移動するためのXYZステージであり、複数のレーザ干渉計によって位置や移動速度が正確に制御されている。
【0026】
実際の描画は、パターンデータに基づいて、複数の中間像33の像を投影系によって試料43上に投影し、複数の要素電子光学系32のブランキング電極を作動させて複数の電子ビームをオン・オフさせながら、磁界偏向器40と静電偏向器41を用いて試料43上を走査し且つXYZステージ44を協動せしめ所望の露光パターンを得ている。
【0027】
なお、本例は実施形態の一例であり、広い視野にわたって所望のパターンを高解像度で描画する場合には、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採り得るものである。さらに、本実施形態は本発明の電子線装置を電子線描画装置に適用したものであるが、高輝度、高エミッタンス、或いは広視野に対する電子ビームの照射が要求される場合、なかでも一つの電子ビームを複数の電子ビームに分割して用いる、所謂マルチビーム系の電子線応用装置にも直ちに適用できることは明らかである。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電子線装置は、電子銃において二つ以上のバイアス電極を順次隣合って並べ、所望の位置関係に配置し、かつ其々のバイアス電極への印加電位を制御することで、電流密度の角度分布特性を維持させながら輝度を調整することができる。
さらに本発明の電子線装置を用いた電子線描画装置は、その光源である電子銃の輝度を電流密度の角度分布特性に影響を与えることなく、加工対象のプロセス条件に合わせて変更することが可能となり、広い視野に配列された複数の電子ビームを同時に照射して描画する、いわゆるマルチビーム描画機において高スループットと高精密の両立が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る電子線装置の構成図である。
【図2】図1の電子線装置における電子銃の各要素の幾何学的配置を示した図である。
【図3】図1の電子線装置におけるバイアス電圧と角度電流密度分布を表す図である。
【図4】図2の電子銃の各要素に第三のバイアス電極を追加した場合の幾何学的配置を示した図である。
【図5】図1の電子線装置を用いた本発明の第2の実施形態に係る電子線描画装置の概略構成図である。
【図6】従来の一般的な従来の電子銃と高輝度高エミタッンス電子銃の代表的な角度電流密度分布を表す図である。
【図7】従来の電子銃においてバイアス電圧を変えた場合の角度電流密度分布を表す図である。
【符号の説明】1:カソード、2,3:ヒータ、4,5:支持電極、6:第一のバイアス電極、7:第二のアパーチャ、8:第二のバイアス電極、9:第三のアパーチャ、10:アノード、11:第一のアパーチャ、12:第四のアパーチャ、13:絶縁体、14,15,16,17:バイアス制御回路、18:高圧電源、19:加熱電源、20:第三のバイアス電極、21:第五のアパーチャ、27:電子ビーム、28:クロスオーバ、30:コンデンサーレンズ、31:成形系、32:要素電子光学系、36:ダイナミックスティグコイル、37,38:磁気対称ダブレット、39:ダイナミックフォーカスコイル、40:磁界偏向器、41:静電偏向器、44:XYZステージ。
Claims (5)
- 電子放出面が半球状であるカソードと、該カソードと対向して配置され光軸上に第一のアパーチャを有するアノードと、前記カソードと前記アノードの間に配置され、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記カソードの電子放出面より大きい第二のアパーチャを光軸上に具備する第一のバイアス電極と、前記第一のバイアス電極から見て前記カソード側に隣合って配置され、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記カソードの電子放出面より大きい第三のアパーチャを光軸上に具備する第二のバイアス電極とを備え、前記カソードの電子放出面の先端が、前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの内径を直径とする球殻上か又は該球殻の外側に配置されてなる電子銃、及び、
前記第一のバイアス電極に印加される電位と前記第二のバイアス電極に印加される電位とを可変制御するバイアス制御手段
を有することを特徴とする電子線装置。 - 前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの半径をR1、前記第二のバイアス電極の第三のアパーチャの半径をR2、前記カソードの電子放出面の先端と前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの中心との距離をD1、前記第一バイアス電極の第二のアパーチャの中心と前記第二のバイアス電極の第三のアパーチャの中心との光軸方向の距離をD2としたとき、R1とR2とのの間に0.8R1≦R2≦1.2R1なる関係を有し、かつ前記D1とD2との間に0.8D1≦D2≦1.2D1なる関係を有することを特徴とする、請求項1に記載の電子線装置。
- 前記バイアス制御手段は、前記第一のバイアス電極に印加される電位を前記カソードの電位に対する相対電位としてE1、前記第二のバイアス電極に印加される電位を前記カソードの電位に対する相対電位としてE2としたとき、kを正の定数としてE1とE2との間に0.9k≦|E1+E2|≦1.1kなる関係を維持するように前記第一のバイアス電極に印加される電位と前記第二のバイアス電極に印加される電位とを可変制御することを特徴とする、請求項2に記載の電子線装置。
- 前記第一のバイアス電極と前記第二のバイアス電極の間に、さらに前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記カソードの電子放出面より大きいアパーチャを光軸上に具備する、一つ又は複数のバイアス電極を順次隣合って配置させてなる、請求項2または3に記載の電子線装置。
- 前記請求項1乃至4の何れか一項に記載の電子線装置と、前記電子線装置からの電子線を所望の特性を有する露光ビームに加工するための成形系と、前記露光ビームの位置を制御するための偏向系と、前記露光ビームを試料である基板上に収束させ所望のパターンを描画するための投影系とを有する電子線描画装置。
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