JP2005057275A - パターン書き込み装置 - Google Patents

Abstract

【課題】書込進行中に、パターンサイズに依存したビームスポットを適用することにより処理量を増加させる装置を提供する。
【解決手段】リソグラフィ装置には、スポットサイズと上記ビームの書き込み電流の両方を同時に増加又は減少させるために書き込みスポットのサイズを変更する制御手段も備えられている。収束手段は二個のレンズセットで識別され、それぞれが高い焦点強度のメインレンズ１３又は１４と低い焦点強度の補助レンズ１９又は２０を含んでいる。制御手段は、書き込みが実行されている間、二個の補助レンズ１９、２０の焦点強度を相互に変化させることによって書き込みスポットサイズを変更する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、特に電子ビームリソグラフィーのためのパターン書き込み装置に関する。

電子ビームリソグラフィーは、とりわけ集積回路の製造において、基板の電子感応表面に、特に２〜２００ナノメートルの範囲の小さなパターン特徴を書き込むのによく知られた方法である。この解像度の範囲は従来の光リソグラフィーでは達成できない。電子ビームリソグラフィーへの既存のアプローチに伴う主な問題は、それが光リソグラフィーと比べて非常に遅いことである。これには二つの基本的な理由がある。第一の理由は、光リソグラフィーが、一回のフラッシュで多数のパターン特徴を有する比較的大きなフィールドを露光する非常に平行な処理である一方で、電子ビームリソグラフィーは、ナロービームで順番通りにパターン特徴を書き込むことによって実行されるシリアル処理（serial process）であることである。第二の理由は、電子ビームリソグラフィーの書き込み速度がビーム電流に直接比例するので、使用できるビーム電流は、書き込み電流（writing current）が増加するにつれて解像度のロスを引き起こすビーム電子間のクーロン相互作用によって制限されることである。使用できる最大の書き込み電流、すなわちパターンを書き込むのに用いられる瞬間的な全ビーム電流（アンペアで測定可能）が約１００分の１の大きさのため、光リソグラフィーと競合する処理量が可能にならない。

電子ビームリソグラフィーの低い処理量のため、それは多数の用途、特に大量製造を含む用途で非現実的及び／又は法外に高価である。従って、以前は到達できなかった用途を可能にすべく処理量を改良することが非常に望ましい。

電子ビームリソグラフィーの最高解像度はガウスビームシステムを用いて得られる。このようなシステムでは、電子ビームはスポット内のほぼガウス分布の書き込み電流によって単一の書き込みスポットに収束する。ゆえに、このシステムは一回に一ピクセルを書き込む。ピクセルはパターンの最小の解像度である。この意味では、ガウスビームシステムはその書き込み処理において完全にシリアルであり、従ってそれは最も遅いシステムである。

一般的に、書き込みスポットが小さくなればなるほど、書き込みできるパターン特徴は小さくなる。しかしながら、書き込みスポットが小さくなればなるほどビーム電流が小さくなり、処理量は小さくなる。既存のガウスシステムは、書き込まれるパターン全体のために書き込みスポットを一定のサイズに維持する。典型的なパターンはある範囲のパターン特徴サイズを含む。すなわち、それらは幾つかの最小サイズの特徴と幾つかの大きめのサイズの特徴を含む。既存の電子ビームリソグラフィーシステムは、最小の特徴サイズで決定される一定のスポットサイズを有するので、大きい特徴もこの小さいスポットサイズを用いて書き込まれるということになる。小さいスポットは大きな特徴を書き込むのに必要とされないので、これは比較的効率が悪い。

既存の電子ビームリソグラフィーシステムは典型的に、電子ビーム経路にあるレンズの調節で実現する書き込みスポットのサイズを調節する手段を含む。典型的な電子レンズは、著しいスポットサイズの変化をもたらすために大きな励起（excitation）の変化を必要とするので、これは通常数秒を必要とする遅い処理である。逆に、励起の変化が行われる速度はその変化のサイズに関連する。処理量の実用的な利益を得るために、スポットサイズをもっと素早く変化させることが必要であろう。それで、この変化は処理量に悪い影響を及ぼさずにパターン書き込みの間に頻繁に実行されうる。

先行技術のシステムの別な例は、可変整形ビームシステムとして知られるものである。このシステムでは典型的に、スポットは可変のサイズとアスペクト比の長方形である。スポットサイズはパターン書き込みの間に非常に急速に変化させられる。電流密度（ユニット領域あたりの電流）は一定で、スポットサイズと独立である。書き込み電流は書き込みスポットのエリアに比例する。しかし、スポットは長方形なので、パターン書き込みの正確さは長方形対称を有する特徴に対しては有効だが、他の角度を有する特徴に対しては不適切である。後者の場合、ガウスベクトルビームシステムが好ましい。加えて、可変整形ビームシステムを用いて得られる解像度は、ガウスビームシステムを用いて得られるそれよりも劣っており、可変整形システムの電子コラムは必然的にガウスシステムのコラムよりももっと複雑である。これは、可変整形ビームシステムのコストと信頼性にマイナスの影響を及ぼす。

従って本発明の主な目的は、書き込みの進行中、書き込もうとするパターン特徴に依存して電子ビーム書き込みスポットを適用することにより書き込み処理量を増加させるパターン書き込み装置を提供することである。
本発明の他の目的と利点は以下の記述から明らかであろう。

本発明によれば、電子ビームリソグラフィーによって基板表面にパターンを書き込むためにパターン書き込み装置が備えられる。本発明は、電子ビームを発生させる発生手段、基板の電子感応表面に定められた書き込みスポットを作るためにビームを収束させる収束手段、書き込もうとするパターンに対応して表面の書き込みスポットを移動させる移動手段、及びスポットサイズとビームの書き込み電流の両方を同時に増加又は減少させるために書き込みスポットのサイズを変更する制御手段を有する。ここで、収束手段がビームを収束させるために連続して配された二個のレンズセットを有し、このそれぞれは、メインレンズと、それぞれのセットのメインレンズのそれよりも低めの焦点強度を有する補助レンズとを有し、制御手段は操作可能であり、パターンの書き込みの間、二個のレンズセットの補助レンズの焦点強度を相互に変化させることによって書き込みスポットサイズを変更できることを特徴とする。

この種の装置によって、小さいスポットで小さいパターンの特徴を書き込んだり、同じパターンの中で大きなスポットで大きな特徴を書き込んだりすることが可能である。この様にして、処理量の著しい利点が実現される。非常に小さい特徴は小さいスポットサイズを用いて完全に又はほぼ完全に書き込まれる一方で、大きい特徴は大きいスポットサイズと小さいスポットサイズの組み合わせを用いて書き込まれる。高いパターン正確さを保障するために、パターン特徴の端では常に小さいスポットサイズを用いることが望ましい。大きいスポットサイズは、細かいディテールがなくパターンの正確さが問題でないパターン内部で用いられる。しかしながら、同時に書き込み電流を増加させずに書き込みスポットのサイズを増加させることに利点はない。これは、書き込み速度が書き込み電流に比例するという事実のためである。ゆえに、書き込みスポットのサイズにかかわらず、書き込み電流を一定値に維持することは、処理量を増加させることにならない。従って、装置はスポットサイズに関連して書き込み電流を増加させる機構（provision）を含み、ゆえに処理量の増加を可能にする。

好ましくは、各補助レンズはそれぞれのセットのメインレンズの隣に、好ましくは、ビーム発生手段を基準にしてそのメインレンズのすぐ下流側に配される。このような配置は各レンズセットのコンパクトな構成をもたらすので、例えば、メインレンズと補助レンズは共通の支持体によって固定された関係に配置される。

機能の点では、レンズセットは好ましくは二個の中間の交差する焦点にビームを収束させるために配され、制御手段は、中間の焦点の相対的な間隔を変えるべく補助レンズの焦点強度を変えるように操作できる。その場合、基板に近めの中間の焦点は固定された位置に残る一方で、基板から遠めの中間の焦点は、スポットサイズに対して実行される変化に依存して固定された焦点の方へ又は固定された焦点から離れてずれる。

制御手段は、実質的に同時に補助レンズの焦点強度を変えて操作可能であることが好ましい。その結果、書き込みスポットの位置及び解像度に最小の効果を及ぼし、それで書き込みプロセスにおいて著しい停止（ポーズ）がない。

装置は、移動手段によってパターン書き込みデータをビームの制御移動部に供給するために、パターン書き込み制御システムも有するのが好ましい。制御手段は、ビームの移動と同期して補助レンズの焦点強度を変えて操作可能である。この様にして、パターン書き込みデータの供給と書き込みスポットサイズの変化との協同により、書き込もうとするパターンの異なる特徴のエリアサイズに効果的にダイナミックにスポットサイズを適用することが保障される。

少なくとも一つのレンズは電磁レンズや静電レンズである。両方のセットのレンズは同じ種類であることが好ましい。少なくとも一つの電磁レンズや静電レンズが補助レンズであるならば、この様なレンズは焦点強度の高速切り替えを助けるために最小化されたインダクタンスを有するコイルを有するのが好ましい。加えて、レンズは高抵抗合金や他の物質の支持体によって担持されるのが好ましい。

制御手段は、多くてもおよそ１０ミリ秒以内で書き込みスポットのサイズを増加変更でき、多くてもおよそ１００ミリ秒以内で書き込みスポットのサイズを減少変更できるように操作可能であることが好ましい。バリエーションは次のようであることが好ましい。つまり、書き込みスポットサイズは、所定の第一エリアサイズのパターンエリアをそれぞれ書き込むよう意図された第一スポットサイズと、第一スポットサイズよりも小さく、所定の第一エリアサイズよりも小さい所定の第二エリアサイズのパターンエリアをそれぞれ書き込むよう意図された第二スポットサイズとの間で変えられることである。寸法の点では、書き込みスポットは、例えばおよそ２ナノメートルの直径とおよそ２００ナノメートルの直径の間で変えられうる。

装置は、スポットサイズのバリエーションの結果として起こる書き込みスポットの位置及び解像度の変化を検出する手段と、収束手段を制御する手段及び検出された変化を補償するための移動手段を含む。これにより、一時的なオフセットや鮮明度のロスをすぐに補正することが可能になる。

では、本発明の実施形態を付属の図に則してより詳細に、例を用いて後述する。
図面を参照すると、図１に、電子ビームリソグラフィー機械によって異なるサイズのパターン特徴を有する書き込みパターンのための手順の異なる可能性を示す一組のダイアグラムが示されている。書き込み処理量を最適化するために、小さいスポット及び低い書き込み電流を用いて小さい特徴を書き込み、大きいスポット及び高い書き込み電流を用いて大きい特徴（又は少なくともこのような特徴の一部）を書き込むことが望ましい。小さいスポットサイズで完全に書き込むことができるパターンは、ダイアグラムａ、ｂ、ｃに示される一方で、小さいスポットサイズと大きいスポットサイズの組み合わせにより書き込むことができるパターンはダイアグラムｄ、ｅに示される。パターン特徴の端では小さいスポットサイズを用いることが常に望ましく、これにより高いパターン正確さが保障される。しかしながら、大きいスポットサイズは、細かいディテールがなくパターン正確さが問題でないパターン内部で用いられる。

図２は、電子感応表面を有する基板Ｓ（例えば集積回路のマスク）にパターン特徴を高処理量で書き込むための公知の電子ビームリソグラフィー機械におけるガウス電子ビームコラムの主な要素を示す。コラムは、円錐状包絡線（cone-shaped envelope）１１を有する電子のビームを放出する電子源１０、ビームが静電ポテンシャルの差又は電圧を用いて電子源の下流側へ加速される加速アノード１２、一連（シリーズ）の三個の主な電磁レンズ１３、１４及び１５、定められた書き込みスポットを基板Ｓにもたらすために電子ビームに一括して影響を与えるビーム限定開口１６を有する。書き込みスポットは、表面のパターンをトレースするために、ビーム偏向器（図示せず）でビームの偏向を制御することによって基板表面を走査する。

電子ビームは、シリーズの第一レンズ１３により第一中間交差焦点１７に収束し、シリーズの第二レンズ１４により第二中間交差焦点１８に再収束（refocus）する。ビーム限定開口１６は電子流の量を制限する。開口１６は典型的に第二レンズ１４の面に又はその近くに位置する。開口１６によって伝えられる電子流の量は、電子源１０の面でビーム包絡線１１の円錐によって張られる立体角と共に単調に多くなる。

第一レンズ１３の焦点強度を減少させ、同時に第二レンズ１４の焦点強度を増加させて、レンズ１３と１４の相対強度を適当に選択することにより、開口１６を通る電子流の量を増加させ、しかし第二中間焦点１８の位置は変化させないことが可能である。これは、結果として生じる変化したビームの包絡線１１ａをたどって電子源１０に行き着くことにより分かる。包絡線は点線で示され、焦点１７に対して焦点１８の方向へ移動した第一中間交差焦点１７’を有する。電子源１０での放射の立体角は、初めのビームの包絡線より変化したビームの包絡線が好ましいことはすぐに明らかである。従って、開口１６を通って伝わる電子流は変化したビームの包絡線１１ａではより多い。

第一中間焦点１７の幅は、第一レンズ１３の倍率を掛けた源１０の幅により与えられる。レンズ１３の倍率は、源１０からレンズ１３までの距離で割ったそのレンズから第一中間焦点１７までの距離により与えられる。同様にして、第二中間焦点１８の幅は第二レンズ１４の倍率を掛けた第一中間焦点１７の幅により与えられる。レンズ１４の倍率は、第一中間焦点１７からレンズ１４までの距離で割った、第二中間焦点１８からそこまでの距離により与えられる。第二中間焦点１８の幅は、レンズ１３の倍率を掛け、レンズ１４の倍率を掛けた電子源の幅により与えられる。二つの倍率の定義から、両方とも初めの包絡線１１の倍率よりも拡大したビーム包絡線１１ａの倍率の方が大きい。これから、第二中間焦点１８の幅は、初めのビーム包絡線１１の幅よりも拡大したビーム包絡線１１ａの幅の方が大きいことになる。従って、より大きく伝えられる電流の条件はより幅の広い第二中間焦点１８を伴う。第二中間焦点１８は第三レンズ１５によって基板Ｓのターゲット表面に移されるので、書き込みスポットと書き込み電流の両方とも、初めの包絡線のそれらよりも変化した包絡線のそれらの方が大きいことになる。これは、所望の結果である。

書き込みスポット及び電流を変化させるこの方法は公知であるが、バリエーションはゆっくり実行されるだけである。というのは、高加速電圧で電子ビームを収束させることができる従来の電子レンズは非常にパワーがあり、それでそれらの焦点距離の変化が典型的に数秒間遅れるからである。これは、通常マイクロ秒で測定されるパターン特徴を書き込むために必要な時間よりも大きな時間間隔である。ゆえに、スポットサイズと書き込み電流をダイナミックに（すなわちパターンが書き込まれている間）変更することは非現実的である。

この問題は、二個の補助電磁レンズ１９、２０をレンズ１３、１４の面近くにそれぞれ加えることにより、図３に示されるような本発明を具体化する装置の場合に克服される。補助レンズ１９、２０は、焦点１７と焦点１７’の間で第一中間焦点の位置を変えるためだけに用いられる一方、主な画像形成動作はレンズ１３、１４によって行われる。ゆえに、補助レンズ１９、２０はレンズ１３、１４よりも著しく弱い。弱いレンズは強いレンズより素早く切り替えられる。比較的弱いので、補助レンズ１９、２０は所望の速めのパターン書き込みの速度に匹敵する速度で変えられうる。

補助レンズ１９、２０は互いに同期して、またコラムのパターン書き込み制御システムに供給されるパターン情報の流れに同期して切り替えられる一方、強いレンズ１３、１４は一定の励起を保つ。ビーム書き込みスポットサイズ間の切り替えは、高速電子切り替えデバイスを用いて行われる。小さめのスポットサイズから大きめのスポットサイズへの切り替えは１０マイクロ秒未満で実行され、大きめのスポットサイズから小さめのスポットサイズへの切り替えは１００マイクロ秒未満で実行される。小さめのスポットサイズに必要な焦点の精度のために、この後者の切り替えがより難しいが、大きめのスポットサイズのための焦点は重要でない。小さめのスポットサイズの直径は、例えばおよそ２ナノメートルであり、大きめのスポットサイズのそれはおよそ２００ナノメートルである。

スポットサイズのバリエーションの結果、基板Ｓ上の書き込みスポットの位置変化及び／又はスポットの解像度変化が生じると、これは変化量の測定を考慮して検出され、適当な補償変化、特にビーム焦点の調節とビームの偏向によって自動的に削除される。

電子コラム（electron column）の周囲の導電金属部品にうず電流を引き起こさないように注意が必要である。うず電流は、最終的にデバイスの切り替え速度を低下させる収束効果を引き起こす。この目的のために、補助レンズのコイル支持部におけるアルミニウム及び鋼の通常の金属部品が、高抵抗率の−例えば、１７０Ωｃｍかもっと高い−チタン、アルミニウム及びバナジウムの合金からできた部品と取り替えられる。この合金は、当面の間うず電流が問題にならないレベルの抵抗率を有する。

電磁レンズは高速で切り替えられないので、特別な高速レンズドライバー回路が用いられる。実際、このようなレンズは通常静止モードで作動し、励起の時間バリエーションは伴わない。加えて、補助レンズのコイルのインダクタンスはできるだけ低く保たれ、必要な焦点距離の変化と一致する。これが、切り替え電子機器に課された要件を最小限にすることにより高速切り替えを容易にしている。

ドライバー回路のコンプライアンス電圧をできるだけ高くするのが望ましく、例えば１２８ボルトによってコイルの切り替えの間の一時的な時間遅れを克服できる。

コラム制御システムは、レンズを供給されたパターンデータと同期して切り替えるために、コンピューターのハードウェア及びソフトウェアを含むように拡張されている。パターンデータ転送の速度はできるだけ速いことが好ましく、典型的には２５ＭＨｚのビット速度か、もしくはもっと高い。

光学の点では、同期した二個の補助レンズの切り替えにより、コラムの電子光学的な倍率がダイナミックに変わる。大きい書き込みスポットは比較的大きい倍率を必要とする一方で、小さい書き込みスポットは比較的小さい倍率を必要とする。先に記述したこの倍率の変化は、コラムのビームブランキング部における中間交差位置を保つようにして実行される。

電子ビームリソグラフィー機械における、異なる電子ビームの書き込みスポットサイズで書き込もうとするパターンの概要的なフォームを示す一連のダイアグラムである。 従来技術のパターン書き込み装置の概要的な正面図である。 本発明を具体化するパターン書き込み装置の概要的な正面図である。

符号の説明

１０ 電子源
１１ ビーム包絡線
１１ａ 包絡線
１２ 加速アノード
１３、１４、１５ レンズ
１６ ビーム限定開口
１７ 焦点
１７’ 第一中間交差焦点
１８ 第二中間焦点

Claims (15)

1. 電子ビームを発生させる発生手段、
   基板の電子感応表面に定められた書き込みスポットを作るためにビームを収束させる収束手段、
   書き込もうとするパターンに対応して表面の上記書き込みスポットを移動させる移動手段、
   スポットサイズと上記ビームの書き込み電流の両方を同時に増加又は減少させるために上記書き込みスポットのサイズを変更する制御手段
   を有する、電子ビームリソグラフィーによって基板表面にパターンを書き込むためのパターン書き込み装置において、
   上記収束手段が上記ビームを収束させるために連続して配された二個のレンズセットを有し、
   それぞれが、メインレンズと、それぞれのセットのメインレンズのそれよりも低めの焦点強度を有する補助レンズとを有しており、
   上記パターンの書き込みの間、二個の上記レンズセットの補助レンズの焦点強度を相互に変化させることによって書き込みスポットサイズを変更するように、制御手段が操作可能であることを特徴とするパターン書き込み装置。
2. 請求項１に記載の装置において、各補助レンズがそれぞれのセットのメインレンズに隣接して配されていることを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置において、各補助レンズが、上記発生手段を基準にしてそれぞれのセットの上記メインレンズのすぐ下流側に配されていることを特徴とする装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置において、
   上記レンズセットが二個の中間交差焦点で上記ビームを収束させるように配されており、
   中間焦点の相対的間隔を変化させるように上記補助レンズの焦点強度を変更すべく、上記制御手段が操作可能であることを特徴とする装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置において、上記制御手段が、上記補助レンズの焦点強度を実質的に同時に変えるように操作可能であることを特徴とする装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置において、
   上記移動手段による上記ビームの移動を制御するために、パターン書き込みデータを供給するためのパターン書き込み制御システムをさらに有しており、
   上記制御手段が、上記ビームの移動と同期して上記補助レンズの焦点強度を変更するように操作可能であることを特徴とする装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置において、上記レンズの少なくとも一個が電磁レンズであることを特徴とする装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置において、上記レンズの少なくとも一個が静電レンズであることを特徴とする装置。
9. 請求項７又は８に記載の装置において、上記電磁レンズ又は上記静電レンズの少なくとも一個が、最小化されたインダクタンスを有するコイルを備えた補助レンズであることを特徴とする装置。
10. 請求項７又は８に記載の装置において、上記レンズの少なくとも一個が補助レンズであり、そのレンズが高抵抗率合金の支持体により担持されることを特徴とする装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置において、上記制御手段が、多くてもおよそ１０ミリ秒以内で上記書き込みスポットのサイズを増加変更するように操作可能であることを特徴とする装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置において、上記制御手段が、多くてもおよそ１００ミリ秒以内で上記書き込みスポットのサイズを減少変更するように操作可能であることを特徴とする装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置において、所定の第一エリアサイズのパターンエリアをそれぞれ書き込むための第一スポットサイズと、該第一スポットサイズよりも小さく、所定の第一エリアサイズよりも小さい所定の第二エリアサイズのパターンエリアをそれぞれ書き込むための第二スポットサイズとの間の上記書き込みスポットサイズを変えるように、上記制御手段が操作可能であることを特徴とする装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置において、上記制御手段が、およそ２ナノメートルの直径とおよそ２００ナノメートルの直径の間で上記書き込みスポットを変更すように操作可能であることを特徴とする装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置において、
    上記スポットサイズのバリエーションの結果として起こる書き込みスポットの位置及び解像度の変化を検出して、検出された変化を補償するために、収束手段及び移動手段を制御する手段を有することを特徴とする装置。

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