JP2005116784A - 荷電ビーム露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ビームボケが無い高解像度の荷電ビーム露光装置を提供する。
【解決手段】 低加速電圧の電子ビーム描画システム１において、縮小投影光学系１２０内での電子ビームＥＢのクロスオーバ９ａ，９ｂの径がアパーチャサイズよりも大きくなるように、第２成形アパーチャ８９への電子ビームＥＢの照明条件を調整する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、荷電ビーム露光装置に関し、例えばＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）、超ＬＳＩの半導体製造工程で使用されるイオンビーム露光装置や電子ビーム露光装置に関する。

荷電ビーム露光装置は、光波長より短い荷電粒子（例えば電子やイオン）の波長レベルの分解能で描画できるため、高い解像度でパターンを描画する機能を備えている。この反面、光露光によるマスク描画方式と異なり、完成パターンを小さな分割パターンビームで直接描画するため、荷電ビーム露光装置では描画に長時間かかるという問題がある。しかし、荷電ビーム露光装置は、高精度の細線パターンを形成できるという特徴を有することから、光露光方式のリソグラフィ技術の次の技術、またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の多品種少量の半導体製造に有力なツールとして発展している。電子ビームで直接パターンを形成する方法としては、小さな丸ビームをＯＮ／ＯＦＦ制御しながらウェーハ全面をスキャンしてパターンを形成する方法の他、ステンシルアパーチャを通過した電子ビームをパターン描画するＶＳＢ描画方式がある。ＶＳＢ描画を発展させ、繰り返しパターンを一つのブロックとし複数ブロック分のパターンが形成されたステンシルを準備し、これを選択描画することで高速描画する一括描画方式の電子線描画の技術も開発されている（例えば特許文献１、非特許文献１乃至３）。

非特許文献１のＶＳＢ方式の電子ビーム露光装置を図４に示す。同図に示す露光装置は、ビーム解像度を向上させるため、高加速に加速した電子ビームをウェーハ上のレジストへ打ち込む方式を取っている。このような高加速電圧方式では、照射された電子ビームがウェーハＷ上面のレジスト下面に成膜された各種多層薄膜で反射して再びレジスト上方に向かう現象である近接効果が発生し、これにより描画パターンにボケや解像度の劣化が発生してしまう。従って、高加速電圧方式の電子ビーム露光装置では、近接効果を補正するための制御が必須となり、電子光学系は勿論のこと、制御面でも大掛かりなシステムが必要とされ、この結果、システムが複雑化したために却ってトラブルを誘発するなど結果的に精度が低下するという問題があった。また、高加速の電子を用いているため、ウェーハＷ表面へのダメージも懸念される。

高加速電圧荷電ビームのＶＳＢ方式における上述の問題点を克服するために、低加速電圧の電子ビームを用いたアパーチャ方式の電子線描画方式が提案されている（例えば特許文献２）。特許文献２にて提案された電子線描画装置を図５に示す。
特開平６−２９０７２７ 特開平１０−３６３０７１ Jpn.J.Appl.Phys.Vol.34(1995)Pt.1,No.12B J.Vac.Sci.Technol.B 15(6),Nov/Dec 1997 J.Vac.Sci.Technol.B 19(6),Nov/Dec 2001

しかしながら、図４に示す電子ビーム露光装置および図５に示す電子線描画装置のいずれにも、光学収差によるビームボケおよび歪みを小さくするために、各光学系の第２成形アパーチャ８９とウェーハＷとの間で、ビーム径が小さいクロスオーバ１９９ａを電子ビームが形成してしまうという問題点がある。より具体的には、図４の電子ビーム露光装置は１／３６の高縮小光学系を有し、図５の電子線描画装置は１／１０程度の縮小光学系を有しており、第２成形アパーチャ８９を起点としたビームの開き角が非常に小さいため、クロスオーバ１９９ａは数μｍサイズであり、これはいずれの縮小投影光学系内でも最も小さいビーム径となっている。

このように、ビーム径が小さなクロスオーバを形成する光学系を低加速電圧の電子線描画装置に応用すると、空間電荷効果によるビームボケが大きくなり解像度が低下するという問題があった。

また、上述した装置に共通して、ウェーハＷの表面から発生した二次電子が対物レンズ６５および偏向器９３，９３’，９５，９５’へのコンタミネーションおよびチャージアップを引き起こし、この結果、ビームボケをより悪化させたりドリフトを発生させるという問題もあった。なお、本明細書において、二次電子は広義の意味での反射電子を含む。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ビームボケやドリフトが無い高解像度の荷電ビーム露光装置を提供することにある。

本発明によれば、
荷電ビームを発生させて基板に照射する荷電ビーム出射手段と、
所望の描画パターンに対応した形状のパターンが形成されたアパーチャと、
上記荷電ビームのビーム径を調整して上記アパーチャを上記荷電ビームで照明する照明手段と、
電界により上記荷電ビームを偏向して所望のパターンに入射させ、上記アパーチャを通過した上記荷電ビームをその光軸上に振り戻す第１の偏向手段と、
電界または上記磁界により上記アパーチャを通過した上記荷電ビームのアパーチャ像を縮小させる第１の縮小投影手段と、
上記第１の縮小投影手段により縮小した上記アパーチャ像を電界または磁界によりさらに縮小させて上記基板に結像させる第２の縮小投影手段と、
上記アパーチャと上記第１の縮小投影手段との間、および、上記第２の縮小投影手段内で形成される上記荷電ビームのクロスオーバのビーム径が上記パターンのサイズよりも大きくなるように上記照明手段を調整するビーム径調整手段と、
を備える荷電ビーム露光装置が提供される。

以上詳述したように、本発明によれば、空間電荷効果によるビームボケが極めて小さい、高解像度の荷電ビーム露光装置が提供される。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下では、荷電ビームとして電子ビームを用いる形態について説明するが、本発明はこれに限ることなく、例えば荷電ビームとしてイオンビームを用いる場合にも勿論適用可能である。

図１は、本発明にかかる荷電ビーム露光装置の実施の一形態を示すブロック図である。同図に示す電子ビーム描画システム１は、電子光学系と制御部とを備える。

制御部は、システム全体を制御する制御コンピュータ１０と、各電源４１〜４８と、検出信号処理部３７とを含む。検出信号処理部３７は、後述する二次電子検出器３３により検出された二次電子の信号を処理して制御コンピュータ１０に与える。制御コンピュータ１０は、検出された二次電子の信号を処理することによりＳＥＭ画像を出力するとともに、照明レンズ１５に印加する電圧を制御して電子ビームＥＢの第２成形アパーチャ（セルアパーチャ）８９への照明条件を調整する。この点は後に詳述する。

電子光学系は、電子ビームＥＢを発生させる電子銃１１と、矩形または円形の開口を有する第１アパーチャ１３と、電子ビームＥＢのビーム径を調整する照明レンズ１５（１５ａ，１５ｂ）と、縮小投影光学系１１０，１２０と、レーザ変位センサ９９とを含む。照明レンズ１５は、２個の静電レンズ（アインツェルレンズ）１５ａ，１５ｂで構成され、それぞれ中央の電極へ負の電圧を印加することにより使用される。照明レンズ１５は、第１成形アパーチャ８５の開口に対して十分大きく、かつ、必要な大きさのビーム径となるように電子ビームＥＢの倍率を調整する。

縮小投影光学系１１０は、矩形の開口を有する第１成形アパーチャ８５と、静電レンズで構成される投影レンズ８７と、第１成形偏向器１７とを有する。第１成形偏向器１７は、投影レンズ８７を通過した電子ビームＥＢが、次記する第２成形アパーチャ８９の所望のセルパターンに入射するように、電子ビームＥＢを偏向制御する。

縮小投影光学系１２０は、第２成形アパーチャ８９と、第２成形アパーチャ８９を通過した電子ビームＥＢを光軸上に振り戻す第２成形偏向器２１と、電子ビームＥＢを縮小させる縮小レンズ６３と、縮小した電子ビームＥＢをウェーハＷ上に結像させる対物レンズ６５の他、プリ主偏向器９５’、副偏向器９３、主偏向器９５、ポスト主偏向器９７、制御電極９１、および二次電子検出器３３を有する。第２成形アパーチャ８９には、所望の描画パターンの形状に応じてセルアパーチャが複数個配列されている。対物レンズ６５は、本実施形態において磁界型で構成され、ポールピース下極の内径が上極の内径よりも大きくなるように形成されている。プリ主偏向器９５'、主偏向器９５、およびポスト主偏向器９７は、図示しないＸＹステージの位置を参照しながら、ＸＹステージに支持されたウェーハＷの描画領域（ストライプ）が走査されるように電子ビームＥＢを偏向制御する。副偏向器９３は、上記ストライプ内を細かく分割した描画範囲に対して電子ビームＥＢの照射位置を制御する。二次電子検出器３３は、電子ビームＥＢの照射によりウェーハＷの表面から発生する二次電子を検出する。制御電極９１は、ポスト主偏向器９７と二次電子検出器３３との間に設けられ、ウェーハＷに印加される電位に対してさらに負側の電圧が電源４７から印加される。これにより、ウェーハＷから発生した二次電子が制御電極９１よりも第２成形アパーチャ８９側に侵入することが防止される。この結果、従来より問題となっていたレンズ電極および偏向電極の各表面へのコンタミネーションとチャージアップとを抑制することができ、電子ビーム検出器３３による二次電子の検出効率を高めることができる。

レーザ変位センサ９９は、レーザ光を発生させてウェーハＷの上面に対して斜めに入射させることにより、ウェーハＷと縮小投影光学系１２０との距離を計測する。このレーザ光を妨げないように、対物レンズ６５のヨークは円錐の正面形状を有するように加工されるか、またはレーザ光を通過させるための孔もしくはスリットが設けられる。

電子ビームＥＢの軌道について簡単に説明する。まず、電子ビームＥＢは、電子銃１１により低加速で生成され、第１アパーチャ１３の開口を通過した後、２個の照明レンズ１５ａ，１５ｂでその倍率を調整されながら第１成形アパーチャ８５の開口に照射する。照明レンズ１５ｂを通過した電子ビームＥＢは、第１成形アパーチャ８５を起点とする矩形ビームとしてスタートし、投影レンズ８７により第２成形アパーチャ８９上に投影される。第２成形アパーチャ８９上の電子ビームＥＢの照射位置は、ＣＡＤデータに従って目標となるビームパターン形状及びその面積が照射されるように、図示しない電源を介して制御コンピュータ１０の制御を受ける成形偏向器１７により制御される。

成形偏向器１７、第２成形アパーチャ８９および第２成形偏向器２１を通過した電子ビームＥＢは、第２成形アパーチャ８９を起点とするセルパターンビームとしてスタートし、第２形偏向器２１により光学系光軸上に振り戻された状態で縮小レンズ６３を通過する。

第２成形アパーチャ８９を起点とするセルパターンビームのビーム軌道を図２に示す。同図に示すように、セルパターンビームは、第２成形アパーチャ８９と縮小レンズ６３と間で第１のクロスオーバ９ａをまず形成した後に縮小レンズ６３により縮小され、縮小レンズ６３の像面位置７の近傍でそのビーム径を最も小さく絞られた後、プリ主偏向器９５'、副偏向器９３、主偏向器９５、ポスト主偏向器９７を通過するとともに（図１参照）、対物レンズ６５の中心近傍で第２のクロスオーバ９ｂを再度形成し、対物レンズ６５によりウェーハＷの上面に投影される。

本実施形態の電子ビーム描画システム１の第１の特徴は、制御コンピュータ１０が電源４２，４３の照明レンズ１５ａ，１５ｂへの印加電圧を調整し、これにより、クロスオーバ９ａとクロスオーバ９ｂとが第２成形アパーチャ８９のアパーチャサイズよりも大きくなるように第２成形アパーチャ８９への照明条件が調整される点にある。この結果、空間電荷効果によるビームボケを従来よりも大幅に小さくすることができる。

次に、電子ビーム描画システム１の第２の特徴は、電子光学系が高縮小で構成され、これにより大電流を流す際の空間電荷効果によるビームボケが低減される点である。例えば、加速電圧５ｋＶ、電流１００ｎＡの条件下では電子ビーム描画システム１の縮小投影光学系１２０の電子光学系は、１／４の総合倍率を有する。これにより、ウェーハＷ上におけるビームボケは１００ｎｍ以下になる。また、縮小レンズ６３を対物レンズ６５よりも高縮小にすることでビームボケを小さくすることができ、さらに、対物レンズ６５の倍率を１以下にすることによりビームボケをさらに低減することができる。例えば上述した加速電圧と電流の条件下で、縮小レンズ６３の倍率は１／４、対物レンズ６５の倍率は４／５で設定され、総合倍率は１／５となる。

また、電子ビーム描画システム１の第３の特徴は、縮小レンズ６３を静電型、対物レンズ６５を磁界型で構成する点にある。これにより、従来、対物レンズ６３でビームが減速したことによるビームボケが無くなる。さらに、電子ビーム描画システム１の第４の特徴は、対物レンズ６５について、ポールピース上極の内径よりも下極の内径を大きくしているので、対物レンズ６５により励起された磁界はウェーハＷ側に浸み出される。これにより、さらにビームボケが低減される。なお、縮小レンズ６３として、入射ビームを減速する極性の電圧が中間電極に印加して用いられる減速モードの静電型レンズを用いる場合には、内径を小さくかつレンズ長を短くしてビームが減速される光路長を短くすれば、ビームボケをさらに低減することができる。

電子ビーム描画システム１のその他の特徴としては、制御コンピュータ１０による、プリ主偏向器９５'、主偏向器９５およびポスト主偏向器９７への各印加電圧の制御が挙げられる。これらの偏向器は、描画パターン位置に対する電子ビーム位置を制御し、主偏向器９５に対するプリ主偏向器９５'の電圧は加算方向に制御され、プリ主偏向器９５'への印加電圧は主偏向器９５への印加電圧に対して加算方向へ、ポスト主偏向器９７への印加電圧は主偏向器９５への印加電圧に対して減算方向に制御される。プリ主偏向器９５'、主偏向器９５およびポスト主偏向器９７は、偏向電圧比が調整されることで偏向収差が最小となり、さらに電子ビームＥＢがウェーハＷ面に垂直に入射するように電子ビーム軌道を制御することにより、ウェーハＷと電子光学系との間の距離が僅かでも変動することによって生じるパターン形状やパターンサイズの変化が最小になる。

また、図３において電子ビームＥＢの光軸に平行な平面に沿った端面図に示す電極ＥＰのように、プリ主偏向器９５'、主偏向器９５、ポスト主偏向器９７の各電極の内径を電子ビームＥＢの偏向による離軸距離に応じてウェーハＷ側に向かって大きくすることにより、またはウェーハＷ側に向かって電極の内径が広がるように逆テーパとすることにより、高い偏向感度を保持したままで偏向収差を低減することが可能になる。

本発明にかかる荷電ビーム露光装置の実施の一形態を示すブロック図である。 図１に示す荷電ビーム装置におけるセルパターンビームのビーム軌道を示す図である。 逆テーパ状の電極形状の具体例を示す端面図である。 従来の技術によるＶＳＢ方式の電子ビーム露光装置の一例を示すブロック図である。 低加速電圧の電子ビームを用いた、従来の技術による電子線描画装置の他の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電子ビーム描画システム
７ 縮小レンズの像面位置
９ａ，９ｂ クロスオーバ
１０ 制御コンピュータ
１１ 電子銃
１３ 第１アパーチャ
１５ａ，１５ｂ 照明レンズ
１７ 第１成形偏向器
２１ 第２成形偏向器
３３ 二次電子検出器
３７ 検出信号処理部
４１〜４８ 電源
６３ 縮小レンズ
６５ 対物レンズ
８５ 第１成形アパーチャ
８７ 投影レンズ
８９ 第２成形アパーチャ
９１ 制御電極
９３ 副偏向器
９５ 主偏向器
９５’ プリ主偏向器
９７ ポスト主偏向器
９９ レーザ変位センサ
１１０，１２０ 縮小投影光学系
ＥＢ 電子ビーム
ＥＰ 電極

Claims (6)

1. 荷電ビームを発生させて基板に照射する荷電ビーム出射手段と、
   所望の描画パターンに対応した形状のパターンが形成されたアパーチャと、
   前記荷電ビームのビーム径を調整して前記アパーチャを前記荷電ビームで照明する照明手段と、
   電界により前記荷電ビームを偏向して所望のパターンに入射させ、前記アパーチャを通過した前記荷電ビームをその光軸上に振り戻す第１の偏向手段と、
   電界または前記磁界により前記アパーチャを通過した前記荷電ビームのアパーチャ像を縮小させる第１の縮小投影手段と、
   前記第１の縮小投影手段により縮小した前記アパーチャ像を電界または磁界によりさらに縮小させて前記基板に結像させる第２の縮小投影手段と、
   前記アパーチャと前記第１の縮小投影手段との間、および、前記第２の縮小投影手段内で形成される前記荷電ビームのクロスオーバのビーム径が前記パターンのサイズよりも大きくなるように前記照明手段を調整するビーム径調整手段と、
   を備える荷電ビーム露光装置。
2. 前記第１の縮小投影手段による前記アパーチャ像の縮小倍率をＭ１とし、
   前記第２の縮小投影手段による前記アパーチャ像の縮小倍率をＭ２とすると、
   Ｍ１×Ｍ２≦１／４、Ｍ１≦Ｍ２、Ｍ２≦１
   であることを特徴とする請求項１に記載の荷電ビーム露光装置。
3. 前記荷電ビーム出射手段は、前記荷電ビームの照射により前記基板内で発生する後方散乱電子が前記荷電ビームの照射位置に近接する描画パターンの露光量に影響を及ぼす近接効果が発生する電圧を下回る加速電圧で前記荷電ビームを発生させる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の荷電ビーム露光装置。
4. 前記荷電ビームを電界により偏向して前記基板の表面を走査する第２の偏向手段と、
   前記荷電ビームの照射により前記基板から発生する二次電子を検出する二次電子検出手段と、
   前記第２の偏向手段と前記基板との間に配設され、前記二次電子が前記第２の偏向手段内に進入することを防止する二次電子制御手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の荷電ビーム露光装置。
5. 前記第１の縮小投影手段は、静電型レンズで構成され、
   前記第２の縮小投影手段は、磁界型レンズで構成される、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の荷電ビーム装置。
6. 前記第２の偏向手段は、内壁の径が前記基板に近づくに従って大きくなる逆テーパ形状の電極を有することを特徴とする請求項４または５に記載の荷電ビーム装置。

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