JP2005150515A - 電子ビーム近接露光装置、電子ビーム近接露光方法及びウエハ - Google Patents

Abstract

【課題】 スループットを向上するために上記の動作可能な露光条件を緩和可能な、電子ビーム近接露光装置及び電子ビーム近接露光方法を提供する。
【解決手段】 電子ビーム近接露光装置のカラム１０及びチャンバ８の筐体内に、微量のガスを導入することにより真空度を低下させて、空間電荷効果による電子ビーム径の分散を抑制する。これにより電子ビーム電流量等の露光条件が緩和され、電子ビーム近接露光におけるスループットを向上する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、半導体集積回路などの製造工程で使用される微細パターンを露光する露光装置及び露光方法に関し、特に露光パターンを有するマスクを半導体ウエハなどの試料の表面に近接して配置し、マスクを通過した電子ビームで露光を行う電子ビーム近接露光装置及び電子ビーム近接露光方法に関する。

近年、半導体集積回路の高集積化のニーズに伴い、回路パターンの一層の微細化が要望されている。現在、微細化の限界を規定しているのは主として露光装置であり、電子ビーム直接描画装置やＸ線露光装置などの新しい方式の露光装置が開発されている。

新しい方式の露光装置として、量産レベルで超微細加工用に使用可能な電子ビーム近接露光装置が開示されている（例えば特許文献１、およびこれに対応する日本国特許出願の特許文献２）。

図１は、特許文献１に開示された電子ビーム近接露光装置の基本構成を示す図である。この図を参照して、従来の電子ビーム近接露光装置について簡単に説明する。
図示するように、電子光学鏡筒（カラム）１０内には、電子ビーム１５を発生する電子ビーム源１４と整形アパチャ１６と電子ビーム１５を平行ビームにする照射レンズ１８とを有する電子銃１２、対となる主偏向器２２、２４と、対となる副偏向器５１、５２とを含み、電子ビームを光軸に平行に走査する走査手段２１、露光するパターンに対応する開口を有するマスク３０、静電チャック４４とＸＹステージ４６とから構成される。試料（半導体ウエハ）４０は、表面にレジスト層４２が形成され、静電チャック４４上に保持されている。電子光学鏡筒１０内は高真空状態に維持されるが、これは電子ビーム１５を安定的に発生させるため、及び鏡筒内に存在する残留ガスによる試料４０へのコンタミネーションを避けるためである。

露光用のマスク３０は、図２に示すように、厚い外縁部３４内の中央に薄膜部３２を有しており、薄膜部３２には露光するパターンに対応する開口３３が設けられている。そして静電チャック４４に吸着された試料４０の表面に近接するように（例えばマスク３０と試料４０とのギャップが５０μｍとなるように）配置される。この状態で、マスクに垂直に電子ビームを照射すると、マスクの開口を通過した電子ビームが試料４０の表面のレジスト層４２に照射される。そして電子ビーム１５は、走査手段２１の主偏向器２２、２４により偏向制御されて、図３に示すようにマスク３０の薄膜部３２上を走査して全面にわたって露光する。

また、走査手段２１中の副偏向器５１、５２は、マスク歪みを補正するように電子ビームのマスクパターンへの入射角度を制御（傾き補正）する。図４に示すように電子ビーム１５の露光用のマスク３０への入射角度をα、露光用のマスク３０と試料４０とのギャップをＧとすると、入射角度αによるマスクパターンの転写位置のずれ量δは、次式、
δ＝Ｇ・ｔａｎα
で表される。

図４上でマスクパターンは、ずれ量δだけ正規の位置からずれた位置に転写される。したがって、露光用のマスク３０に例えば図５（Ａ）に示されるようなマスク歪みがある場合には、電子ビーム走査位置におけるマスク歪みに応じて電子ビームの傾き制御を行うことにより、図５（Ｂ）に示されるようにマスク歪みのない状態でのマスクパターンが転写される。

ＸＹステージ４６は、静電チャック４４に吸着された試料４０を水平の直交２軸方向に移動させるもので、マスクパターンの等倍転写が終了する毎に試料４０を所定量移動させ、これにより１枚の試料４０に複数のマスクパターンを転写できるようにしている。

ここで、特許文献１に開示の電子ビーム近接露光装置は、電子ビームを１ｋｅＶ〜４ｋｅｖといった比較的低いエネルギーで加速することにより、試料４０からレジスト層４２への電子の後方散乱を抑えて、近接効果の発生を抑制する。
なお、特許文献１では、該文献記載の電子ビーム近接露光装置が、電子ビーム１５のビーム電流が０．３μＡ〜２０μＡであり、電子ビーム１５のビーム径が０．１ｍｍから５ｍｍであり、マスク３０はシリコンステンシルマスクであり、マスク３０の薄膜部３２の厚さが０．２μｍ〜１μｍであり、マスク３０と試料４０との間隔が１０μｍ〜３００μｍであり、試料４０の表面に形成されるレジスト層４２の厚さが３０ｎｍ〜３００ｎｍである露光条件の下で動作することを開示している。

米国特許第5,831,272号公報（全体） 日本特許第2951947号公報（全体）

電子ビーム露光装置では、その露光量は試料に照射される電子ビームの電流量と照射時間との積に比例する。したがって、その露光時間を短縮してスループットを上げるためには、電子ビーム１５の電流値を増大させる必要がある。

しかし、電子ビームの電流値を増大させるために電子密度を増加させると、電子同士に働く空間電荷効果が強くなる。この空間電荷効果のために、電子ビームに生じる拡散の度合いが強まることにより平行性が悪くなって、試料上に露光されるパターンの解像性に悪影響を与える。

また、電子ビームの電流量を増加させると、電子ビーム照射によってマスク及び試料に生じる熱量が大きくなり、特にマスクにおいてその寿命を低下させる。

上記の問題点を鑑みて、本発明は、スループットを向上するために上記の動作可能な露光条件を緩和可能な、電子ビーム近接露光装置及び電子ビーム近接露光方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、実験を重ねた結果、電子光学鏡筒内に微量のガスを存在させ真空度をある程度低下させると、その中を進行する電子ビーム径の発散が抑制されて、ビーム平行度が改善されることを発見した。

その理由は以下のとおりであると推測される。
１．電子光学鏡筒内に存在するガスの分子が電子ビームとの衝突によって電離してイオン化する。
２．この発生したイオンの内、陽イオンは、電子ビームの負電荷によって電子光学鏡筒内のビーム軸中心付近の空間に引き寄せられる。
３．その反対に、陰イオンは、電子ビームの負電荷によって電子光学鏡筒内の周辺付近の空間に押し出される。
４．このためにビーム軸中心から径方向に向かう電界が電子光学鏡筒内に生じ、電子ビームを集束させる力が生じる。
ただし、本現象に対する本質的な理由は、まだ解明に至っていない。

さらに、電子光学鏡筒内に微量のガスを存在すると電子光学鏡筒内の熱伝導率が高くなるため、電子ビーム照射によりマスク及び試料に生じた熱が、周囲のガスを介して放熱される。

本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであり、本発明に係る電子ビーム近接露光装置及び電子ビーム近接露光方法は、高真空状態に保たれた電子光学鏡筒（カラム）及び試料室（チャンバ）等からなる、電子ビーム近接露光装置の筐体内に、微量のガスを導入して真空度を低下させることにより、電子ビーム電流量等の上述の特許文献１に開示される種々の露光条件を緩和して、電子ビーム近接露光におけるスループットを向上することを可能とする。

すなわち、本発明に係る電子ビーム近接露光装置は、電子ビームを発生する電子ビーム源と、試料の表面に近接して電子ビームの経路中に配置されるマスクと、内部を高い真空状態に保ちつつ、電子ビーム源、試料及びマスクを収納する筐体と、を備え、マスクを通過した電子ビームで、試料の表面にマスクのマスクパターンを露光する電子ビーム近接露光装置であって、筐体内の真空度を低下させ、電子ビームの加速電圧の範囲を５０ｅＶ〜１０ｋｅＶとし、電子ビームの試料面上でのビーム電流を２５０μＡ以下とする。ここで、筐体内の真空度は、１０^−７〜１０^−２Ｐａの範囲にあることが好適であり、さらに１０^−４〜１０^−２Ｐａの範囲にあることがより好適である。

また、本発明に係る電子ビーム近接露光装置は、電子ビームの電流値についてのみならず、電子ビームの加速電圧についての露光条件をも緩和する。これは上記の従来の電子ビーム近接露光装置の露光条件よりも下に加速電圧を弱めても、上述の電子ビーム径抑制効果によりビームを収束することができ、反対に、上記露光条件よりも上に加速電圧を強めても上述の放熱効果によりマスクの熱変形（歪みの増大）、破損等を防止できるためである。

また、このように露光条件が緩和されることにより、本発明に係る電子ビーム近接露光方法において実際に使用するマスクの種類、薄膜部厚、材質等を、用途やコストを考慮して様々に選択することが可能となる。
例えば、電子ビームの加速電圧を強くすることによりビームの剛性が高まるため、マスク開口の線幅に対するマスク薄膜部の厚さの比を大きくしても、試料上にシャープな露光パターン像を作ることができる。すなわち、上述の特許文献１のマスクよりも厚いマスクを形成することが可能となる。また、電子ビームの加速電圧を強くすることにより電子ビームの飛程が伸びるため、ステンシルマスクだけでなくメンブレンマスクを採用することが可能となる。

反対に電子ビームの加速電圧を弱くすると電子の飛程が小さくなるためマスク厚を薄くすることが可能となる。さらに電子ビームの電流量（ドーズ量）を小さくしてマスクの帯電量を抑えることにより、非導電性材料をマスクに採用することが可能となる。

さらに、本発明に係る電子ビーム近接露光方法は、電子ビーム源より生じる電子ビームを、試料の表面に近接して電子ビームの経路中に配置されたマスクに照射して、マスクを通過した電子ビームで、試料の表面に前記マスクのマスクパターンを露光する電子ビーム近接露光方法であって、電子ビーム源、試料及びマスクを収納する筐体内の真空度を低下させ、マスクを、マスクパターンが設けられた厚さ５ｎｍ（５０オングストローム）〜１０μｍの薄膜部を有する、ステンシルマスク又はメンブレンマスクとする。

また、本発明に係る電子ビーム近接露光方法では、大きい加速電圧の電子ビームに対応して、レジスト層を厚く（１μｍ以下）形成することも可能である。また、電子ビームの加速電圧を非常に低く設定する場合には、試料上に形成するレジスト層を例えば単原子層のように薄く形成することが好ましい。

電子光学鏡筒及び試料室等の電子ビーム近接露光装置筐体内に微量のガスを存在させ真空度をある程度低下させることにより、その中を進行する電子ビーム径の発散が抑制されて、ビーム平行度が改善される。
これにより電子ビーム近接露光において、解像性に影響を与えることなく電子ビームの電流量を増加させてスループットを向上することが可能となる。また電子ビームの加速電圧をさらに弱くして、後方散乱による影響をより抑制することが可能となる。

電子ビーム近接露光装置筐体内に微量のガスを存在させ、筐体内の熱伝導率を高めることにより、電子ビーム照射によりマスク上に発生した熱を放熱して、マスクの熱変形（歪みの増大）、破損等を防止することができる。
これにより、電子ビームの電流量を増加させてスループットを向上することが可能となる。また、必要に応じて加速電圧を強くして電子ビームの剛性を高め、露光解像性を向上することが可能となる。

また、上述のように電子ビーム近接露光方法を使用する半導体装置製造プロセスにおいて、使用するマスクの種類、薄膜部の厚さ若しくは材質、又は試料上に形成するレジストの厚さを、用途に応じて様々に選択することが可能となる。

特に、マスク薄膜部の厚さを、上記従来の露光条件よりも薄く形成することができることにより、露光解像性を向上させることが可能となる。またマスク薄膜部を薄く形成して、マスクパターンの開口線幅に対するマスク薄膜部厚の比をより小さくすることが可能となり、上述の副偏向器による傾き補正を容易にする。反対にマスク薄膜部の厚さを、上記の露光条件よりも厚く形成することができることにより、マスク自体の機械的強度を高めることが可能となる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図６に、本発明の第１実施例に係る電子ビーム近接露光装置の基本構成を示す。基本構成は、図１に示した構成及び上記の文献１に開示された構成に類似した構成を有している。よって、図１と同一の機能部分には同一の参照番号を付して表し、詳説を省略する。

図示するように、電子ビーム近接露光装置１の電子光学鏡筒（カラム）１０には、電子ビーム１５を発生する電子銃１４、電子ビーム１５を平行ビームにする照射レンズ１８、主偏向器２０、および副偏向器５０、主偏光器２０および副偏光器５０を制御する偏光器制御部２５が設けられる。

なお、主偏向器２０と副偏向器５０は、それぞれ１つの偏向器として示してあるが、実際には図１に示したようにそれぞれ２段構成になっている。真空試料室（チャンバ）８には、試料（半導体ウエハ）４０をウエハチャック４４により保持して移動するウエハステージ４６が設けられている。なお、ウエハステージ４６は、少なくとも電子ビーム光軸に垂直なＸＹ平面において移動可能である。

さらに、電子ビーム近接露光装置１は、カラム１０内およびチャンバ８内を高真空状態に減圧するための減圧手段８０、排気バルブ６０及び真空源６１、ならびにチャンバ８内に微量のガスを導入するための電子ビーム径抑制手段９０、ガス導入部９２、減圧手段８０とガス導入部９２とを制御する制御部９４、カラム１０内及びチャンバ８内の真空度を検出する真空度センサ７２、ガス導入バルブ６２およびガス貯蔵部６４とを備えている。

図７に、本発明に係る電子ビーム近接露光方法のフローチャートを示す。
減圧手段８０は、電子ビーム近接露光装置１が電子ビーム源１４から電子ビーム１５を発生させる前に、バルブ６０を開閉制御することによりカラム１０内およびチャンバ８内のガスを排気して、高真空状態となるまで減圧する（Ｓ１０１）。
そして、電子ビーム源１４により電子ビーム１５を発生させる（Ｓ１０３）。
電子ビーム１５の電子ビーム電流値が所定の初期量に至ったら、電子ビーム径抑制手段９０は、ガス導入部９２によってガス導入バルブ６２を開閉制御して、ガス貯蔵部６４に蓄えられたガスをチャンバ８内に導入し、カラム１０内およびチャンバ８内を所定の真空度まで低下させる（Ｓ１０５）。

このとき、カラム１０内およびチャンバ８内の真空度は、上述のガス導入による電子ビーム径抑制効果が生ずる範囲となるまで低下される。すなわち、１０^−７〜１０^−２Ｐａの範囲にあることが好適であり、さらにチャンバ８内の真空度は１０^−４〜１０^−２Ｐａの範囲にあることがより好適である。
図８および図９に、チャンバ８内にガスを導入し、電子ビーム１５を発生させた場合の実験結果を示す。

図８および図９は、ある電子ビーム放射状態において、チャンバ８内に窒素（Ｎ_２）ガスを導入して、それぞれ異なる真空度とした場合における電子ビーム１５の強度分布を示す。ここに、図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、それぞれチャンバ８内の真空度を１．２×１０^−４Ｐａ、６．８×１０^−４Ｐａ、１．７×１０^−３Ｐａおよび４．９×１０^−３Ｐａとした場合を示す。

図８および図９の実験結果に係る電子ビーム状態では、図示するとおり、真空度が１．２×１０^−４〜４．９×１０^−３Ｐａの範囲において、導入するＮ_２ガスを増加して真空度を低下させるにしたがい、電気ビーム１５は強度分布の先鋭度が増し、真空度４．９×１０^−３Ｐａのときに最も集束している。

チャンバ８内に導入するガスとしては、電子ビーム１５を集束するだけであれば、どのような種類のものであっても使用可能である。しかしながら実際の半導体装置製造プロセスでは、カラム１０内およびチャンバ８内にハイドロカーボン系のガスが存在すると、このガスと電子ビームとが反応して試料４０やマスク３０上にコンタミネーションが発生するので、導入するガスはこのようなコンタミネーションが発生しないガスを選択することが好適である。

さらに好適には、ステップＳ１０１による高真空状態において残留する残留ガスに含まれる、または露光するレジスト層４２からの蒸発により発生するハイドロカーボン系のガスを低減するために、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）、オゾン（Ｏ_３）等の反応性ガスを選択して導入することとしてもよい。

その後、電子ビーム近接露光装置１０は、スループットや露光解像性などの所望の要求値を達成できるように、電子ビーム１５の試料４０面上でのビーム電流、電子ビーム１５の加速電圧及びビーム径といった露光条件を調整する（Ｓ１０７）。

このときの電子ビーム１５の試料４０面上でのビーム電流の好適な範囲の上限は、２５０μＡであり、上述の特許文献１の電子ビーム近接露光装置の上限である２０μＡに比べて条件が緩和される。
これはガス導入に伴うカラム１０内およびチャンバ８内の真空度低下により生じる電子ビーム径抑制効果により、電子ビーム１５内の電荷密度が増加しても空間電荷効果による電子ビームの発散を抑え、電子ビームの平行度を維持することが可能になったことによるものである。
また、カラム１０内およびチャンバ８内に含まれるガスによって生じる放熱効果（熱伝導率が向上する）によって、電子ビーム電流の増加に伴うマスク発熱量の増加を抑制することができることにもよる。

このように、電子ビーム電流に係る動作範囲の上限が緩和されることにより、一定露光量における照射時間の短縮が可能となり、スループットの向上が実現される。

また、電子ビーム１５の加速電圧の好適な範囲は、５０ｅＶ〜１０ｋｅＶであり、上述の特許文献１の電子ビーム近接露光装置の動作範囲である１ｋｅＶ〜４ｋｅＶに比べて条件が緩和される。
これはガス導入に伴うカラム１０内およびチャンバ８内の真空度低下により生じる電子ビーム径抑制効果により、電子ビーム１５内の加速電圧を低くしてもビーム剛性の低下を抑制して、電子ビームの平行度を維持することが可能になったことによるものである。
その反対に、電子ビーム１５内の加速電圧を高くしてもカラム１０内およびチャンバ８内に含まれるガスによって生じる放熱効果（熱伝導率が向上する）によって、マスク発熱量の増加を抑制することができることにもよる。

このように電子ビーム１５の加速電圧を減少させることにより、試料４０面からレジスト層４２への電子の後方散乱を減少させて電子の近接効果を抑え、露光解像性を向上させる効果を生じる。反対に電子ビーム１５の加速電圧を増加させることによっても、電子ビームを良く収束させて露光解像性を向上させる効果を生じる。露光解像性向上に係る加速電圧増減の効果はトレードオフの関係にあるが、従来の電子ビーム近接露光装置よりも減少させるか増加させるかは、使用するマスクの種類、薄膜部厚やレジスト種類などの他の露光条件に依存して定まる。

なお、電子ビーム近接露光装置に通常使用されているステンシルマスクには、マスク薄膜部３２の機械的強度を確保するために梁構造（ストラット）を有するものもある。その構造を図１０に示す。
図１０（Ａ）は、梁構造を有するマスク３０の上面図であり、図１０（Ｂ）はその側面図であり、図１０（Ｃ）は斜視図である。図示するとおり、マスク３０の薄膜部３２には、薄膜部３２を張架するように支持する梁３７が形成され、マスクパターンが設けられる薄膜部３２は梁３７によって分離されている。

したがって、梁構造を有するマスクでは、図１０に示すようにマスクパターンを有する薄膜部３２が梁３７によって分離されており、梁部３７にはマスクパターンの開口を設けることができない。このために、１つの露光パターンに対して、１つのパターンの異なる領域を相互に補間する相補マスクを複数枚用意することが必要になる。

電子ビーム１５の加速電圧を増加させることにより、ビームの剛性が高まるためマスク薄膜部３４を従来よりも厚く形成することが可能となり、マスクの機械的強度の向上に資する。また、電子ビーム１５の加速電圧を増加させることによって電子ビームの飛程が伸びるため、採用するマスク３０を従来のステンシルマスクからメンブレンマスクとすることが可能となり、マスクの機械的強度の向上に資する。このようにマスクの機械的強度を向上させることにより、上述の梁構造を不要とすることができる。

また、上述の副偏向器５０による傾き補正を精度良く行うには、電子ビーム１５のビーム径が細い方が有利である。しかし、従来の電子ビーム近接露光装置では、電子ビームの有する空間電荷効果のために、試料表面上で径０．１ｍｍ以下の電子ビームを実現することが困難であった。

本発明に係る電子ビーム近接露光装置では、上述の電子ビーム径抑制効果により、径０．１ｍｍ以下より小さい径の電子ビームを形成することが可能となる。これにより副偏向器５０による傾き補正の精度を向上することが可能となる。

その後、電子ビーム径抑制手段９０は、試料４０へのパターン転写が終了するまで、ガス導入部９２によってガス導入バルブ６２を開閉制御して、及び／又は減圧手段を制御して、カラム１０内やチャンバ８内の真空度を常時調整する（Ｓ１０９、Ｓ１１１、Ｓ１１３）。

従来の電子ビーム近接露光装置の動作条件では、マスク３０と試料４０との間の間隔（ギャップ）の範囲を、１０μｍ〜３００μｍとしていたが、上述のとおり本発明に係る電子ビーム近接露光装置では、２．５ｍｍ以下とすることが可能である。

これは、マスク３０と試料４０の間隔を広げても、これはガス導入に伴うカラム１０内およびチャンバ８内の真空度低下により生じる電子ビーム径抑制効果により、マスク３０通過後の電子ビームの発散を抑制して解像性を確保できることによる。
マスク３０と試料４０の間隔を広げることにより、電子ビーム近接露光装置自体の製造が機械的に容易となる。また電子ビーム照射によって試料４０に蓄積された電荷による、クーロン力等のマスク３０への悪影響を防止することが可能となる。

反対に、加速電圧を非常に低く設定する場合には、空間電荷効果による影響が大きいため、露光されたパターンの解像性を良好に保つためには、マスク３０と試料４０との間隔は可能な限り近接させることが好ましい。

また、従来の電子ビーム近接露光装置の動作条件では、マスクの薄膜部３２の厚さの範囲を、０．２μｍ〜１μｍとしていたが、上述のとおり本発明に係る電子ビーム近接露光装置では、電子ビーム１５の加速電圧を増減させることにより、その範囲を５ｎｍ（５０オングストローム）〜１０μｍと前記条件を緩和することが可能である。

マスク薄膜部３２を従来よりも厚く形成することにより、マスクの機械的強度の向上に資する。また、マスク薄膜部３２を従来よりも薄く形成することにより露光パターンの露光解像性の向上に資する。

また、従来の電子ビーム近接露光装置では、マスク３０の材質として例えばシリコンといった、導電性材料を使用していた。これは、電子ビーム１５によりマスク３０上に照射された電荷を、接地された電子ビーム近接露光装置側に逃がすことにより、マスク３０上への電荷蓄積を防止して、主に、マスク３０上に存在する電荷による電子ビーム１５の軌道への悪影響を防止するためである。

上述のように、本発明に係る電子ビーム近接露光装置では低い電子ビーム１５の電流値（ドーズ量）及び加速電圧で動作することが可能なため、マスク上の電荷蓄積が少ない。したがって、マスク材料として絶縁性物質等の様々な材料を使用することが可能となる。これにより、コスト及び強度に応じて種々の材料からマスク材料を選択することが可能となる。例えば、このようなマスク材料には、窒化シリコン（ＳｉＮ）、単結晶炭化シリコン（ＳｉＣ）、ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）が好適である。

さらに、電子ビーム近接露光方法では電子ビームを１ｋｅＶ〜４ｋｅｖといった比較的低いエネルギーで加速するため、露光後の試料のエッチング処理に必要な厚さのレジスト層を一度に電子ビームに反応させることができなかった。このため従来の電子ビーム近接露光方法では、図１１（Ａ）に示すように、電子ビームに反応しやすい薄いレジスト層４７を最上層に有し、その下にエッチング処理に必要な厚さを確保するための下層レジスト４８を設ける複層レジストを使用していた。

電子ビーム近接露光の際には、まず最上層４７のみを露光し（図１１（Ｂ））、最上層のレジスト層４７の露光箇所（または非露光箇所）を取り除いて（図１１（Ｃ））、下層レジスト４８に対するマスクとし、その後エッチング処理を行うことによりレジスト層４２全体にパターンを形成していた（図１１（Ｄ））。

本発明に係る電子ビーム露光装置では、電子ビーム加速電圧の動作範囲の上限を高くすることが可能となり、その結果露光によって電子ビームに反応させることのできるレジスト層の厚さを厚くすることができる（１μｍ以下）。この結果、単層レジストによって、露光後の試料のエッチング処理に必要な厚さのレジスト層を確保することが可能となり、レジスト層形成工程を省力化することが可能となる。

また、上述のように電子ビーム１５の加速電圧を低く設定する場合には、露光された電子ビームに反応するレジスト層の厚みが薄くなるため、レジスト層の厚さの範囲は薄く設けることが好適であり、特に加速電圧を非常に低く設定する場合には、レジスト層を単原子層とすることが好ましい。

また、本発明の電子ビーム近接露光装置によって、電子ビーム１５のビーム電流値を増加させた場合、電子ビームの照射により試料４０上のレジスト層４２に電荷が打ち込まれることにより生じる試料上に帯電量が増加する。この試料４０の帯電は、試料４０とマスク３０との間にクーロン力を作用させるため、マスク３０の薄膜部３２に悪影響を与える。また、試料４０の帯電は、電子ビーム１５のビーム軌道にも悪影響を与える。

したがって、試料４０の表面はカラム１０又はチャンバ８の筐体と同程度の電位となるように、試料４０に電圧を印加することが望ましい。図１２は、図６の電子ビーム近接露光装置に使用される試料上電位調整機構の基本構成図である。

図示するとおり、静電チャック４４には電極１２１及び１２２が設けられている。電極１２１及び１２２に、静電チャック用電源１２３及び１２４からの所定のチャック電圧がそれぞれ印加されると、電極１２１及び１２２と、試料４０との相対する面に電荷が誘起されて、その静電力によって試料４０が静電チャック４４に把持される。

なお、マスク３０は電子ビーム１５の照射による蓄積される電荷を逃がすため、図示するとおり真空チャンバ５０の筐体を介して接地されており、また、カラム１０又はチャンバ８の筐体も接地されているものとする。

試料４０のレジスト層４２の最上層には、等電位面形成手段である導電性レジスト等の導電膜４９を設けることが好ましい。これは、電子ビーム照射による試料の帯電が、電子ビーム露光装置により電荷がレジスト層４２内に打ち込まれることにより生じるため、打ち込まれた後に電荷が容易に移動せず、これにより、試料４０上では露光パターンに応じた局所的な帯電量の差が生じているためである。試料４０のレジスト層４２の最上層に、導電膜４９を設けることにより、試料４０のレジスト層４２の表面を、一様に同電位に保つことができる。

また、試料上電位調整機構は、表面電位計プローブ１３１および表面電位計アンプ１３３からなる表面電位測定手段を備える。表面電位計プローブ１３１は、チャンバ８内の試料４０の上方に設けられ、試料４０表面上の導電膜４９表面の表面電位を非接触で測定して、その測定信号を表面電位計アンプ１３３に出力する。

表面電位計測定アンプ１３３は、表面電位計プローブ１３１から出力された測定信号を受信して、所定の電圧幅（例えば±１０Ｖ）をレンジとする電圧信号に変換及び増幅して出力する。

また試料上電位調整機構は、電圧印加手段であるエラーアンプ１３４と逆バイアス印加電源１３５を備えている。エラーアンプ１３４は、表面電位計測定アンプ１３３から出力された電圧信号に基づいて、導電膜４９表面の表面電位の測定値がカラム１０又はチャンバ８の筐体と同電位となるように、逆バイアス印加電源１３５を制御する。または導電膜４９表面の表面電位の測定値と、カラム１０又はチャンバ８の筐体との電位差が、マスク３０や電子ビーム軌道への上述の悪影響を生じない所定の電位差となるように、逆バイアス印加電源１３５を制御する。

静電チャック４４には、逆バイアス印加電源１３５から出力される電圧を、試料４０の下面に印加するための触針１３６が設けられている。触針１３６は、逆バイアス印加電源１３５に接続される一方で試料下面に接触することにより、逆バイアス印加電源１３５の出力電圧を試料４０の下面に印加する。

電子ビーム露光が行われると、電子ビーム源１４から発生した電子ビーム１５が、マスク３０の開口部を通して導電膜４９に達し、導電膜４９を貫通してレジスト層４２に打ち込まれる（上記電子ビーム近接露光においては、打ち込まれる電荷の深さは約１００ｎｍ程度である）。このとき、一部電荷はレジスト層４２から導電膜４９へと拡散して、導電膜４９に一様な電位を生じるが、それ以外の電荷はそのままレジスト層４２に打ち込まれた位置に残存する。

レジスト層４２に残存する電荷は、露光パターンに応じてレジスト層面上の各位置においてその分布に濃淡があるが、かかる電荷分布により導電膜４９上に生じる負電位は、導電膜４９表面上で一様となる。
したがって、電子ビーム照射によって帯電した試料４０により生じる、導電膜４９表面上の電位は、導電膜４９それ自体の作用により導電膜４９表面上の各位置で一様な負電位となる。

このように電子ビーム照射によって生じた導電膜４９上の負電位を、表面電位計プローブ１３１によって測定する。表面電位計プローブ１３１の出力測定信号は、表面電位計アンプ１３３によって所定レンジの電圧信号に変換増幅されて、エラーアンプ１３４に入力される。

エラーアンプ１３４は、表面電位計アンプ１３３の出力電圧信号が、カラム１０又はチャンバ８の電位と同じ（または所定の電位差を有する電位）を示すように、逆バイアス印加電源１３５の出力電圧を制御する。このように制御された逆バイアス印加電源１３５の出力電圧が、触針１３６を介して試料４０に印加されることにより、試料４０表面の導電膜４９全体の電位を常にカラム１０又はチャンバ８の電位と同じ（またはカラム１０又はチャンバ８の電位と所定の電位差を有する電位）に維持することができる。

上記の通り、帯電した試料４０表面の導電膜４９全体をカラム１０又はチャンバ８と電位と同電位に維持することにより、マスク３０に与える悪影響を防止することができる。
また、電子ビーム１５の軌道への悪影響を防止することもできる。

また、図示するとおり逆バイアス印加電源１３５は、チャック用電源１２３及び１２４と筐体の電位と同電位であるＧＮＤの間に直列に接続され、電極１２１及び１２２にも試料４０に印加する逆バイアス印加電源１３５の出力電圧（逆バイアス電圧）を印可している。これにより逆バイアス電圧にかかわらず、電極１２１及び１２２と試料４０との間の電位差を、所定のチャック電圧に保ち静電チャックの保持力を保つことが可能となる。

なお、試料４０表面のレジスト層４２上に設けられる導電膜４９は、スピンコータ等により導体を塗布して形成することができる。電子ビーム近接露光装置においては、電子ビーム１５によるレジスト層４２への電荷打ち込みの深さは、上述の通り１００ｎｍ程度であるから、レジスト層４２上に設けられる導電膜４９の厚さは、厚くとも１００ｎｍ未満である必要があり、これは例えば２０ｎｍ程度である。

また、試料４０表面の導電膜４９はどの箇所においても同電位である。したがって、表面電位計プローブ１３１を、マスク３０の転写領域３２（薄膜部）に近接して設ける必要はなく、マスク３０の周辺に設けることとしてよい。

従来の電子ビーム近接露光装置の基本構成図である。 従来の露光マスクを示す図である。 電子ビームの走査方法の説明図である。 副偏向器による電子ビームの傾き補正の説明図である。 マスク歪み補正の説明図である。 本発明に係る電子ビーム近接露光装置の基本構成図である。 本発明に係る電子ビーム近接露光方法のフローチャートである。 カラム、チャンバ内の真空度を低下させた場合の電子ビーム強度分布の実験結果を示す図（その１）である。 カラム、チャンバ内の真空度を低下させた場合の電子ビーム強度分布の実験結果を示す図（その２）である。 梁構造を有する露光マスクを示す図である。 電子ビーム近接露光に用いる複層レジストの説明図である。 図６の電子ビーム近接露光装置に使用される試料上電位調整機構の基本構成図である。

符号の説明

８…チャンバ
１０…カラム
１４…電子ビーム源
１５…電子ビーム
１６…整形アパチャ
１８…照射レンズ
２０、２２、２４…主偏向器
３０…マスク
３２…薄膜部
３３…開口
４０…試料
４２…レジスト層
５０、５１、５２…副偏向器
６０…排気バルブ
６１…真空源
６２…ガス導入バルブ
６４…ガス貯蔵部
７２…真空度センサ
８０…減圧手段
９０…電子ビーム径抑制手段
９２…ガス導入部
９４…制御部

Claims (9)

1. 電子ビームを発生する電子ビーム源と、
   試料の表面に近接して前記電子ビームの経路中に配置されるマスクと、
   内部を高い真空状態に保ちつつ、前記電子ビーム源、前記試料及び前記マスクを収納する筐体と、を備え、
   前記マスクを通過した電子ビームで、前記試料の表面に前記マスクのマスクパターンを露光する電子ビーム近接露光装置であって、
   前記筐体内の真空度を低下させ、
   前記電子ビームの加速電圧の範囲を５０ｅＶ〜１０ｋｅＶとし、
   前記電子ビームの前記試料面上でのビーム電流を２５０μＡ以下とすることを特徴とする電子ビーム近接露光装置。
2. 前記電子ビームの前記試料面上でのビーム径を５ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム近接露光装置。
3. 前記マスクは、該マスクと前記試料との間隔が２．５ｍｍ以下となるように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子ビーム近接露光装置。
4. 前記筐体内の真空度の範囲は、１０^−４〜１０^−２Ｐａであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子ビーム近接露光装置。
5. 電子ビーム源より生じる電子ビームを、試料の表面に近接して前記電子ビームの経路中配置されたマスクに照射して、前記マスクを通過した電子ビームで、前記試料の表面に前記マスクのマスクパターンを露光する電子ビーム近接露光方法であって、
   前記電子ビーム源、前記試料及び前記マスクを収納する筐体内の真空度を低下させ、
   前記マスクを、前記マスクパターンが設けられた厚さ５ｎｍ〜１０μｍの薄膜部を有する、ステンシルマスク又はメンブレンマスクとすることを特徴とする電子ビーム近接露光方法。
6. 前記試料の表面上に、単原子層レジスト又は厚さ１μｍ以下のレジストを塗布することを特徴とする請求項５に記載の電子ビーム近接露光方法。
7. 前記レジストは、導電性であることを特徴とする請求項６に記載の電子ビーム近接露光方法。
8. 前記筐体内の真空度の範囲は、１０^−４〜１０^−２Ｐａであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の電子ビーム近接露光方法。
9. 表面に露光用のレジストが塗布され、請求項５〜８のいずれか一項に記載の電子ビーム近接露光法により露光されるウエハであって、
   前記レジストうちの少なくとも最上位層には、導電性レジストが塗布されることを特徴とするウエハ。

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