JP2005333114A - 電子ビーム描画装置、および電子ビーム描画方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電子ビーム描画中に試料温度をヒータ線で制御し、かつ磁場の影響を抑えて高精度描画をすることを目的とする。
【解決手段】本発明は、試料を保持するステージに配線される上下２段に揃って並ぶ一対のヒータ線と、試料またはステージの温度を検知する温度測定器と、温度測定器の検知値に応じて前記ヒータ線の通電を調節する温度調節器とを有し、ヒータ線に流れる電流の向きが上段と下段で逆向であることを特徴とする。
また本発明は、試料を保持するステージに配線される上下２段に揃って並ぶ一対のヒータ線に流れる電流を上段と下段で逆向に通電し、試料またはステージの温度を検知する温度測定器の測定値が所定の値に維持されるように温度調節器で前記ヒータ線の通電を調節することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は電子ビーム描画装置に係わり、試料またはステージ構造部材の熱変形を抑えて、高精度描画を実施する電子ビーム描画装置、および電子ビーム描画方法に関する。

近年、半導体素子の集積度が向上するにともなって、微細な加工寸法が高いパターンの位置精度が要求されている。電子ビーム描画装置は、ステージ上の試料を移動させながら、電子ビームを電子レンズで収束させ、偏向器で偏向させ、試料上に微細パターンをナノメートルの位置精度で描画する装置である。

シリコンの線膨張係数は４×１０^−６［１／Ｋ］であるので、直径３００［ｍｍ］の試料の温度が１／１０００［℃］上がると、１．２［ｎｍ］伸びる。同様に、低熱膨張のセラミックスの線膨張係数は３×１０^−６［１／Ｋ］であるので、３００［ｍｍ］のセラミックス構造部材の温度が１／１０００［℃］上がると、０．９［ｎｍ］伸びることになる。したがって、試料周辺の温度に関わる誤差を１［ｎｍ］に抑える為には、１／１０００［℃］の温度安定性が必要になる。

一方、描画中に発生する熱として、静電チャックの発熱、ステージガイドの転がり摩擦熱、モータの発熱があるが、真空状態の試料室内部では放熱しにくい。従来の技術では、ステージに冷媒を循環させて試料の恒温化を図っている。しかし、冷媒の温度を調節してから構造部材に熱が伝達されるまでの時定数が長く、ステージ定盤あるいは試料の温度には百分の数度の偏差が残る。

特開２００２−３５３１１６号公報（特許文献１）には、ステージ上にヒータ線を設けて、ヒータ線には非描画時間に通電して温度を補償する技術が開示されている。

また、特許文献１には、ヒータ線の通電による磁場が試料の描画に影響するのを抑えることについて示されている。等しい電流容量の電流を逆向きに流すヒータ線を平行に配置することにより、磁場の影響を最小限に抑えようにしている。

特開２００２−３５３１１６号公報

高精度描画を実施するためには試料温度のバラツキを１／１０００［℃］以下で、温度制御することが求められている。本発明は、非描画時だけでなく描画時にもヒータ線の温度制御を行うことによって、常時試料温度を安定させることができ、さらに磁場の影響を更に小さく抑えることを目的とする。

本発明は、試料を保持するステージに配線される上下２段に揃って並ぶ一対のヒータ線と、試料またはステージの温度を検知する温度測定器と、温度測定器の検知値に応じて前記ヒータ線の通電を調節する温度調節器とを有し、ヒータ線に流れる電流の向きが上段と下段で逆向であることを特徴とする。

また本発明は、試料を保持するステージに配線される上下２段に揃って並ぶ一対のヒータ線に流れる電流を上段と下段で逆向に通電し、試料またはステージの温度を検知する温度測定器の測定値が所定の値に維持されるように温度調節器で前記ヒータ線の通電を調節することを特徴とする。

本発明よれば、試料温度を安定させることができ、さらに磁場の影響を更に小さく抑えることができる。

ヒータ線に電流を流すと、ヒータ線の配線回りに磁場が発生する。この磁場は電子ビームの軌道に影響を及ぼし、位置精度を低下させる要因となる。

この磁場の影響および発明の主要部について図３、図４に沿って述べる。

図３に示すように、電子光学鏡筒２と試料７との空間に存在する一様磁場は、電子ビーム３の照射位置を変化させる。電子光学鏡筒２下面から試料７までの距離をＺ［ｍ］とし、この空間の磁場の変化量をΔＢとする。電子光学鏡筒２から通過してきた電子は磁場の影響を受けて、ボーア半径Ｒの軌道に沿って、目標位置からΔＸ［ｍ］離れた点に到達する。

θが十分に小さい範囲では、
ΔＸ＝Ｚ^２／（２Ｒ）……………………………………（数式１）
と近似できる。

（数式１）はボーア半径とビームのずれ量との関係を幾何学的に近似した数式である。

「数式１」にボーア半径
Ｒ＝ｍｖ／（ｅΔＢ）……………………………………（数式２）
（数式２）はボーア半径を算出する数式である。

ｍ：電子の質量 ｍ＝９．１×１０^−３１［ｋｇ］
ｅ：電荷 ｅ＝１．６×１０^−１９［Ｃ］
ｖ：電子の速度
を代入すると、次式「数式３」が得られる。

（数式３）は、磁場の変化量とビームの位置ずれ量との関係式である。

（ΔＸ／ΔＢ）＝ ｅＺ^２／（２ｍｖ）……………………………（数式３）
一方、電子のエネルギーは
Ｅ＝ ｍｖ^２／２……………………………………（数式４）
（数式４）は、電子のエネルギー式である。

「数式３」と「数式４」とから、ｖを消去すると、

（数式５）は磁場の変化量とビームの位置ずれ量との関係式である。

Ｚ＝２５［ｍｍ］、電圧５０［ｋｅＶ］の条件下で、ΔＸ＝±１［ｎｍ］を許容したときの、磁場変化量ΔＢは±２．５［ｎＴ］となる。

ヒータ線に電流を流すと、配線周りには磁界が発生する。この磁界は電子ビームの軌道に影響を及ぼし、位置精度を低下させる要因となる。

ヒータ線配線の直線部分に通電される磁界の大きさは、次式（数式６）で表される。

（数式６）は、直線導線に電流が流れるときの磁場の大きさを表す式である。

Ｈ＝ｉ／（２・π・ａ）……………………………………（数式６）
ｉ：導線に流れる電流
ａ：導線からの距離
Ｈ：導線からの距離ａにおける磁界
電流が小さいほど磁場は小さく、導線からの距離が遠いほど磁場も小さい。

配線の円弧部分に通電される磁場の大きさは、次式（数式７）で表される。

（数式７）は円形導線に電流が流れるときの磁場の大きさを表す式である。

Ｈ＝ｉ／（２・ａ）……………………………………（数式７）
ｉ：導線に流れる電流
ａ：曲率半径
Ｈ：中心位置での磁界
曲率が小さいほど発生磁界が大きくなる。

なお、すでに磁場と述べている磁束密度Ｂと磁界Ｈとの関係は、次式（数式８）のとおりである。

（数式８）は、磁界と磁束密度との関係を示す数式である。

Ｂ＝μ_０・Ｈ……………………………………（数式８）
μ_０：真空中の透磁率
図４（ａ）は２本の導線（ヒータ線）をＬ＝２［ｍｍ］だけ水平方向に離して配置し、それぞれの導線にｉ_１（＝５［ｍＡ］）、ｉ_２（＝５［ｍＡ］）の電流を流し、コイルか
ら垂直方向にｈ（＝１０［ｍｍ］）離れた位置での磁場の大きさを示したグラフである。長破線はＸ＝−１［ｍｍ］に配置された導線からの磁場を示し、短破線はＸ＝＋１［ｍｍ］の位置に配置された導線からの磁場を示している。なお、グラフ中の記載されている方向は電流の向きを示している。２本の導線から発する磁場は相殺されて、磁場は実線のように変化し、磁場の変化量ΔＢは１４［ｎＴ］ｐｐとなる。導線、すなわちヒータ線が横並びでは、磁場の変化量が零レベルの基準線に対して上下に変化している。向こう向きの電流では上側に、此方向きの電流では下側に変化しているので、変化量が多い。

つぎに、図４（ｂ）に２本の導線をＬ（＝２［ｍｍ］）だけ垂直方向に離して配置し、それぞれの導線にｉ_１（＝５［ｍＡ］）、ｉ_２（＝５［ｍＡ］）の電流を流し、上側のコイルから垂直方向にｈ（＝１０［ｍｍ］）離れた位置での磁場の大きさを示したグラフである。上下の導線の磁場が打ち消しあって、同様に磁場の変化量ΔＢは９［ｎＴ］ｐｐになる。磁場の変化量は零レベルの基準線に対して上側にしか変化しないので、横並びよりも磁場の変化量は少なくなる。

図４（ｃ）のｉ_１（＝４．７［ｍＡ］）、ｉ_２（＝５．３［ｍＡ］）のように、２本の導線に流れる電流量の和を変えずに、下側導線に電流が多く流れるように変えると、磁場の変化量ΔＢはさらに２．６［ｎＴ］ｐｐに減少する。磁場の変化量は零レベルの基準線にほぼ重なり、グラフ上では表示されない。

このように２本の導線、すなわちヒータ線に逆向きに電流を流すと、磁場が打ち消されて磁場の影響が少なくなる。しかも、上下２段に揃って並べる方が、横並びよりも磁場の変化量ΔＢが少なく、描画精度が向上するのである。

また、同一配線パターンを２段に重ね、それぞれの配線パターンに逆向きの電流を流すとともに配線のピッチを密にすることがさらに望ましい。

次の表１は、試料位置におけるヒータ線磁場の見積り、すなわち、解析結果を示す。

加熱範囲１５０[ｍｍ]×１５０[ｍｍ]、配線ピッチＬ（＝２[ｍｍ]）のヒータを例にとり、ヒータにｉ（＝５[ｍＡ]）の電流を流し試料がヒータからｈ（＝１０[ｍｍ]）離れているとしたときの試料位置の磁場をシミュレーションにより見積もった。

解析結果を表１に示す。はじめに上段の配線パターンにのみ５[ｍＡ]の電流を流した場合（条件１）にはＸ方向の磁場変化量ΔＢｘは４９[ｎＴ]ｐｐ、Ｙ方向の磁場変化量ΔＢｙは４９[ｎＴ]ｐｐ、Ｚ方向の磁場変化量ΔＢｘは７３[ｎＴ]ｐｐであった。つぎに、上段の配線パターンとは電流の向きが逆になるように下段の配線パターンにも５[ｍＡ]を流す場合（条件２）には上段と下段の配線パターンから発生する磁場が相殺され、磁場の変化量は、ΔＢｘ＝５．３[ｎＴ]ｐｐ、ΔＢｙ＝５．３[ｎＴ]ｐｐ、ΔＢｚ＝９．１[ｎＴ]ｐｐに減少する。さらに、条件３のように上段と下段に流れる電流比を変えることで、さらに磁場の変化量を低減させることが可能である。

上記の計算は試料がヒータの上段配線パターンより１０[ｍｍ]離れた時の磁場の大きさを計算したものであるが、１０[ｍｍ]以上離れると磁場はさらに減衰する。電流５[ｍＡ]は温度制御時の最大の値であり、定常状態の電流は１[ｍＡ]以下である。

５[ｍＡ]程度の少ない電流量で２．５[Ｗ]の熱量を発生させるためには、印加電圧５００[Ｖ]、ヒータ抵抗が１００[ｋΩ]以上でなければならない。ただし、ヒータの抵抗材料としては非磁性材料が適しており、抵抗材料にはアルミ、チタン等の非磁性かつ導電性金属を選択し、抵抗率を上げるために断面積を小さく製作するのが良い。また、折り返し配線ピッチを等間隔として、ピッチＬを２[ｍｍ]以下とする。

ヒータをステージまたは静電チャックに組み込み、電流供給線を電源に接続する。試料位置の温度が一定になるようにヒータに流す電流を制御しながら、描画を実施する。

次に本発明の実施例を図１に沿って説明する。

電子ビーム描画装置はおもに試料室１とに電子光学鏡筒２から構成されている。

電子光学鏡筒２内では、電子銃３から放出された電子ビーム４を電磁レンズ５で収束し、偏向器６で偏向する。

試料室１内部には、試料７を移動させるステージ８があり、ステージ８はＸ−Ｙ平面を移動できる。図１のステージは、２軸の移動機構のうちの１軸分を示している。

ステージ８上には試料ホルダー９が静電チャック１０の静電気力で固定され、試料７は試料ホルダー９に固定されている。

試料室１内部は真空ポンプ１１で排気され、常に真空に保たれている。

電子ビーム描画では、電子ビーム４を偏向させることにより照射位置をわずかに変え、試料７をステージ８で移動させることで、試料７の全面にデバイスのパターンが描画される。

描画中には、ステージ８を駆動しているモータ１２からの発熱、ステージガイド１３上をローラ１４が転がるときの摩擦熱、静電チャック１０からの発熱が生ずる。モータ１２やステージガイド１３の発熱量はステージ８の動作時間に依存し、静電チャック１０の発熱量は試料ホルダー９のチャッキング時間に依存する。これらの熱量は描画パターンや描画時間により様々であり、時々刻々と変化する。

また、装置が設置されている室温が変動すると、装置構造体の温度が変化する。試料７位置はステージ８上のバーミラー１５と干渉計１６間の距離をレーザ測長することにより得ているが、試料７やステージ８構造部材が伸び縮みすると、パターンを試料７の所定位置に描画することができず、パターン位置精度を低下させる要因となる。

次に図２、図５に示す実施例について述べる。

この図２はヒータ線の配置を示している。図５は構造を説明するための模式図である。

ステージ構造体の試料７位置に近い場所にヒータ線１７を組み込み、試料７位置の温度を温度センサ１８で測定し、ヒータ線１７に流れる電流を温度調節器１９、２０で調節することにより、熱量を一定にし温度変動を少なくしようとするものである。

通電中にも描画を実施するためにはヒータ線１７からの磁場を小さくする必要がある。そこでヒータ線１７の抵抗値を大きく通電される電流量を少なくする。さらにヒータ線配線が発する磁場を低減させるために、図５に示すように同一パターンのヒータ線配線を上下２段構造とし、個々の配線パターンに流す電流を逆向き、下段に流れる電流の大きさをわずかに大きくすることによって、３ｎＴのオーダにまで低減することが可能である。図５の模式図に示すように配線ピッチを２［ｍｍ］、ヒータ線面を２０１［ｍｍ］×２００［ｍｍ］とすれば、配線は１００．５往復になる。配線のピッチも密にすることが望ましい。

また、折り返し配線された前記一対のヒータ線１７はステージ８に矩形に敷き詰められる。このヒータ線１７の電流供給端子３０、３１は、矩形に配線された矩形の対角位置に設けられる。

なお、上段ヒータ線に流れる電流と下段に流れる電流の割合は、上下２段のヒータ線間の距離、ヒータ線から試料までの距離によって決まる。ヒータ線の温度制御にはＰＩＤ、すなわち比例、積分、微分制御を用いても良い。

次に図６、図７に示す実施例について述べる。

図６は静電チャック１０の発熱量変動を抑えるために、静電チャック１０にヒータ線１７を貼り合せたものを示す。図７は配線パターンに流す電流を示す。

図７に示すように、ヒータ線の配線は同一パターンのヒータ線配線を上下２段構造とし、個々の配線パターンに流す電流を逆向きに流れるようにできる。

下段に流れる電流の大きさをわずかに大きくすることによって、ヒータ線通電中でも、試料位置の磁場をさらに小さくすることができるので、高精度描画を実施することができる。

このように、上下２段構造のヒータ線による温度制御により、試料及びステージ構造部材の温度を安定させ、試料や部材の熱変形を防ぐことができて、ヒータ線通電中でも高精度描画が実施できる。

さらに、図８、図９に示す他の実施例について述べる。

装置内部には真空ポンプ１１からの発熱、ステージガイド１３からの摩擦熱、電磁レンズ５からの輻射、電子ビーム４が試料７に照射されるときの発熱等の影響を受けて、試料室１内部のステージ温度は設置環境に比べて高くなりやすい。

このため、ステージ温度を予め試料温度に合わせておく必要がある。

図８、図９に示すように、移動支持部材としてのステージガイド１３は、ステージ８を移動自在に支持する。ステージ８と移動支持部材との間には、ローラ１４を含む移動手段が介在している。この移動手段により、ステージ８は横行移動する。

移動支持部材としてのステージガイド１３の下面には、冷却手段としての冷却板４１が取り付けられる。冷却板４１は、熱伝導性の良好なる金属板に冷媒を流通させる銅管等を這わせた構成を有する。冷却板４１にステージの重みがかからないように移動支持部材の下部周縁に支持部材４２を設け、移動支持部材の下面を試料室１の内底面から浮かせている。

一定温度に維持された冷却媒体４０を試料室１内に送り、冷却媒体４０がステージガイド１３の下面に取り付けられた冷却板４１を循環通過する間に熱が水または冷却媒体に伝達され、試料室１の外部に排出される。こうして、移動支持部材は冷される。

冷却装置の温度制御分解能は１／１００〜５／１００℃であるので、ヒータ１７、温度センサ１８等により微小な温度制御が行なわれ、移動支持部材としてのステージガイド１３は適正な温度に保たれる。この結果、試料をロードした後に短時間（数時間短縮）で描画を開始でき、スループットの向上に繋がる。

本発明の実施例に係わるもので、電子ビーム描画装置の概略を示す図である。 本発明の実施例に係わるもので、ヒータ線の配置図である。 本発明の実施例に係わるもので、一様磁場の影響を受けて変化する電子の軌道を示す図である。 本発明の実施例に係わるもので、２本の導線に電流を互いに異なる方向に流したときの磁場の大きさを示す図である。 本発明の実施例に係わるもので、ヒータ線の構成図である。 本発明の実施例に係わるもので、ヒータ線の他の配置図である。 本発明の実施例に係わるもので、ヒータ線の他の構成図である。 本発明の実施例に係わるもので、他の電子ビーム描画装置の概略を示す図である。 本発明の実施例に係わるもので、ヒータ線と冷却板の他の構成図である。

符号の説明

１…試料室、２…電子光学鏡筒、３…電子銃、４…電子ビーム、５…電磁レンズ、６…偏向器、７…試料、８…ステージ、９…試料ホルダー、１０…静電チャック、１１…真空ポンプ、１２…モータ、１３…ステージガイド、１４…ローラ、１５…バーミラー、１６…干渉計、１７…ヒータ線、１８…温度センサ、１９,２０…温度調節器、３０,３１…電流供給端子、４０…冷却媒体、４１…冷却板。

Claims (8)

1. 電子ビームを試料へ照射して所望の形状の描画を行う電子ビーム描画装置において、
   前記試料を保持するステージに配線され、上下に並ぶ一対のヒータ線と、
   前記試料またはステージの温度を検知する温度測定器と、
   前記温度測定器の検知値に応じて前記ヒータ線の通電を調節する温度調節器とを有し、
   前記ヒータ線に流れる電流の向きが上段と下段で逆向きであることを特徴とする電子ビーム描画装置。
2. 請求項１記載の電子ビーム描画装置において、
   前記ヒータ線は、抵抗値が上段、下段ともに１００ｋΩ以上であることを特徴とする電子ビーム描画装置。
3. 請求項１記載の電子ビーム描画装置において、
   前記ヒータ線に流れる電流値は、下段が上段よりも多いことを特徴とする電子ビーム描画装置。
4. 請求項１記載の電子ビーム描画装置において、
   前記一対のヒータ線は、２ｍｍ以下の間隔で折り返し配線され、
   前記ヒータ線の上段ヒータ線上面が前記試料面から２ｍｍ以上離れていることを特徴とする電子ビーム描画装置。
5. 請求項１記載の電子ビーム描画装置において、
   折り返し配線された前記一対のヒータ線は矩形に敷き詰められ、
   前記ヒータ線の電流供給端子を前記矩形の対角位置に設けたことを特徴とする電子ビーム描画装置。
6. 請求項１〜５の何れか一つに記載された電子ビーム描画装置において、
   前記ステージは、前記試料を固定する試料ホルダーを吸着する静電チャックを備えることを特徴とする電子ビーム描画装置。
7. 請求項１〜６の何れか一つに記載された電子ビーム描画装置において、
   前記ステージを移動自在に支持する移動支持部材に冷却媒体を循環させる冷却手段を備えることを特徴とする電子ビーム描画装置。
8. 電子ビームを試料へ照射して所望の形状の描画を行う電子ビーム描画方法において、
   前記試料を保持するステージに配線され、上下に並ぶ一対のヒータ線に流れる電流を上段と下段で逆向に通電し、
   前記試料またはステージの温度を検知する温度測定器の測定値が所定の値に維持されるように温度調節器で前記ヒータ線の通電を調節することを特徴とする電子ビーム描画方法。

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