JP2007189117A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 解像度の良い荷電粒子線光学系を実現する。
【解決手段】 試料２０に照射する為の荷電粒子ビームＥＢが透過する薄膜と該薄膜近傍に配置された絞りとで構成される薄膜レンズ２１と、前記荷電粒子ビームを前記試料面に収束する為のレンズと、前記薄膜と絞りとの間に電位差を印加するための手段２２とを有する荷電粒子線装置において、薄膜レンズ２１を最終段レンズ１１の前側焦点位置近傍に配置する。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、主に半導体集積回路等の露光に用いられる電子ビーム露光装置やイオンビーム露光装置、試料の分析等に用いられる電子顕微鏡、加工に用いられる収束イオンビーム装置等の荷電粒子線装置に関する。特に複数の荷電粒子線を用いてパターン描画を行う荷電粒子線装置に関する。

微小デバイスの製造、微細構造の観察、加工などを目的として荷電粒子ビームを応用した露光装置、顕微鏡、加工装置が広く用いられている。微小デバイスとは、例えばＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等である。
荷電粒子線装置は荷電粒子源から放出される荷電粒子を加速、成形、縮小し、試料上にビーム照射することによって所望のビームを試料上に形成し、試料への露光、観察、加工等を行っている。しかし、多くの形態の荷電粒子線装置においては、加工性、分解能等の点より試料上へのビームの収束を良好に行うことが要求される。
ビームの収束には電磁レンズ、もしくは静電レンズが用いられ、その多くが軸対称形をしている。しかしながら通常の軸対称形レンズは常に凸レンズとなり、球面収差係数は常に正となる。従って、通常の荷電粒子線レンズによるビームの収束には球面収差による限界が存在する。

上記問題点を解決する為にさまざまな形態の収差補正レンズが考案されており、薄膜レンズもその一つである。薄膜レンズは電子ビームが透過する薄膜と絞りから形成され、薄膜と絞りとの間に電圧を印加することによって凹レンズを形成している。そしてこの薄膜レンズの凹レンズと通常の軸対称レンズの凸レンズを組み合わせることにより球面収差を除去することが出来る。
上記薄膜レンズによる球面収差除去の代表的な例が非特許文献１に示されている。本文献によればＳＴＥＭの対物レンズ内に薄膜レンズを配置し、球面収差の除去を実現している。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， Ｖｏｌ４７， Ｎｏ．３， １９９８ ｐｐ１８５−１９２

しかしながら、上記文献によれば収差の補正は出来るものの、薄膜レンズの配置に関してはその調整の容易さから対物レンズのやや上面に配置されており、それが最適位置であるかの記述はなされていない。ここでの最適位置とは１．印加電圧が低いこと、２．球面収差以外の収差に影響が少ないこと、３．レンズ交換が容易であること、である。特に軸外収差の影響を考慮する必要のある荷電粒子線露光装置などは球面収差以外の収差への影響を慎重に考慮する必要がある。また、薄膜レンズはその構造から機械強度が弱く、またビーム経路上に配置されることから、生産装置への適用を考慮すると頻繁な交換が要求されるが、上記従来例ではレンズ交換に関する記述がなされていない。本発明は以上の点を鑑み、薄膜レンズの最適配置及び容易な交換の実現を課題とする。

そこで、本発明では最適レンズ配置を実現する為以下の手段を用いた。
すなわち、本発明に係る第１の荷電粒子線装置は、試料に照射する為の荷電粒子ビームが透過する薄膜と、該薄膜近傍に配置された絞りと、前記荷電粒子ビームを前記試料面に収束する為のレンズとを有する。さらに、前記薄膜と絞りとの間に電位差を印加するための手段を有する、そして、前記薄膜及び絞りは前記レンズの前側焦点位置近傍に配置されされていることを特徴とする。

本発明の第１の局面において、前記薄膜及び絞りは前記レンズの前記試料に対する共役でない位置に配置されている。
本発明の第２の局面において、前記薄膜及び絞りの配置される位置は前記レンズの前側焦点位置から前記レンズの焦点距離の４０％以内、より好ましくは２０％以内に配置されている。

本発明の第３の局面において、前記レンズはダブレット光学系を構成し、前記薄膜及び絞りは該ダブレット光学系の中間焦点位置近傍に配置されている。
本発明の第４の局面において、前記薄膜及び絞りの配置される位置は前記ダブレット光学系の中間焦点位置から前記ダブレット光学系第２レンズの焦点距離の４０％以内、より好ましくは２０％以内に配置されている。

本発明に係る第２の荷電粒子線装置は、荷電粒子ビームを収束する為のレンズと荷電粒子ビームを透過させる薄膜と、該薄膜近傍に配置された絞りと、荷電粒子ビームが照射される試料を有する。さらに、該薄膜と該絞りとの間に電位差を印加する為の手段が設けられている。そして、前記薄膜及び絞りは試料面に収束される荷電粒子ビームの軌道が最も拡がった位置に配置されることを特徴とする。
前記第２の荷電粒子線装置に係る第５の局面において、前記レンズはダブレット光学系を構成し、前記薄膜及び絞りは該ダブレット光学系の第１レンズと第２レンズとの間の前記荷電粒子ビーム軌道が最も拡がる位置に配置される。

前記第１及び第２の荷電粒子線装置に係る第６の局面においては、前記薄膜を交換するための交換機構が設けられている。また、第７の局面において、前記交換機構は予備排気室が設けられている。

本発明によれば、前記薄膜と絞りと電位差印加手段とからなる薄膜レンズを最終段レンズの前側焦点位置近傍に配置することによって効率よく球面収差を補正することができる。また、薄膜を交換するための交換機構を設けることにより薄膜を容易に交換することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図に示す実施例により説明する。
荷電粒子線装置の一例として本実施形態ではマルチ電子ビーム露光装置の例を示す。なお、電子ビームに限らずイオンビームを用いた露光装置にも同様に適用でき、また露光装置に限らず他の荷電粒子線装置についても同様の効果を得ることができる。

［実施例１］
図１Ａは本発明の一実施例に係るマルチ電子ビーム露光装置の要部概略図である。図１Ａにおいて、電子ビームは各ビームの中心線である主光線を示している。また、図１Ｂは図１Ａにおける中心ビームの拡散、収束を示す光線図である。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、電子源１より放射状に放出される電子ビームはコリメータレンズ２によって所望の大きさを持った面積ビームに成形された後、マスク３にほぼ垂直入射される。マスク３は複数のパターンを持つマスクである。マスク３を通して成形された電子ビームＥＢはレンズ４によってそれぞれブランキングアレイ６に収束される。ブランキングアレイ６は偏向板アレイであり、個々のビームを偏向することができる。ブランキングアレイ６によって偏向されたビームはブランキング絞り９によって遮蔽される。一方、偏向されなかったビームはレンズ７により収束されてブランキング絞り９を通過し、レンズ８により収束され、レンズ１０、１１によって再び収束される。レンズ７、８及びレンズ１０、１１はそれぞれダブレットレンズを形成し、ビーム像の縮小をそれぞれ行っている。

レンズ１０と１１の間には薄膜レンズ２１が配置される。この薄膜レンズ２１は、凹レンズとして機能している。レンズ７、８、１０、１１及び薄膜レンズ２１を通過する電子ビームは、偏向器５によって試料上への照射位置を調整された後、試料２０上に照射される。偏向器５はラスタースキャンを行っており、偏向器５のスキャンタイミングとブランキングアレイ６の動作のタイミングによって所望の位置にビームが照射される。各レンズ２、４、７、８、１０、１１はレンズ制御回路１３によって制御され、薄膜レンズ２１はレンズ制御回路２２によって制御される。偏向器５は偏向信号発生回路１８により発生されるラスター偏向信号を偏向アンプ１９に送信することによって制御される。ブランキングアレイ６はブランキング制御回路１７によって制御され、ブランキング制御回路１７は描画パターン発生回路１４、ビットマップ変換回路１５、露光時間制御回路１６によって生成されるブランキング信号により制御される。

次に薄膜レンズの詳細を図２により説明する。薄膜レンズは電子ビームが透過する薄膜２５、絶縁ギャップ２４、絞り２３より構成される。薄膜２５は電子ビームが十分に透過するように１５ｎｍ厚のＤＬＣ膜を使用し、絞り２３は１ｍｍ径のモリブデンを使用した。絞りと薄膜との間に電圧を印加すると、図２（ｂ）に示すように片側のみに電場が生じ、凹レンズを形成する。薄膜レンズは縮小対物光学系７、８、１０、１１の何れにおいても凹レンズとして機能するが、収差の補正効果を考えるとその配置により感度に大きな違いが生ずる。薄膜レンズをダブレット光学系１０、１１間に配置した場合の収差の補正効果を図３に示す。図によると、補正効果は瞳像近辺にて最も効果が高く、離れるに従い感度が低下する。実際の収差の補正を考えると、瞳面（前側焦点位置）から第２対物レンズ１１の焦点距離の４０％以内であることが効果的である。また、前側焦点位置から第２対物レンズ１１の焦点距離の２０％以内であるとさらに効果的である。また、薄膜レンズの追加によるその他の収差を考慮すると、瞳面に配置することが最も好ましい。瞳面付近に配置すると最も効率良く球面収差を補正できる理由は、瞳面近傍は図１Ｂに示すようにビームが最も広がっていることが大きな要因である。

また、薄膜は電子ビームが照射、透過する為に、コンタミネーションの付着によるレンズ性能の劣化が懸念される。さらに薄膜は機械強度が非常に弱い為に物理的に破壊されやすい。以上の２点を考慮し、本実施例では図４に示すような、薄膜レンズ交換機構を設けた。図４（ａ）〜（ｃ）は、１つの交換機構の各動作過程を示していいる。交換機構は予備排気室３２、バルブ３１、ロッド２９、真空ポンプ２８から構成され、薄膜レンズ２３〜２５が取付けられている薄膜レンズホルダ３０を鏡筒２６内に移動させる。移動の方法はまず図４（ａ）に示す如く、薄膜レンズホルダ３０を予備排気室に配置した後真空引きを行う。そして、十分に真空引きを行った後に図４（ｂ）に示すようにバルブ３１を開け、ロッド２９を用いて薄膜レンズホルダ３０を鏡筒２６内に配置する。次に図４（ｃ）に示すようにロッド２９を引き抜きバルブ３１を閉じることによって薄膜レンズのみを鏡筒内に配置することが出来る。なお、図示されていないが、鏡筒２６、試料室２７は真空ポンプによって常に排気されており、また薄膜レンズは然るべき機構によって電圧が印加される構成となっている。本交換機構により鏡筒を分解することなく薄膜レンズの容易な交換が可能となる。

以上説明した構成の薄膜レンズを用い電子ビームの収差の測定を行った結果、薄膜レンズに２３Ｖを印加した際に球面収差がゼロとなることが確認された。また、本構成のマルチビーム描画装置を用いて描画を行ったところ、従来６５ｎｍであったレジスト解像度が４５ｎｍに向上した。

［実施例２］
次にシングルビーム装置に薄膜レンズを適用した実施例２を説明する。
図５は本発明の実施例２に係る電子ビーム露光装置の要部概略図である。図５において、電子源１より放射状に放出される電子ビームはレンズ７によって収束される。ビームはブランカー３３によって偏向制御され、偏向されたビームはブランキング絞り９によって遮蔽される。一方、偏向されないビームはブランキング絞り９を通過し、レンズ８により収束され、偏向器５によって試料２０上の所望の位置に照射される。レンズ８の前側焦点位置には薄膜レンズ２１が配置され、凹レンズとして機能している。偏向器５はラスタースキャンを行っており、偏向器５のスキャンタイミングとブランカー３３の動作のタイミングによって所望の位置にビームが照射される。レンズ７、８はレンズ制御回路１３によって制御され、薄膜レンズ２１はレンズ制御回路２２によって制御される。偏向器５は偏向信号発生回路１８により発生されるラスター偏向信号を偏向アンプ１９に送信することによって制御される。ブランカー３３はブランキング制御回路１７によって制御される。また、ブランキング制御回路１７は、描画パターン発生回路１４、ビットマップ変換回路１５、露光時間制御回路１６によって生成されるブランキング信号により制御される。レンズ８の前側焦点位置に薄膜レンズ２１が配置されるのは、前述したように収差補正感度が最も高いためである。

以上説明した構成の薄膜レンズを用い電子ビームの収差の測定を行った結果、薄膜レンズに５０Ｖを印加した際に球面収差がゼロとなることが確認された。また、本構成のマルチビーム描画装置を用いて描画を行ったところ、従来３２ｎｍであったレジスト解像度が２２ｎｍに向上した。

［デバイス製造の実施例］
次に、この露光装置を利用した微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造プロセスを説明する。
図６は半導体デバイスの製造のフローを示す。
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（ＥＢデータ変換）では設計した回路パターンに基づいて露光装置の露光制御データを作成する。
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意した露光制御データが入力された露光装置とウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程である。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップ７でこれを出荷する。

上記ステップ４のウエハプロセスは、ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップステップを有する。また、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップ、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ、上記の露光装置によって回路パターンをレジスト処理ステップ後のウエハに焼付露光する露光ステップを有する。さらに、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップ、現像ステップで現像したレジスト像以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップを有する。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。

本発明の第１の実施例に係るマルチ電子ビーム露光装置の要部概略を示す図である。 図１Ａにおける中心ビームの拡散、収束の状態を示す光線図である。 図１Ａの装置における薄膜レンズと電圧の印加、電場分布を説明する為の図である。 図１Ａの装置における薄膜レンズの配置と球面収差補正効果を説明する為の図である。 図１Ａの装置における薄膜レンズの交換を説明する為の図である。 本発明の第２の実施例に係る電子ビーム露光装置の要部概略を示す図である。 デバイスの製造プロセスのフローを説明する図である。

符号の説明

１：電子源
２：コリメータレンズ
３：マスク
４：レンズアレイ
５：偏向器
６：ブランキングアレイ
７、８、１０、１１：レンズ
９：ブランキング絞り
１２：コントローラ
１３：レンズ制御回路
１４：描画パターン発生回路
１５：ビットマップ変換回路
１６：露光時間制御回路
１７：ブランキング制御回路
１８：偏向信号発生回路
１９：偏向アンプ
２０：試料
２１：薄膜レンズ
２２：薄膜レンズ制御回路
２３：絞り
２４：絶縁ギャップ
２５：薄膜
２６：鏡筒
２７：試料室
２８：真空ポンプ
２９：搬送ロッド
３０：薄膜レンズ及び薄膜レンズホルダ
３１：バルブ
３２：予備排気室
３３：ブランカー

Claims (8)

1. 試料に照射する為の荷電粒子ビームが透過する薄膜と、該薄膜近傍に配置された絞りと、前記荷電粒子ビームを前記試料面に収束する為のレンズと、前記薄膜と絞りとの間に電位差を印加するための手段とを有する荷電粒子線装置において、
   前記薄膜及び絞りは前記レンズの前側焦点位置から該レンズの焦点距離の４０％以内の位置に配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 前記薄膜及び絞りは前記レンズの前記試料に対する共役でない位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
3. 試料に照射する為の荷電粒子ビームが透過する薄膜と、該薄膜近傍に配置された絞りと、前記荷電粒子ビームを前記試料面に収束する為のダブレット光学系と、前記薄膜と絞りとの間に電位差を印加するための手段とを有する荷電粒子線装置において、
   前記薄膜及び絞りは前記ダブレット光学系の中間焦点位置から該ダブレット光学系の第２レンズの焦点距離の４０％以内の位置に配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 試料に照射する為の荷電粒子ビームが透過する薄膜と、該薄膜近傍に配置された絞りと、前記荷電粒子ビームを前記試料面に収束する為のレンズと、前記薄膜と絞りとの間に電位差を印加するための手段とを有する荷電粒子線装置において、
   前記薄膜及び絞りは前記試料面に収束される荷電粒子ビーム軌道が最も拡がる位置に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 前記レンズはダブレット光学系を構成し、前記薄膜及び絞りは該ダブレット光学系の第１レンズと第２レンズとの間の前記荷電粒子ビーム軌道が最も拡がる位置に配置されることを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子線装置。
6. 前記薄膜を交換するための交換機構を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の荷電粒子線装置。
7. 前記交換機構は予備排気室を有することを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子線装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の荷電粒子線装置を用いて基板を露光する工程と、露光した前記基板を現像する工程とを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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