JP2008010259A - 電子線を用いた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な水冷配管を敷設することなく、ステージの移動方向に対向する試料室の内周面の温度をほぼ等しくして、ステージや試料の温度変動を小さくすることができる電子線を用いた装置を提供する。
【解決手段】試料室１内にはステージ１０とステージベース９が内置され、冷却手段として冷却板５０や水冷配管を備える。試料室内面の囲枠板２０は金属板で形成され、囲枠ヒーターと囲枠温度センサーを裏面側に備えて、試料室の内周面をほぼ等しい温度に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子線描画装置、電子顕微鏡、電子線検査装置を含む電子線を用いた装置の試料室内壁の恒温化および温度制御に関する。

試料室の壁に水冷配管を備えて、温調水を流して温度安定化や温度均一性を計る方法として、非特許文献１（「Ｍ．Ｏｇａｓａｗａｒａ， ｅｔ． ａｌ． Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ６１−６２ （２００２） ３３７」）に記載されている。

また、試料室の外壁にヒータとセンサを備えて、ヒータに流す電流を制御することにより、試料室の温度制御を行うことが特許文献１（特開２００５−３２７９０１号公報）に記載されている。

さらに、図４に示すように、試料室の水冷配管１５や試料室蓋の水冷配管１６が設置される電子線描画装置もある。この電子線描画装置にあっては、面内の温度分布を小さくするための複雑な経路で配管が敷設される。水冷配管と試料室との熱の伝達を向上させるために、配管と試料室とのすきまにシリコーンゴムを充填したり、溶接したりすることが通常行われる。

「Ｍ．Ｏｇａｓａｗａｒａ， ｅｔ． ａｌ． Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ６１−６２ （２００２） ３３７」 特開２００５−３２７９０１号公報

電子線描画装置を含む電子線を用いた装置は、ＸＹ座標平面上を電子線の照射位置に合わせて縦横にステージが移動する。

このステージの移動方向に対向する試料室の内周面に温度差が分布した場合、ステージの移動にともなって、熱放射による入熱が変化するため、ステージの温度変動による熱変形によって描画精度が低下するという問題があった。

また、水冷配管を試料室に備えて温度制御をする場合、水冷装置の温度変動は±０．０３℃程度であり、試料室に対する温度の外乱をおさえようとして水冷配管と部材の伝熱を向上させようとすると水の温度変動が試料室に直接的に伝わって、熱収縮するため、ステージを位置決めするレーザー干渉計が移動し、描画精度が低下するという問題があった。

本発明は、複雑な水冷配管を敷設することなく、ステージの移動方向に対向する試料室の内周面の温度をほぼ等しくして、ステージや試料の温度変動を小さくすることができる電子線を用いた装置を提供することを目的とする。

本発明は、電子線を発生する電子源と、偏向・収束して導いた前記電子線を試料上の所定の位置に照射させる電子線鏡筒部と、前記試料を保持してＸＹ座標平面上を前記電子線の照射位置に合わせて縦横に移動するステージと、前記ステージを移動自在に載置するステージベースと、前記試料や前記ステージベースを内置する試料室を有する電子線を用いた装置において、前記ステージの移動方向に対向する前記試料室の内周面をほぼ等しい温度に制御することを特徴とする。

本発明によれば、複雑な水冷配管を敷設することなく、真空なる試料室の内周面を高精度に恒温化および均一化することができる。

本発明を電子線描画装置に適用することにより、描画時のステージや試料の温度変動を小さくすることができ、精度の高い描画が可能となる。

本発明の実施例について、電子線描画装置を挙げて説明する。

近年、半導体素子の微細化が進み、回路パターンの高い位置精度が要求されるようになってきた。電子線描画装置は、試料をステージ上に固定し、試料上に電子線を照射することにより、微細な回路パターンを数ナノメートルの位置精度で描画する装置である。

まず、図１を引用して電子線描画装置の概要から説明する。

試料１１はＸＹステージ１３上に固定される。電子源５が発生した電子ビームを電磁偏向器６や静電偏向器７で偏向・収束して前記試料１１上に照射することにより、微細回路パターンが描画される。

電子線鏡筒３は、内部に電子線４の電子ビームが流れる。内部には、電子ビームを偏向・収束する電磁偏向器６、静電偏向器７が備わる。

試料室１は、上部中央に電子線鏡筒３を載置する。試料室１内には、ステージ１０と、ステージ１０を移動自在に載置するステージベース９が内置される。ステージ１０は、試料１１を載置してＸＹ座標平面上を電子線の照射位置に合わせて縦横に移動する。

ローラガイド１２は、ステージ１０を移動自在に支持する。このローラガイド１２により、ステージ１０は、ＸＹ座標平面上を縦横に移動する。

ステージヒータ１３は、ステージ１０に内置される。ステージ１０には、ステージ温度センサ（図示せず）が内置される。

ステージベース９は、内部にステージベース冷却手段を有する。ステージベース冷却手段は、冷却板５０や水冷配管を含む。

冷却水温調器８は、試料室１の外部に備えられ、温度調整された冷媒をステージベース冷却手段に供給する。

金属製の囲枠板２０は、アルミやステンレス等を含む金属板で形成される。この金属製の囲枠板２０が試料室１内に置かれるので、ステージ１０の移動方向に対向する試料室１の内周面が金属製の囲枠板２０で内側から覆われる。

囲枠板２０は、ステージ１０の移動方向に対向する試料室１の内周面（４面）に加え、試料室１の天井に設けた。必要に応じ、天井に対向する囲枠板は省くことも可能である。

囲枠ヒータ２２と囲枠温度センサ２１は、囲枠板２０の裏面側に備わる。囲枠ヒータ２２の発熱量は、囲枠温度センサ２１の温度検知に応じて温度制御手段（図示せず）により制御される。

ここで、試料１１やステージ１０が周囲温度の影響を受けることについて、本発明との比較参考図である図２、図３を引用して説明する。

図２に示すように、描画開始時点においては、ステージ１０は試料室１の天井の蓋体１４のＡ領域と対向している。描画が進行するにしたがってステージ１０は右方に移動し、Ｂ領域と対向するようになる。蓋体１４は、冷却板５０や水冷配管を含む蓋体冷却手段を有する。

例えば、Ａ領域よりＢ領域の方が高温の場合には、右方に移動するにしたがってＢ領域の放射熱による入熱量が増加し、ステージ１０や試料１１の温度が上昇する。その結果、ステージ１０や試料１１が熱変形し、描画精度が低下する。

また、図３に示すように、試料室１の左方Ａと右方Ｂの壁に温度差がある場合もステージ１０は左右に移動することにより、図２の場合と同様に周囲の同様にステージ１０や試料１１は周囲温度の影響を受ける。ステージ１０が前後に移動した場合も同様に周囲温度の影響を受ける。

この対応として、前述のように図４に示すように構成を試みた。しかし、水冷配管を試料室に備えて温度制御をする場合、水冷装置の温度変動は±０．０３℃程度であり、試料室に対する温度の外乱をおさえようとして水冷配管と部材の伝熱を向上させようとすると水の温度変動が試料室に直接的に伝わって、熱収縮するため、ステージを位置決めするレーザー干渉計が移動し、描画精度が低下するという問題があった。

これらの問題を解決した実施例１について、図５、図６を引用して説明する。

図５に示すように、ステージ１０の移動方向に対向する試料室１の内周面（４面）を内側から覆う薄い金属製の囲枠板２０が設けられる。

この金属製の囲枠板２０は、図６に示すように、図６に示すように熱伝導の悪い断熱性を有する材料（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）のスペーサ３１を介して試料室１に固定される。締め付け用のネジ３０についてもポリテトラフルオロエチレンの断熱性を有する材料が使用される。

囲枠温度センサ２１および囲枠ヒータ２２は、ステージ１０と対向する面の反対側（囲枠板２０の裏面側）に取り付ける。それは、囲枠温度センサ２１がステージ１０の温度影響を直接受けたり、囲枠ヒータ２２の熱が放射によってステージ１０や試料１１に直接影響することを避けるためである。

また、囲枠ヒータ２２に電流を流すと磁場が生じ、電子ビームを意図しない方向に曲げる可能性がある。囲枠ヒータ２２としては、磁場漏洩が抑えられた磁場の漏洩が小さいものがよい。

特開２００５−３３３１１４号公報（参考文献）に公開されているように同一形状の電流線路を二段重ねし互いに逆向きに電流を流して磁場漏洩を低減するヒータや、無誘導巻き線白金測温抵抗体をヒータとして用いるとよい。

この磁場漏洩の小さいヒータは、ステージヒータにも採用することが望ましい。

囲枠温度センサ２１は、精度のよい４線式の白金測温抵抗体を用い、図示しないフィードスルーで大気中に引き出し、温度制御手段の温度制御器に接続される。図示しない温度制御器は０．０１℃以下の温度分解能精度を持つものを用いると精度のよい温度制御が可能となる。

金属製の囲枠板２０は、真空断熱で熱が逃げにくい構造のため温度が下がりにくいので、温度制御器にはオーバーシュートをさせないような制御パラメータを設定すべきである。

また、金属製の囲枠板２０は熱容量が小さいので、試料室１を直接制御するよりも制御性（応答性）がよく、外乱を抑制することが可能である。

囲枠温度センサ２１の位置はおおむねステージ１０と同じ高さとし、囲枠温度センサ２１の表面は金属製の囲枠板２０以外からの放射による影響を受けないように、熱放射率が金属製の囲枠板２０の表面と同等あるいはそれ以下程度とするべきである。

実施例２について説明する。

試料室１の内壁を温度制御する方法以外に、内壁からステージ１０や試料１１への温度の影響を小さくする方法としては、金属製の囲枠板の熱放射率を小さくことが考えられる。熱放射率は概ね０．１以下が望ましい。

こうすることにより、たとえ試料室１１の内壁に温度分布差が生じた場合でも、内壁に設置された金属製の囲枠板が熱放射遮蔽板の役割を果たすため、試料室１１の温度分布差がステージ１０や試料１１に及ぼす影響を小さくすることができる。

また真空の試料室１１内に設置される金属製の囲枠板の表面が鏡面になることによりガスの吸着が減り、真空度があがる。このため、電子光学系や試料等への異物の付着を低減する効果も期待される。電子線描画装置の構成としては、図６に示したものから囲枠温度センサ２１と囲枠ヒータ２２を取り除いた構成でよい。

実施例３について、図７を引用して説明する。

さらに試料室１１の温度影響をステージ１０に伝えないようにするには、金属製の囲枠板２０を間隔を空けて二重に配置する。

すなわち、金属製の囲枠板２０を間隔を空けて二重に配置し、試料室１１との間および二重の囲枠板２０間に断熱性を有するスペーサ３０をそれぞれ介在する。

このように、金属製の囲枠板２０を二重、三重の複数重ねにすることにより、ステージ１０や試料１１に対する温度影響がより効果的に抑えられる。

以上に述べたように、本発明によれば、試料室に複雑な水冷配管を敷設することなく、真空なる試料室の内周面を高精度に恒温化および均一化することができる。このため、安価かつ省スペースで試料室の温度分布がステージに与える影響を低減することが可能である。

また水冷装置の冷却水温度精度は、水冷装置出口の温度のみを補償しているケースが多いため、実際に制御したい場所（試料室）と温度補償点が離れており、試料室と水冷装置の配管の部分で温度誤差や温度精度低下が起こる。これに対し、本発明は制御点（試料室）と計測点（金属製の囲枠板２０）が近いため温度精度に優れるという特徴がある。

さらに複数本の水冷配管を装置内や装置近傍に引き込む場合、水漏れという事故を引き起こすリスクが増える。これに対し、本発明は囲枠温度センサ２１および囲枠ヒータ２２のリード線を複数本引き込むだけでよく、事故は起こりにくい。

本発明の実施例に関する電子線描画装置の概略を示す図である。 本発明との比較参考図で、天板に温度分布が存在する時の、ステージ移動によるステージ温度変化の原理を示す。 本発明との比較参考図で、試料室側面に温度分布が存在する時の、ステージ移動によるステージ温度変化の原理を示す。 従来の電子線描画装置の試料室を恒温化するための水冷配管構成を示す図である。 本発明の実施例に関するもので、試料室に金属製の囲枠板を内置した構成を示す図である。 本発明の実施例１に関するもので、金属製の囲枠板を試料室に固定する構造を示す図である。 本発明の実施例３に関するもので、二重の金属製の囲枠板を試料室に固定する構造を示す図である。

符号の説明

１…試料室、３…電子線鏡筒、４…電子線、５…電子源、６…電磁偏向器、７…静電偏向器、８…冷却水温調器、９…ステージベース、１０…ステージ、１１…試料、１２…ローラガイド、１３…ステージヒータ、２０…金属製の囲枠板、２１…囲枠温度センサ、２２…囲枠ヒータ。

Claims (13)

1. 電子源より発生した電子線を偏向、収束し、試料上の所定の位置に照射させる電子線鏡筒部と、前記試料を保持してＸＹ座標平面上を前記電子線の照射位置に合わせて縦横に移動するステージと、前記ステージを移動自在に載置するステージベースと、前記ステージおよび前記ステージベースを内置する試料室と、前記ステージの移動方向に対向する前記試料室の内周面をほぼ等しい温度に制御する制御手段とを設けたことを特徴とする電子線を用いた装置。
2. 電子源より発生した電子線を偏向、収束し、試料上の所定の位置に照射させる電子線鏡筒部と、前記試料を保持してＸＹ座標平面上を前記電子線の照射位置に合わせて縦横に移動するステージと、前記ステージを移動自在に載置するステージベースと、前記ステージおよび前記ステージベースを内置する試料室とを有し、
   前記試料室に前記ステージの移動方向に対向する前記試料室の内周面を内側から覆う金属製の囲枠板を設け、
   前記囲枠板をほぼ等しい温度に制御する制御手段を設けたことを特徴とする電子線を用いた装置。
3. 請求項２記載の電子線を用いた装置において、
   前記金属製の囲枠板に設けた囲枠ヒータと、
   前記金属製の囲枠板に設けた囲枠温度センサと、
   前記囲枠温度センサの温度検知に応じて前記囲枠ヒータの発熱量を制御する温度制御手段を有することを特徴とする電子線を用いた装置。
4. 請求項１または２記載の電子線を用いた装置において、
   前記ステージベースに設けられる、冷却板を含むステージベース冷却手段と、
   前記試料室の天井に設けた蓋体と、
   前記蓋体に設けられる、水冷配管を含む蓋体冷却手段を有することを特徴とする電子線を用いた装置。
5. 請求項１または２記載の電子線を用いた装置において、
   前記ステージに設けられる、磁場漏洩が抑えられた磁場漏洩の小さいステージヒータと、
   前記ステージに設けられるステージ温度センサを有することを特徴とする電子線を用いた装置。
6. 請求項３記載の電子線を用いた装置において、
   前記ステージに設けられるステージヒータと、
   前記ステージに設けられるステージ温度センサを有し、
   前記金属製の囲枠板と前記ステージをほぼ等しい温度に制御することを特徴とする電子線を用いた装置。
7. 請求項３記載の電子線を用いた装置において、
   前記ステージに設けられるステージヒータと、
   前記ステージに設けられるステージ温度センサを有し、
   前記囲枠ヒータと前記ステージヒータが、無誘導巻き線白金測温抵抗体であることを特徴とする電子線を用いた装置。
8. 請求項３記載の電子線を用いた装置において、
   前記ステージに設けられるステージヒータと、
   前記ステージに設けられるステージ温度センサと、
   前記ステージ温度センサの温度検知に応じて前記ステージヒータの発熱量を制御する温度制御手段の温度分解能精度が０．０１℃以下であることを特徴とする電子線を用いた装置。
9. 請求項２記載の電子線を用いた装置において、
   前記金属製の囲枠板の表面熱放射率が０．１以下であることを特徴とする電子線を用いた装置。
10. 請求項３記載の電子線を用いた装置において、
    前記金属製の囲枠板及び前記囲枠温度センサの表面熱放射率が０．１以下であることを特徴とする電子線を用いた装置。
11. 請求項２記載の電子線を用いた装置において、
    前記金属製の囲枠板は、断熱性を有するスペーサを介して前記試料室に支持されることを特徴とする電子線を用いた装置。
12. 請求項２記載の電子線を用いた装置において、
    前記金属製の囲枠板を間隔を空けて二重に配置し、試料室との間および二重の囲枠板間に断熱性を有するスペーサをそれぞれ介在したことを特徴とする電子線を用いた装置。
13. 請求項２から１２の何れかに記載された電子線を用いた装置において、
    前記金属製の囲いおよび前記試料室の内周面が四面で形成されていることを特徴とする電子線を用いた装置。

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