JP2012238624A - 電子ビーム描画装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子銃の電極の交換に要する時間を短縮するために有利な技術を提供する。
【解決手段】電子銃から放射される電子ビームによって基板にパターンを描画する電子ビーム描画装置は、前記電子銃を構成する電極の予備としての予備電極を調整するための調整チャンバーと、前記電子銃から使用済みの電極を取り外して、前記調整チャンバーの中で調整された予備電極を前記電子銃に組み込む駆動機構と、を備え、前記予備電極の調整は、前記予備電極に電力を供給することを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビーム描画装置およびデバイス製造方法に関する。

半導体デバイス製造の量産段階においては、高い生産性を持つ光ステッパが用いられてきた。線幅が０．１μｍ以下の４ＧＤＲＡＭ以降のメモリデバイスなどの生産においては、光露光方式の装置に代わる装置の１つとして、解像度が高く、生産性の優れた電子ビーム描画装置がある。

高スループットを実現するためには、電子ビーム描画装置の電子銃としては、例えば、輝度が２．０×１０^６Ａ／ｃｍ^２ｓｒ、エミッタンスが１５〜３０μｍ・ｍｒａｄ程度の電流が必要とされる。しかしながら、このような大電流での使用では、カソード電極の温度が１８００Ｋ以上の高温になるため、カソード電極の寿命が短くなるという課題がある。所望の性能を維持するには、カソード電極を高頻度で定期的に交換する必要がある。このことは、電子ビーム描画装置の稼働率を低下させ、製造されるデバイスのコスト高につながる。そこで、カソード電極交換に要する時間を短縮する様々な提案がなされている。

これらの従来技術の一例では、予備排気チャンバー内に新しいカソード電極を収容して予備排気チャンバーを真空排気しておく。そして、カソード電極の交換時にはゲート弁を開放して使用済みのカソード電極を電子銃チャンバー内から予備排気チャンバー内に取り出し、新しいカソード電極を予備排気チャンバー内から電子銃チャンバー内に送り込み、ゲート弁を閉じる。その後、電子銃チャンバー内を真空排気することにより運転を再開する。ここで、使用済みのカソード電極は、予備排気チャンバーの開口部から取り出すこともできる。この方法によれば、電子銃チャンバー内は大気に開放されないので、カソード電極の交換後にすぐに運転を再開することができる。また、たとえカソード電極の交換後に電子銃チャンバー内を高真空に真空排気する必要があっても、それは極めて短時間でなされうる。（特許文献１）
しかしながら、カソード電極の交換直後の電子銃は、異常放電をしやすいことが知られている。これは、交換したカソード電極やファラメント等の部品についた異物や傷等の影響によるものである。つまり、通常のビーム出力を行うために定格の高電圧を印加した初期段階において、これらの傷や異物に電界が集中することにより、その部分が絶縁破壊を起こして、異常放電が多数発生するのである。これを回避するために、電子銃の電子ビーム発生部の一部又は全部を交換もしくはメンテナンスした後に、真空排気した状態で電子銃に高電圧を印加して、耐電圧性能を高めるための電極の焼き出しおよびコンディショニング処理が行われる。（特許文献２）

特開平４−２９２８４１号公報 特開２００５−０２６１１２号公報（段落０００８、図８）

しかし、真空チャンバー内にあるカソード電極の焼き出しおよびコンディショニングのような調整には長時間を要し、その間は基板にパターンを描画することができない。よって、基板への描画処理ができるようになるまでに相応の時間を要するという問題がある。

本発明は、上記のような課題認識を契機としてなされたものであり、電子銃の電極の交換に要する時間の短さの点で有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、電子銃から放射される電子ビームによって基板にパターンを描画する電子ビーム描画装置に係り、前記電子ビーム描画装置は、前記電子銃を構成する電極の予備としての予備電極を調整するための調整チャンバーと、前記電子銃から使用済みの電極を取り外して、前記調整チャンバーの中で調整された予備電極を前記電子銃に組み込む駆動機構と、を備え、前記予備電極の調整は、前記予備電極に電力を供給することを含む。

本発明によれば、電子銃の電極の交換に要する時間の短さの点で有利な技術が提供される。

本発明の第１実施形態の電子ビーム描画装置の構成を示す図。 本発明の第１実施形態の電子ビーム描画装置の動作を示すフローチャート。 本発明の第１実施形態の電子ビーム描画装置の動作を示すフローチャート。 本発明の第１実施形態の電子ビーム描画装置の動作を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態の電子ビーム描画装置の構成を示す図。

以下に、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１を参照しながら本発明の第１実施形態の電子ビーム描画装置１００の構成を説明する。ここでは、複数の電子ビームで基板１０にパターンを描画する電子ビーム描画装置の例を説明するが、複数の電子ビームを使うか否かは本質的な事項ではなく、本発明は、単一の電子ビームを使って基板１０にパターンを描画する電子ビーム描画装置にも適用できる。

電子ビーム描画装置１００は、外部空間から内部空間を隔離するチャンバーＣＨの中で電子ビームによって基板１０にパターンを描画して潜像を形成するように構成されている。チャンバーＣＨは、例えば、電子銃チャンバー２、デバイスチャンバー７、投影系チャンバー８、ステージチャンバー９を含みうる。電子銃チャンバー２には、電子銃ＥＧが収容されている。デバイスチャンバー７には、ブランキングアレイ１３、レンズアレイ１４、アパーチャアレイ１５、コリメータレンズ１６が収容されている。投影系チャンバー８には、投影系ＰＬが収容されている。ステージチャンバー９には、ステージ３１が収容されている。

電子銃チャンバー２には、イオンポンプ３が接続されており、内部の真空度は、基板１０に電子ビームを照射しない状態では、例えば、５．０×１０^−７〜２．０×１０^ー６Ｐａ程度にされる。その他のチャンバー７、８、９にも図示していないが、真空ポンプが接続されており、例えば、１０^−５Ｐａ台程度まで真空引きを行うことが可能となっている。

電子銃ＥＧは、３つの電極、即ちカソード電極１９、ウェネルト電極１８、アノード電極１７を含む。電子銃ＥＧは、カソード電極１９が電源２３から供給される電流により１７００Ｋから１９００Ｋ程度に加熱されることで、カソード電極１９から熱電子を放出する。この電子銃ＥＧから放射状に放出される電子ビーム２８のうち描画に不要な部分は、遮断電極２７によって遮断される。電子ビーム２８は、静電レンズ（不図示）、コリメータレンズ１６によって所望の大きさを持ったビームに成形された後、アパーチャアレイ１５に対してほぼ垂直に入射する。アパーチャアレイ１５は、複数のアパーチャを有するプレートである。アパーチャアレイ１５によって複数の電子ビームＥＢが生成され、レンズアレイ１４によってそれぞれブランキングアレイ１３に収束される。

ブランキングアレイ１３は、ブランカーとして構成された偏向器のアレイであり、描画すべきパターンに応じて複数の電子ビームＥＢを個々に偏向させる。ブランキングアレイ１３によって偏向された電子ビーム２８はブランキング絞り１２によって遮断され、ブランキングアレイ１３によって偏向されない電子ビーム２８は投影系ＰＬによって収束された後にステージ３１上の基板１０に照射される。

基板１０にパターンを描画し続けると、電子銃ＥＧのカソード電極１９の先端がしだいに昇華していき、カソード電極１９の形状が変化する。これにより、電子ビームの照度が所望のエネルギーに達していない状態になり、電子銃ＥＧが寿命を迎える。この寿命は、カソード電極１９の使用温度、使用環境、電極材の形状に起因するもので、例えば、電極材がＬａＢ_６（６ホウ化ランタン）であれば、１０００時間〜２０００時間程度である。

電子ビーム描画装置１００は、カソード電極１９の予備としてのカソード電極（予備電極）２５を準備するための調整チャンバー１と寿命を終えたカソード電極１９の取り出しを行う取り出しチャンバー４を備えている。第１実施形態では、調整チャンバー１は、電子銃チャンバー２の外側に配置されている。

以下、図１のほか図２のフローチャートを参照しながら電子ビーム描画装置１００の動作を例示的に説明する。電子ビーム描画装置１００は、以下の動作を制御するコントローラＣＮＴを備えている。

ステップＳ１では、基板１０を描画するために、コントローラＣＮＴは、電子銃ＥＧに電子ビームの放射を開始させる。ステップＳ４では、コントローラＣＮＴは、電子銃ＥＧから放射される電子ビームの照度が安定するまで待つ。この段階では、ブランキングアレイ１３は、基板１０に電子ビームＥＢが照射されないように、即ちブランキング絞り１２で遮断されるように電子ビームＥＢを偏向させる。電子銃ＥＧからの電子ビームの照度が安定したことは、図示していないが、ブランキング絞り１２よりも電子銃ＥＧ側に配置されている電子検出器（フォトダイオード、ファラデーカップ等）を使って確認することができる。

コントローラＣＮＴは、任意のタイミング、例えば、ステップＳ１の前又は直後のタイミングで、あるいは、基板へのパターンの描画中、描画後などのタイムングで、ステップＳ２を実行しうる。ステップＳ２は、現時点で使用されているカソード電極１９の劣化が所定基準まで進行したときに実行されてもよい。この劣化は、カソード電極１９の画像診断またはカソード電極１９の累積使用時間に基づいて判断されうる。

ステップＳ２では、コントローラＣＮＴは、予備のカソード電極２５の準備が適正に終了しているか否かを確認する。予備のカソード電極２５の準備が適正に終了している場合には、ステップＳ２およびそれに続く処理は終了する。一方、予備のカソード電極２５の準備が適正に終了していない場合には、コントローラＣＮＴは、ステップＳ３（予備のカソード電極２５の準備）を実行する。ステップＳ３（予備のカソード電極２５の準備）の詳細については後述する。

ステップＳ４において電子銃ＥＧからの電子ビームの照度が安定したと判断されると、ステップＳ５において、コントローラＣＮＴは、基板１０へのパターンの描画処理を実行する。ステップＳ５におけるパターンの描画処理は、基板１０を保持したステージ３１を駆動しながらパターンデータに従ってブランキングアレイ１３の各ブランカーを制御することによってなされうる。ステップＳ６では、コントローラＣＮＴは、規定枚数の描画処理がなされたか否かを判断し、現時点で電子銃ＥＧに取り付けられ使用されているカソード電極１９が取り付け後に規定枚数の基板の処理に使用されたか否かを判断する。そして、カソード電極１９が規定枚数の基板の処理に使用されたと判断された場合には、コントローラＣＮＴは、ステップＳ９を実施する。

ステップＳ９では、コントローラＣＮＴは、電子銃ＥＧから放射される電子ビームの照度を前述の電子検出器を使って計測する。ステップ１０では、コントローラＣＮＴは、ステップＳ９における計測結果に基づいて、電子銃ＥＧ（ここでは、カソード電極１９）が寿命を迎えたか否かを判定する。そして、電子銃ＥＧ（カソード電極１９）が寿命を迎えたと判定されると、ステップＳ１１において、コントローラＣＮＴは、カソード電極１９を準備されている予備のカソード電極２５に交換する。ステップＳ１１（カソード電極の交換）の詳細については後述する。

以下、図３を参照しながらステップＳ３（予備のカソード電極２５の準備）の詳細を説明する。ステップＳ２１では、調整チャンバー１のバルブ５が開かれて、駆動機構２１に予備のカソード電極２５を保持させ、調整チャンバー１の中に移動させる。ステップＳ２２では、コントローラＣＮＴは、予備のカソード電極２５を駆動機構２１に沿って所定位置まで移動させる。ここで、調整チャンバー１の中には、ウェネルト電極４２、アノード電極４１が配置されていて、予備のカソード電極２５、ウェネルト電極４２、アノード電極４１によってカソード電極２５を調整するための電子銃ＥＧ’が構成される。所定位置とは、予備のカソード電極２５が電子銃ＥＧ’に組み込まれ、予備のカソード電極２５に対して電源２３から電流を供給することができる位置である。ステップＳ２３では、バルブ５が閉じられ、調整チャンバー１の真空引きが行われる。

調整チャンバー１内の圧力が所定圧力（真空度）、例えば２．０×１０^−６Ｐａに低下すると、コントローラＣＮＴは、ステップＳ２４を実行する。ステップＳ２４では、コントローラＣＮＴは、予備のカソード電極２５の導入方向以外を取り囲むように配置されている囲い部２４の温度を上昇させ、カソード電極２５の周辺温度を上昇させる。予備のカソード電極２５の周辺温度を所定温度、例えば１３０℃から１５０℃の範囲内の温度にする。これにより、カソード電極２５が加熱され、カソード電極２５から揮発するガスが排出される。囲い部２４の温度を上昇させるために、基板１０の描画に利用されなった電子の熱が利用されうる。遮断電極２７、アパーチャアレイ１５、ブランキング絞り１２（電子ビームを遮断する電子光学素子）では、多くの電子ビームを遮断するため、多くの熱を発生する。そのままでは、それらを構成する部材が溶融したり、変形したりしうる。そこで、電子ビーム描画装置１００は、遮断電極２７、アパーチャアレイ１５、ブランキング絞り１２を冷却する冷却装置３０を備えている。電子ビーム描画装置１００は、冷却装置３０からの排熱を利用して囲い部２４の温度を上昇さるように構成されている。

ステップＳ２５では、コントローラＣＮＴは、予備のカソード電極２５の焼き出しを行う。予備のカソード電極２５の焼き出しは、電源２３から予備のカソード電極２５に電流を供給することによって行われうる。予備のカソード電極２５の焼き出しは、例えば、温度１５０℃程度で、２４時間〜４８時間程度で終了しうる。焼き出しが終了すると、ステップＳ２６において、コントローラＣＮＴは、囲い部２４の温度（周辺温度）の上昇を停止させる。これによって、温度が徐々に低下し、真空度が回復する。

調整チャンバー１内の真空度がステップＳ２３で到達した真空度になったら、コントローラＣＮＴは、ステップＳ２７において、予備のカソード電極２５のコンディショニングを行う。コンディショニングは、例えば、プログラムに従って、予備のカソード電極２５が放電しないことを確認しながら、徐々にカソード電極２５に対する印加電圧を上昇させる処理を含みうる。印加する電圧の最大値は、例えば、電子銃ＥＧで使用される電圧の１．５倍程度でありうる。印加電圧を上昇させる過程で予備のカソード電極２５が放電を起こした場合、一旦電圧を低下させてから再度電圧を上昇させる。放電回数が所定回数を超えた場合は、コンディショニングエラーとなる。この場合、カソード電極２５の初期不良とみなし、電極調整フローのはじめに戻り、新たなカソード電極２５に交換する。ここで、カソード電極２５の焼き出しおよびコンディショニングは、電源２３からカソード電極２５に電力を供給する点では共通しており、いずれもカソード電極２５の調整の概念に含まれうる。

ステップＳ２７（コンディショニング）の終了後、ステップＳ２８において、コントローラＣＮＴは、調整チャンバー１の中に配置された検査部２６を使用して予備のカソード電極２５のコンディショニング（あるいは調整）が適正に終了したか否かを検査する。検査項目は、例えば、予備のカソード電極２５を含む電子銃から放射される電子ビームの照度、予備のカソード電極２５の形状などを含みうる。検査の結果、予備のカソード電極２５が不合格となった場合には、コントローラＣＮＴは、ステップＳ２４まで処理を戻してリトライするか、ステップＳ２１まで処理を戻して新たなカソード電極２５を調整する。ステップＳ３０では、予備のカソード電極２５が合格した場合には、調整チャンバー１の真空環境中に維持される。

以下、図４を参照しながらステップＳ１１（カソード電極の交換）の詳細を説明する。ステップＳ４１では、コントローラＣＮＴは、電子銃チャンバー２内にある電子銃ＥＧへの電力供給を停止する。ステップＳ４２では、コントローラＣＮＴは、調整チャンバー１内の調整用の電子銃ＥＧ’への電力供給を遮断する。

ステップＳ４３では、コントローラＣＮＴは、電子銃チャンバー２と取り出しチャンバー４との接続部分に配置されたバルブ２０を開く。ステップＳ４４では、コントローラＣＮＴは、駆動機構２１に、使用済のカソード電極１９を電子銃チャンバー２から取り出しチャンバー４に移動させる。ステップＳ４５では、コントローラＣＮＴは、バルブ２０を閉じる。ステップＳ４６では、コントローラＣＮＴは、取り出しチャンバー４を大気開放する。ステップ４７では、コントローラＣＮＴは、取り出しチャンバー４の大気側のバルブ６を開く。ステップＳ４７では、使用済みのカソード電極１９が取り出しチャンバー４から取り出される。

ステップＳ４８では、コントローラＣＮＴは、電子銃チャンバー２と調整チャンバー１との接続部分に配置されたバルブ２２を開く。ステップＳ４９では、コントローラＣＮＴは、駆動機構２１に、予備のカソード電極２５を調整チャンバー１から電子銃チャンバー２に移動させ、電子銃ＥＮに組み込ませる。ステップＳ５０では、コントローラＣＮＴは、バルブ２２を閉じる。ステップＳ５１では、コントローラＣＮＴは、電子銃ＥＮに組み込まれた予備のカソード電極２５の検査（例えば、電極の導通検査）を行う。ステップＳ５２では、コントローラＣＮＴは、カソード電極２５のアライメントを行う。

以上のように、調整チャンバーを設けて、次に使用すべき予備のカソード電極を調整チャンバーの中で調整（焼き出し、コンディショニング）をすることにより、真空引き、焼き出し、コンディショニングに要する時間を短縮することができる。これにより、スループットを上げることが可能となる。

図５を参照しながら本発明の第２実施形態の電子ビーム描画装置１００の構成を説明する。なお、ここで言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。図５では、デバイスチャンバー７、投影系チャンバー８およびステージチャンバー９が省略されている。第２実施形態では、調整チャンバー１が電子銃チャンバー２の中に配置されている。調整チャンバー１内の予備のカソード電極２５を加熱するために、電子ビーム２８の不要な部分を遮断する遮断電極２７が発生する熱が利用される。また、調整チャンバー１からの熱が電子銃チャンバー２内の構成要素、例えば、電子銃ＥＧに影響を与えないように、調整チャンバー１には熱遮断５１が設けられている。

以上は、カソード電極、ウェネルト電極およびアノード電極のうちカソード電極を交換する例であるが、他の電極を交換する際に本発明を適用することもできる。また、電子銃の構成は、このような例に限定されるものではなく、種々の構成を採用しうる。

本発明の実施形態のデバイス製造方法は、例えば、半導体デバイスやレチクルなどのデバイスの製造に好適である。前記方法は、感光剤が塗布された基板に上記の電子ビーム描画装置を用いてパターンを描画する工程と、該基板を現像する工程とを含みうる。さらに、前記デバイス製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含みうる。

Claims (9)

1. 電子銃から放射される電子ビームによって基板にパターンを描画する電子ビーム描画装置であって、
   前記電子銃を構成する電極の予備としての予備電極を調整するための調整チャンバーと、
   前記電子銃から使用済みの電極を取り外して、前記調整チャンバーの中で調整された予備電極を前記電子銃に組み込む駆動機構と、を備え、
   前記予備電極の調整は、前記予備電極に電力を供給することを含む、
   ることを特徴とする電子ビーム描画装置。
2. 前記予備電極の調整は、前記予備電極を加熱することを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム描画装置。
3. 前記電子銃から放射された電子ビームを遮断する電子光学素子を備え、前記電子光学素子が電子ビームを遮断して発生した熱を利用して前記予備電極が加熱される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム描画装置。
4. 前記予備電極の調整は、調整用の電子銃に前記予備電極を組み込んだ状態で実施される、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子ビーム描画装置。
5. 前記調整チャンバーの中に前記予備電極を検査する検査部が配置されていて、前記予備電極の調整が適正に終了したか否かが前記検査部を使用して検査される、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項に記載の電子ビーム描画装置。
6. 前記調整チャンバーは、前記電子銃を収容したチャンバーの外側に配置され、前記調整チャンバーと前記チャンバーとが接続されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子ビーム描画装置。
7. 前記調整チャンバーは、前記電子銃を収容したチャンバーの中に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子ビーム描画装置。
8. 前記予備電極は、カソード電極である、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電子ビーム描画装置。
9. デバイスを製造するデバイス製造方法であって、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電子ビーム描画装置を用いて基板にパターンを描画する工程と、
   前記工程でパターンを描画された基板を現像する工程と、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。