JP2018010928A - 電子ビーム描画装置及び電子ビーム描画方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カソード中心部からのエミッション電流が一定となるようにして、描画精度を向上させる。【解決手段】本発明の一態様による電子ビーム描画装置は、全エミッション電流Ｉ０の一部であるカソードの外周部からのエミッション電流Ｉ１´を検出する検出器２５と、全エミッション電流Ｉ０の一部であるカソードの中心部からのエミッション電流Ｉ２を検出する検出器５４と、全エミッション電流Ｉ０、エミッション電流Ｉ１´及びＩ２を用いて、エミッション電流Ｉ１´に対するカソード外周部からのエミッション電流の比率となる係数ｋ１を求める制御部１０と、電子ビームを用いて基板Ｓにパターンを描画する描画部３０と、を備える。基板Ｓへのパターン描画中、制御部１０は、全エミッション電流Ｉ０から、エミッション電流Ｉ１´に係数ｋ１を乗じた値を減じてエミッション電流Ｉ２の値を推定し、この推定値が一定となるように全エミッション電流Ｉ０を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、電子ビーム描画装置及び電子ビーム描画方法に関する。

ＬＳＩの高集積化に伴い、半導体デバイスの回路線幅は年々微細化されてきている。半導体デバイスへ所望の回路パターンを形成するためには、縮小投影型露光装置を用いて、石英上に形成された高精度の原画パターン（マスク、或いは特にステッパやスキャナで用いられるものはレチクルともいう。）をウェーハ上に縮小転写する手法が採用されている。高精度の原画パターンは、電子ビーム描画装置によって描画され、所謂、電子ビームリソグラフィ技術が用いられている。

電子ビーム描画装置の電子銃としては、カソードをヒータとする熱電子放射型の電子銃が用いられる。この電子銃では、カソードを加熱することで電子が放出される。放出された電子は加速電圧により加速され、電子ビームとして放出されて試料上に照射される。従来の電子ビーム描画装置では、カソードから放出される電子の電流（エミッション電流）が一定になるよう制御されていた。

エミッション電流の変動量は場所によって異なり、例えば、カソード中心部からのエミッション電流の変動量と、カソード外周部からのエミッション電流の変動量とが異なることがある。試料に照射される電子ビームは、主にカソード中心部から放出される電子によるものであるため、カソード中心部からのエミッション電流が一定となることが好ましい。

しかし、従来は、カソード中心部からのエミッション電流及びカソード外周部からのエミッション電流を足し合わせた全エミッション電流のみを測定し、この全エミッション電流が一定となるように制御していた。カソード中心部からのエミッション電流が変動していなくても、カソード外周部からのエミッション電流が変動すると全エミッション電流も変動するため、全エミッション電流を所定値とするような制御を行っていた。このような制御は、変動していなかったカソード中心部からのエミッション電流を変動させることになり、却って描画精度に影響を及ぼすことがあった。

特開２０１３−２３９５１４号公報 特開２０１２−１８７９０号公報 特開２００４−８６９５３号公報

本発明は、カソード中心部からのエミッション電流が一定となるようにして、描画精度を向上させることができる電子ビーム描画装置及び電子ビーム描画方法を提供することを課題とする。

本発明の一態様による電子ビーム描画装置は、電子ビームを放出するカソード、アノード、前記カソードと前記アノードとの間に配置されたウェネルトを有する電子銃と、前記カソード及び前記アノード間に加速電圧を印加する高圧電源と、全エミッション電流を制御する電流制御部とを有する高圧電源部と、前記全エミッション電流の一部である前記カソードの外周部からの第１エミッション電流を検出する第１検出器と、描画対象の基板を載置するステージと、前記全エミッション電流の一部である前記カソードの中心部からの第２エミッション電流を検出する第２検出器と、前記全エミッション電流、前記第１エミッション電流、及び前記第２エミッション電流を用いて、前記第１エミッション電流に対する前記カソード外周部からのエミッション電流の比率となる係数を求める制御部と、前記電子ビームを用いて前記基板にパターンを描画する描画部と、を備え、前記描画部が前記基板にパターンを描画している間、前記制御部は、前記全エミッション電流から、前記第１エミッション電流に前記係数を乗じた値を減じて前記第２エミッション電流の値を推定し、該推定値が一定となるように前記電流制御部を制御することを特徴とするものである。

本発明の一態様による電子ビーム描画装置において、前記描画部は、前記基板の描画領域を複数のストライプ領域に仮想分割し、ストライプ領域単位で描画を行い、第１ストライプ領域の描画後、描画順が次の第２ストライプ領域の描画前に、前記第２検出器が前記第２エミッション電流を検出し、前記制御部は、検出した第２エミッション電流を用いて前記係数を更新し、前記第２ストライプ領域の描画中は、更新後の係数を用いて前記第２エミッション電流の値を推定する。

本発明の一態様による電子ビーム描画装置において、前記第１検出器は、前記アノード及びその下部に設けられるディテクタの少なくともいずれかに設けられる。

本発明の一態様による電子ビーム描画装置は、前記アノード及びその下方に設けられる前記ディテクタにそれぞれ前記第１検出器が設けられ、前記アノード及び前記ディテクタの両方で検出した電流の合計を前記第１エミッション電流とする。

本発明の一態様による電子ビーム描画方法は、電子銃のカソード及びアノードの間の全エミッション電流を制御し、前記カソードから電子ビームを放出する工程と、前記全エミッション電流の一部である前記カソードの外周部からの第１エミッション電流を検出する工程と、前記全エミッション電流の一部である前記カソードの中心部からの第２エミッション電流を検出する工程と、前記全エミッション電流、前記第１エミッション電流、及び前記第２エミッション電流を用いて、前記第１エミッション電流に対する前記カソード外周部からのエミッション電流の比率となる係数を求める工程と、を備え、前記電子ビームを用いて前記基板にパターンを描画している間、前記全エミッション電流から、前記第１エミッション電流に前記係数を乗じた値を減じて前記第２エミッション電流の値を推定し、該推定値が一定となるように前記全エミッション電流を制御することを特徴とするものである。

本発明によれば、カソード中心部からのエミッション電流が一定となるようにして、描画精度を向上させることができる。

本発明の実施形態による電子ビーム描画装置の概略図である。 同実施形態による電子銃の概略構成図である。 同実施形態による電子ビーム描画方法を説明するフローチャートである。 別の実施形態による電子銃の概略構成図である。 別の実施形態による電子銃の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態による電子ビーム描画装置の概略構成を示す。図２は、電子銃４１及び電子銃電源回路２０の概略構成を示す。図３は、本実施形態による電子ビーム描画方法を説明するフローチャートである。

図１に示す描画装置１は、描画対象の基板Ｓに電子ビームを照射して所望のパターンを描画する描画部３０と、描画部３０の動作を制御する制御部１０とを備える。

描画部３０は、電子ビーム鏡筒４０及び描画室５０を有している。電子ビーム鏡筒４０内には、電子銃４１、ブランキングアパーチャ４２、第１成形アパーチャ４３、第２成形アパーチャ４４、ブランキング偏向器４５、成形偏向器４６、対物偏向器４７、レンズ４８（照明レンズＣＬ、投影レンズＰＬ、対物レンズＯＬ）が配置されている。

描画室５０内には、移動可能に配置されたＸＹステージ５２が配置される。ＸＹステージ５２上には、描画対象の基板Ｓが載置されている。基板Ｓは、例えば、半導体装置を製造する際の露光用マスク、マスクブランクス、半導体装置が製造される半導体基板（シリコンウェハ）等である。また、ＸＹステージ５２上には、基板Ｓが載置される位置とは異なる位置にファラデーカップ５４が配置されている。

電子銃４１から放出された電子ビーム４９は、照明レンズ４８（ＣＬ）により矩形の穴を持つ第１成形アパーチャ４３全体を照明する。ここで、電子ビーム４９をまず矩形に成形する。そして、第１成形アパーチャ４３を通過した第１成形アパーチャ像の電子ビームは、投影レンズ４８（ＰＬ）により第２成形アパーチャ４４上に投影される。第２成形アパーチャ４４上での第１アパーチャ像の位置は、成形偏向器４６によって制御され、ビーム形状と寸法を変化させることができる。

そして、第２成形アパーチャ４４を通過した第２アパーチャ像の電子ビームは、対物レンズ４８（ＯＬ）により焦点が合わされ、対物偏向器４７により偏向されて、ＸＹステージ５２上の基板Ｓの所望する位置、又はファラデーカップ５４に照射される。

電子銃４１から放出された電子ビーム４９は、ブランキング偏向器４５によって、ビームオンの状態では、ブランキングアパーチャ４２を通過するように制御され、ビームオフの状態では、ビーム全体がブランキングアパーチャ４２で遮蔽されるように偏向される。ビームオフの状態からビームオンとなり、その後ビームオフになるまでにブランキングアパーチャ４２を通過した電子ビームが１回の電子ビームのショットとなる。各ショットの照射時間により、基板Ｓの表面のレジスト膜に照射される電子ビームのショットあたりの照射量が調整されることになる。

制御部１０は、制御計算機１２、制御回路１４、及び電子銃電源回路２０を有している。

制御計算機１２は、描画データに対し複数段のデータ変換処理を行って装置固有のショットデータを生成し、制御回路１４に出力する。ショットデータには、各ショットの照射位置、ビーム形状、寸法、照射量等が定義される。

制御回路１４は、ショットデータに定義された照射量を電流密度で割って照射時間ｔを求める。そして、制御回路１４は、対応するショットを行う際、照射時間ｔに基づいて、ブランキング偏向器４５に偏向電圧を印加する。

制御回路１４は、ショットデータに定義されたビーム形状及び寸法に基づいて、成形偏向器４６に偏向電圧を印加する。また、制御回路１４は、ＸＹステージ５２の位置及びショットデータに定義された照射位置に基づいて、対物偏向器４７に偏向電圧を印加する。

制御計算機１２は、電子銃４１に接続された電子銃電源回路２０の動作を制御する。

電子銃４１は、熱電子銃（熱放出型電子銃）であって、図２に示すように、カソード６０（電子ビーム源）と、ウェネルト６２（ウェネルト電極）と、アノード６４と、ディテクタ６６と、を有する。カソード６０として、例えば、六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）結晶等を用いることができる。

ウェネルト６２は、カソード６０とアノード６４との間に配置され、カソード６０から放出される電子ビーム４９が通過する開口部を備える。アノード６４は接地され、電位がグランド電位に設定されている。

ディテクタ６６は、カソード６０の中心部からの電子ビーム４９ｂが通過する開口部を備えたアパーチャ部材である。カソード６０の外周部からの電子ビーム４９ａの一部は、ディテクタ６６によって遮蔽される。ディテクタ６６とグランドとの間に後述する電流計２５が設けられ、電流Ｉ１´が測定される。電流Ｉ１´は、カソード外周部からのエミッション電流Ｉ１の一部である。

ディテクタ６６を通過したカソード６０の中心部からの電子ビーム４９ｂがファラデーカップ５４に照射されると、カソード中心部からのエミッション電流Ｉ２が測定される。

電子銃４１には、電子銃電源回路２０が接続される。電子銃電源回路２０には、加速電圧電源２１と、電流制御回路２２と、検出抵抗２３と、フィラメント電力供給回路２４と、電流計２５と、が配置される。

加速電圧電源２１の陰極（−）側が、電流制御回路２２及び検出抵抗２３を介して、カソード６０に接続される。加速電圧電源２１の陽極（＋）側は、アノード６４に接続されると共に接地（グランド接続）されている。また、加速電圧電源２１の陰極（−）は、ウェネルト６２に分岐して接続される。

電流制御回路２２は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等から構成されている。検出抵抗２３は、電流制御回路２２とカソード６０との間に設けられる。検出抵抗２３の両端の電位差から、全エミッション電流Ｉ０が検出される。ここで、全エミッション電流Ｉ０は、カソード外周部からのエミッション電流Ｉ１と、カソード中心部からのエミッション電流Ｉ２との合計である。

カソード６０の電子放出面とは反対側の部分は図示しないヒータ部材に覆われている。そして、フィラメント電力供給回路２４は、カソード６０のヒータ部材に接続される。加速電圧電源２１は、カソード６０とアノード６４間に加速電圧を印加する。電流制御回路２２は、ウェネルト６２にバイアス電圧が印加される。そして、フィラメント電力供給回路２４は、ヒータ部材を介してカソード６０にフィラメント電力を供給し、加熱する。

加速電圧電源２１からカソード６０に負の加速電圧が印加され、電流制御回路２２によりウェネルト６２に負のバイアス電圧が印加された状態でカソード６０が加熱されると、カソード６０から電子が放出され、放出された電子（電子群）は加速電圧によって加速されて電子ビーム４９となってアノード６４に向かって進む。そして、アノード６４及びディテクタ６６に設けられた開口部を電子ビーム４９が通過して、電子銃４１から放出される。

本実施形態では、カソード中心部からのエミッション電流Ｉ２が一定となるように制御を行う。但し、基板Ｓにパターンを描画している間は、全エミッション電流Ｉ０及びエミッション電流Ｉ１´を測定することは出来るが、ファラデーカップ５４でエミッション電流Ｉ２を測定することは出来ない。

そこで、本実施形態では、描画前、又は描画中の所定のタイミングにおいて、ファラデーカップ５４でエミッション電流Ｉ２を測定する（図３のステップＳ１０１）。そして、制御計算機１２が、全エミッション電流Ｉ０及びエミッション電流Ｉ１´を用いて、以下の数式１から係数ｋ１を求める（ステップＳ１０２）。

数式１：ｋ１＝（Ｉ０−Ｉ２）／Ｉ１´

上述したように、全エミッション電流Ｉ０は、カソード外周部からのエミッション電流Ｉ１と、カソード中心部からのエミッション電流Ｉ２との合計である。数式１で求まる係数ｋ１は、エミッション電流Ｉ１´に対するカソード外周部からのエミッション電流Ｉ１の比率である。すなわち、係数ｋ１は、電流計２５で測定される電流Ｉ１´から、カソード外周部からのエミッション電流Ｉ１を算出（推定）するための係数である。

そして、基板Ｓにパターンを描画している間は、全エミッション電流Ｉ０及びエミッション電流Ｉ１´を測定し、制御計算機１２が、以下の数式２からエミッション電流Ｉ２を算出（推定）する。

数式２：Ｉ２＝Ｉ０−ｋ１×Ｉ１´

制御計算機１２は、数式２から算出したエミッション電流Ｉ２が一定となるように、電流制御回路２２を制御しながら描画処理を行う（ステップＳ１０３）。例えば、電流制御回路２２のＦＥＴのゲート電圧を制御する。

基板Ｓの描画では、基板Ｓの描画領域が、所定幅の短冊状の複数のストライプ領域に仮想分割され、ストライプ領域単位で順に描画される。例えば、１本のストライプ領域の描画後、次のストライプ領域の描画前にファラデーカップ５４でエミッション電流Ｉ２を測定し、係数ｋ１を更新することが好ましい（ステップＳ１０４＿Ｙｅｓ、Ｓ１０５＿Ｎｏ）。次のストライプ領域の描画中は、更新後の係数ｋ１を用いてエミッション電流Ｉ２を算出し、エミッション電流Ｉ２が一定となるように制御を行う。

カソード中心部からのエミッション電流Ｉ２が変動していなくても、カソード外周部からのエミッション電流Ｉ１が変動することがある。全エミッション電流Ｉ０を一定とする制御では、好適な値を維持していたエミッション電流Ｉ２を変動させ、却って描画精度に影響を及ぼし得る。

一方、本実施形態では、カソード中心部からのエミッション電流Ｉ２を推定（算出）し、この推定値が一定となるようにしている。すなわち、全エミッション電流Ｉ０が変動しても、カソード中心部からのエミッション電流Ｉ２が変動しない場合は、電流制御を行わない。そのため、基板Ｓに照射されるカソード中心部からの電子ビーム４９ｂの挙動が安定し、描画精度を向上させることができる。

上記実施形態では、ディテクタ６６に接続された電流計２５で測定されるエミッション電流Ｉ１´から、カソード外周部からのエミッション電流Ｉ１を推定する例について説明したが、図４に示すように、アノード６４とグランドとの間に電流計２６を設け、電流Ｉ１″を測定してもよい。この場合、制御計算機１２は、以下の数式３から係数ｋ２を求める。

数式３：ｋ２＝（Ｉ０−Ｉ２）／Ｉ１″

そして、基板Ｓにパターンを描画している間は、全エミッション電流Ｉ０及びエミッション電流Ｉ１″を測定し、制御計算機１２が、以下の数式４からエミッション電流Ｉ２を算出（推定）し、算出したＩ２が一定となるように制御を行う

数式４：Ｉ２＝Ｉ０−ｋ２×Ｉ１″

アノード６４はディテクタ６６よりも上方、すなわちカソード６０の近傍に位置する。そのため、電流Ｉ１″及び係数ｋ２から、カソード外周部からのエミッション電流Ｉ１をより精度良く算出できる。

図５に示すように、電流計２５で測定されるエミッション電流Ｉ１´、及び電流計２６で測定されるエミッション電流Ｉ１″から、カソード外周部からのエミッション電流Ｉ１を推定してもよい。この場合、制御計算機１２は、以下の数式５から係数ｋ３を求める。

数式５：ｋ３＝（Ｉ０−Ｉ２）／（Ｉ１´＋Ｉ１″）

そして、基板Ｓにパターンを描画している間は、全エミッション電流Ｉ０、エミッション電流Ｉ１´及びＩ１″を測定し、制御計算機１２が、以下の数式６からエミッション電流Ｉ２を算出（推定）し、算出したＩ２が一定となるように制御を行う

数式６：Ｉ２＝Ｉ０−ｋ３×（Ｉ１´＋Ｉ１″）

アノード６４及びディテクタ６６から測定した電流値を用いるため、カソード外周部からのエミッション電流Ｉ１をさらに精度良く算出できる。

ディテクタ６６を上下２段に設け、各段のディテクタ６６から測定した電流値を用いてカソード外周部からのエミッション電流Ｉ１を計算し、カソード中心部からのエミッション電流Ｉ２を推定してもよい。また、アノード６４から測定した電流値だけで、カソード中心部からのエミッション電流Ｉ２を推定することも可能である。

上記実施形態では、シングルビームの描画装置について説明したが、マルチビーム描画装置でもよい。マルチビーム描画装置は、複数の開口部が形成されたアパーチャ部材を有し、電子銃４１から放出された電子ビームがアパーチャ部材を通過することで、マルチビームが形成される。マルチビーム描画装置は、１本のビームの電流量が小さいため、複数本のビームをまとめてファラデーカップ５４に照射して電流量を測定することが好ましい。マルチビームの全てのビームの電流量を測定し、その合計値をＩ２としてもよいし、所定数のビームの電流量の合計値を所定倍してＩ２としてもよい。

荷電粒子ビームの一例として、電子ビームを用いた構成について説明したが、荷電粒子ビームは電子ビームに限るものではなく、イオンビーム等の荷電粒子を用いたビームでも構わない。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 描画装置
１０ 制御部
１２ 制御計算機
１４ 制御回路
２０ 電子銃電源回路
３０ 描画部
４０ 電子ビーム鏡筒
４１ 電子銃
４２ ブランキングアパーチャ
４３ 第１成形アパーチャ
４４ 第２成形アパーチャ
４５ ブランキング偏向器
４６ 成形偏向器
４７ 対物偏向器
４８ レンズ
４９ 電子ビーム
５０ 描画室
５２ ＸＹステージ
５４ ファラデーカップ
６０ カソード
６２ ウェネルト
６４ アノード
６６ ディテクタ

Claims (5)

1. 電子ビームを放出するカソード、アノード、前記カソードと前記アノードとの間に配置されたウェネルトを有する電子銃と、
   前記カソード及び前記アノード間に加速電圧を印加する高圧電源と、全エミッション電流を制御する電流制御部とを有する高圧電源部と、
   前記全エミッション電流の一部である前記カソードの外周部からの第１エミッション電流を検出する第１検出器と、
   描画対象の基板を載置するステージと、
   前記全エミッション電流の一部である前記カソードの中心部からの第２エミッション電流を検出する第２検出器と、
   前記全エミッション電流、前記第１エミッション電流、及び前記第２エミッション電流を用いて、前記第１エミッション電流に対する前記カソード外周部からのエミッション電流の比率となる係数を求める制御部と、
   前記電子ビームを用いて前記基板にパターンを描画する描画部と、
   を備え、
   前記描画部が前記基板にパターンを描画している間、前記制御部は、前記全エミッション電流から、前記第１エミッション電流に前記係数を乗じた値を減じて前記第２エミッション電流の値を推定し、該推定値が一定となるように前記電流制御部を制御することを特徴とする電子ビーム描画装置。
2. 前記描画部は、前記基板の描画領域を複数のストライプ領域に仮想分割し、ストライプ領域単位で描画を行い、
   第１ストライプ領域の描画後、描画順が次の第２ストライプ領域の描画前に、前記第２検出器が前記第２エミッション電流を検出し、
   前記制御部は、検出した第２エミッション電流を用いて前記係数を更新し、前記第２ストライプ領域の描画中は、更新後の係数を用いて前記第２エミッション電流の値を推定する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. 前記第１検出器は、前記アノード及びその下部に設けられるディテクタの少なくともいずれかに設けら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描画装置。
4. 前記アノード及びその下方に設けられる前記ディテクタにそれぞれ前記第１検出器が設けられ、前記アノード及び前記ディテクタの両方で検出した電流の合計を前記第１エミッション電流とすることを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム描画装置。
5. 電子銃のカソード及びアノードの間の全エミッション電流を制御し、前記カソードから電子ビームを放出する工程と、
   前記全エミッション電流の一部である前記カソードの外周部からの第１エミッション電流を検出する工程と、
   前記全エミッション電流の一部である前記カソードの中心部からの第２エミッション電流を検出する工程と、
   前記全エミッション電流、前記第１エミッション電流、及び前記第２エミッション電流を用いて、前記第１エミッション電流に対する前記カソード外周部からのエミッション電流の比率となる係数を求める工程と、
   を備え、
   前記電子ビームを用いて前記基板にパターンを描画している間、前記全エミッション電流から、前記第１エミッション電流に前記係数を乗じた値を減じて前記第２エミッション電流の値を推定し、該推定値が一定となるように前記全エミッション電流を制御することを特徴とする電子ビーム描画方法。

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