JP2664025B2

JP2664025B2 - 電子ビーム装置のクリーニング方法

Info

Publication number: JP2664025B2
Application number: JP62144917A
Authority: JP
Inventors: 博文森田; 富士夫小俣; 誠太郎松尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-06-10
Filing date: 1987-06-10
Publication date: 1997-10-15
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: JPS63308856A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、走査電子顕微鏡、電子ビーム測長機、電子
ビーム露光装置、イオンビーム露光装置などの電子ビー
ム装置に関し、特に、電子ビーム装置の電子光学鏡筒や
ビーム計測用試料等の汚れを除去するクリーニング方法
に関するものである。〔従来技術〕電子ビームは、走査電子顕微鏡、電子ビーム測長機、
電子ビーム露光装置、イオンビーム露光装置、集束型イ
オン打ち込み装置、イオンビームマスク修正装置などに
広く利用されている。近年、超大規模半導体集積回路（VLSI）技術の発展に
伴って、高速に高精度で微細パターンを描画する電子ビ
ーム露光装置や高解像度かつ高精度にVLSI又は大規模半
導体集積回路（LSI）パターンの観察や測定を行う走査
電子顕微鏡や電子ビーム測長機の開発が進められてい
る。これらの装置においては、ビームの安定性、すなわ
ち、ビーム電流、ビーム寸法、ビーム解像度、ビーム位
置の安定性の確保が不可欠である。例えば、電子ビーム
露光装置において、電子ビームが不安定な場合、微細な
パターン形成ができなかったり、本来別々であるべき近
接したパターンがつながったりすることがある。このた
めに、描画パターンの精度は低下し、ひいては製造する
VLSI又はLSIの歩留りが低下する。また、電子ビーム測
長機において、電子ビームが不安定な場合には、測長精
度が低下したり、測長が不可能になったりする。電子ビームの不安定性の主たる原因は、電子光学鏡筒
や試料台等に付着した汚れ（コンタミネーション）であ
る。汚れは、電子レンズ、偏向器、電子銃電極、アパー
チャ、試料ホルダ等に、鏡筒内に存在する炭素を含んだ
ガスが吸着し、そこに電子ビームが直接又は試料やアパ
ーチャに反射して照射されることによって、付着形成さ
れる。また、電子ビーム露光装置等の試料台や対物レン
ズの付近では、試料に塗布された露光用レジストが電子
ビーム照射により蒸発して再付着し、汚れとなる場合も
ある。これらの汚れは、導電性が低いので表面にアパー
チャ等から反射してきた電子が蓄積される状態（チャー
ジアップ）が生じ、これが作る電界によって電子ビーム
が偏向される。チャージアップで蓄積される電荷は不安
定で変動するので、電子ビームの偏向量も変動して電子
ビームの不安定性が生じる。従って、電子光学鏡筒及び
試料台等の汚れを除去しなければならに。また、電子ビーム露光装置においては、電子ビームの
偏向位置や電子ビームの寸法を較正するために、シリコ
ン基板表面に金で一定形状のパターンを形成して作製し
た標準マークやナイフエッジや金ワイヤなどのビーム計
測用試料を電子ビームで走査し、反射電子や透過電子の
信号を得て、電子ビームの偏向位置、寸法などの測定を
行う。この際、測定を何回か続けると、ビーム計測用試
料表面に汚れが付着してチャージアップが生じ、測定が
不安定になる。この不安定な測定に基づいてビーム位置
や寸法を較正しても、高精度な較正は不可能である。従
って、ビーム計測用試料の汚れも除去しなければならな
い。そこで、電子光学鏡筒のレンズ、偏向器、電子銃電
極、試料ホルダなどの汚れを除去するために、装置を解
体した後、各部品について研磨材で表面を磨いて汚れを
取り、有機溶剤の中に浸して超音波洗浄を行うクリーニ
ング方法が行われてきた。また、アパーチャ類について
は、新しいものと交換するか、真空中で加熱して表面の
汚れを蒸発させる方法や、プラズマアッシングで汚れを
取るクリーニング方法が行われてきた。ビーム計測用試
料についても、交換するかプラズマアッシングでクリー
ニングが行われてきた。〔発明が解決しようとする問題点〕しかしながら、前述した従来のクリーニング方法で
は、装置の解体と再組立、真空引き、電子光学鏡筒の調
整などが必要なので、長い時間と多くの労力を要する。
そのために、装置稼動率が低下するという問題があっ
た。さらに、クリーニングの自動化がほとんど不可能で
あるため、保守要員の人数確保と教育が必須という問題
があった。本発明は、前記問題点を解決するためになされたもの
であり、電子ビーム装置を解体することなく効率的にク
リーニングする方法を提供することを目的とする。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであ
ろう。〔問題点を解決するための手段〕本発明は、前記目的を達成するため、電子ビーム装置
に反応性ガスが導入され、かつ電子ビームが装置構成部
品に照射された状態を形成して、装置構成部品に付着し
た汚れを除去することを主な特徴とする電子ビーム装置
のクリーニング方法である。〔作用〕前述の手段によれば、電子ビーム装置の電子光学鏡筒
内部や試料室内等に、反応性ガスを導入した状態で電子
ビームを照射して、反応性ガスを励起し、そのエッチン
グ作用を促進させて汚れを除去することにより、従来技
術のように、汚れ除去のために装置を解体する必要がな
いので、効率的にクリーニングを行うことができる。ま
た、本発明の電子ビーム装置のクリーニング方法は、再
現性も良いので、繰り返しクリーニングを行うことがで
きる。〔発明の原理〕次に、本発明の電子ビーム装置のクリーニング方法の
原理を説明する。本発明の電子ビーム装置のクリーニング方法の原理
は、アパーチャを反応性ガス雰囲気にさらすと、アパー
チャに付着した汚れに、反応性ガス分子が吸着する。こ
こで、電子ビームを照射すると、電子ビームのエネルギ
ーによって反応性ガスが励起されてエッチング作用が促
進され、汚れは除去される。通常の電子光学鏡筒におけ
る汚れは、主に炭素系の物質であるので、O₂,NO₂,SF₆等
との反応により、CO₂,CF₄等の揮発性ガスの形で取り去
られ、真空排気によって鏡筒外部へ排出される。SF₆の
ようなフッ素系のガスは、炭素以外の汚れの除去（例え
ばシリコン）にも効果がある。また、多くの露光用レジ
ストは、前記の反応ガスによってエッチングが可能であ
るので、電子ビーム露光装置等でレジストの蒸発再付着
によって生成された汚れについても、前記の反応性ガス
により汚れのほとんどを除去することができる。さら
に、前記のガスで除去できないレジストを使用する場合
でも、そのレジストをドライエッチングする際に使用す
る反応性ガスを使用すれば、生成された汚れのクリーニ
ングは可能である。ここで、よりクリーニングに適した反応性ガスを選定
する際の考え方について述べる。前述のクリーニング原
理からわかるように、反応性ガスには、低いガス圧で材
料表面に吸着層を形成しやすく、かつ電子ビーム等で励
起されると反応しやすくなるガスがよい。吸着性が強す
ぎるガスは、蒸気圧が低いので沸点が高くなり、ガス導
入系内で液体となる。液体になると、鏡筒や試料室への
ガス導入が困難になるので適さない。常温でクリーニン
グを行う場合、大気圧において常温付近に沸点がある物
質が吸着性とガス導入の容易性から適している。以上を
まとめると、大気圧において常温付近に沸点があり、か
つ励起されて反応しやすくなるガスがクリーニングに適
している。このようなガス選定指針に基いて選んだガス
の一つが、NO₂であり、その沸点は大気圧において摂氏
約21度である。後述の原理確認実験によれば、NO₂のク
リーニング速度はO₂の約３倍と速く、ここで述べたガス
選定指針が有効であることがわかる。次に、前述のクリーニングの原理を確認するために行
った実験とその結果について詳述する。第２図は、このクリーニング原理の確認実験における
装置の概略構成を示す説明図である。第２図において、走査電子顕微鏡で長時間使用して汚
れが付着した実験用試料61は、試料台21に固定され、反
応性ガスをガスボンベ42から試料室23の内部へ導入しな
がら、電子光学鏡筒１で発生した電子ビーム９が照射さ
れて走査される。電子ビーム電流は、試料台21上のファ
ラデーケージ62に電流計51を接続して測定する。なお、第２図において、５は偏向器、31,31′は真空
排気ポンプ、33は真空ゲージである。最初に、反応性ガスはO₂、導入圧力2.5×10^-2パスカ
ル（Pa）、加速電圧10キロボルト（KV）、電子ビーム電
流130ナノアンペア（nA）、電子ビーム走査面積１×10
^-2平方ミリメートル（mm²）の条件において、走査電子
顕微鏡で長時間使用して汚れが付着したモリブデン製ア
パーチャを試料として実験した。電子ビーム照射時間を
変えて実験を行い、照射後に試料を装置から取り出して
目視で観察した。その結果、照射時間の長い方が汚れは
多く除去されており、約60分照射すれば、電子ビームを
照射した領域の汚れは完全に除去されることが観察され
た。また、何回も繰り返して観察することにより、再現
性も確認された。次に、導入圧力を変化させながら同様の実験をした。
その結果、O₂を導入した場合については汚れは全て除去
された。また、反応性ガスを導入しない場合には、電子
ビーム照射により汚れがさらに付着した。第３図にO₂導入圧力を横軸に、クリーニング時間（す
なわち、汚れが完全に除去されるまでの時間）を縦軸に
とったグラフを示す。このグラフから、導入圧力が低い
と、クリーニングが終了するまでの時間は長くかかり、
導入圧力が高いとクリーニング終了時間が短くなること
がわかる。また、広い圧力範囲において、クリーニング
の効果が確実に得られることがわかる。なお、ここで示したクリーニングに要する時間は、こ
の基礎実験におけるある特定の試料に対するものであ
り、クリーニング対象物の使用条件や使用時間などによ
り事なることを注記しておく。次に、導入する反応性ガスの種類を変えて実験した。
NO₂、SF₆及びこれらとO₂の混合ガスについて行ったが、
全ての場合で汚れは除去された。なお、除去が終了する
までの時間はO₂と比較して、NO₂で約３分の１、SF₆で約
２倍を要した。加速電圧については、１キロボルト（KV）、５キロボ
ルト（KV）、10キロボルト（KV）を行ったが、全ての場
合で汚れは除去された。汚れ除去を行う対象の試料について、前述のモリブデ
ン製のアパーチャの他に、白金製アパーチャ、シリコン
上に金でパターンを形成した電子ビーム露光装置用標準
マークについて実験したが、同様に汚れは除去された。以上の実験から本発明によるクリーニング方法が有効
であり、そのクリーニング方法の再現性も良好であるこ
とが確認された。なお、前述のように、広い圧力範囲でクリーニング効
果が得られるので、これから述べる実施例のようにクリ
ーニングのための時間を設けて反応性ガス導入と電子ビ
ーム照射を行うのではなく、例えば、試料の走査電子顕
微鏡（SEM）像観察やVLSI（又はLSI）パターン描画など
の通常の装置動作中に反応性ガスを導入し、通常動作を
しながらクリーニングを行う方法も可能である。この場
合、電子ビームが当って汚れの生じやすい所は、反応性
ガスを導入した場合、電子ビームによる励起が生じやす
く、クリーニング効果が大きくなる所なので、結果とし
て従来汚れやすい所ほどクリーニング効果が大きくな
る。〔実施例〕以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明
する。第１図は、前述の本発明の電子ビーム装置のクリーニ
ング方法の原理を適用した一実施例の走査電子顕微鏡の
概略構成を示す説明図である。本実施例の走査電子顕微鏡のクリーニング方法におい
ては、第１図に示す対物アパーチャ８をクリーニングす
るものとする。なお、第１図は、厳密な図面ではないの
で、例えば真空シール用のＯリングなどは省略してあ
る。この走査電子顕微鏡の電子光学鏡筒１は、電子銃２、
照射レンズ３、対物レンズ４、偏向器５、電子光学鏡筒
１の光学軸に電子ビーム９を合せるためのアライメント
コイル６、電子銃アパーチャ７、対物アパーチャ８等か
ら構成されている。対物アパーチャ８は、対物アパーチャホルダ12により
保持されている。電子銃２から放出された電子ビーム９
は、照射レンズ３、対物レンズ４、偏向器５によって、
水平方向に移動可能な試料台21に保持された観察試料22
の表面の所望の位置に集束される。試料台21は試料室23
の中に設置されている。電子銃室10、電子光学鏡筒内部11、試料室23は、真空
を保つために真空排気ポンプ31、31′、31″で排気され
ている。この電子光学鏡筒内部11は、配管41を通して、
反応性ガスを充填したガスボンベ42に接続されている。
配管41には、反応性ガスの導入流量を調整する調整弁43
がある。本実施例では、反応性ガスをO₂としているが、
他にもSF₆やNO₂等のように、エッチング性のあるガスや
それらの混合ガスでもかまわない。なお、NO₂は室温付
近ではN₂O₄と平衡状態で混在するが、本明細書ではこの
ように混在する場合も含めてNO₂で代表して記述する。上述した第１図に示す実施例の走査電子顕微鏡の構成
において、本発明によるクリーニング方法を実施するた
めに設けられたものは、配管41、ガスボンベ42、調整弁
43である。本実施例のクリーニング方法によって、第１図に示し
た走査電子顕微鏡の対物アパーチャ８の汚れを除去する
手順を以下に詳述する。第１図において、最初に、電子銃２から放出された電
子ビーム９を照射レンズ３を適当に励磁することにより
対物アパーチャ８の表面上に照射する。電子ビーム９
は、通常の試料観察を行う条件では対物アパーチャ８上
で広がった状態であり、このように広がった状態でもか
まわないが、対物アパーチャ８上で細く集束させてもよ
い。また、照射レンズ３や電子銃２の動作条件を変えて
通常よりも多くの電子ビーム９を対物アパーチャ８に照
射する条件とすれば、クリーニングをより速く行うこと
ができる。次に、アライメントコイル６により電子ビーム９を偏
向し、対物アパーチャ８の表面を走査する。ここで、ア
ライメントコイル６は、クリーニングのために電子ビー
ム９を走査する偏向器として用いられている。なお、対物アパーチャホルダ12の汚れも同時にクリー
ニングしたい場合は、対物アパーチャホルダ12まで含め
た領域を走査する。また、より狭い領域の局部的なクリーニングを行いた
い場合には、その領域のみを走査すればよい。また、電子ビーム９を走査せずに、照射レンズ３の励
磁を変えて電子ビーム９をぼかして広げ、クリーニング
したい領域に照射してもよい。さらに、本実施例では、走査電子顕微鏡にもともと具
備されているアライメントコイル６をクリーニングのた
めのビーム走査用に用いているが、クリーニング時のビ
ーム走査専用の偏向器を別に設けてもよい。次に、ガスボンベ42のボンベ元栓44を開け、調整弁43
で導入圧力を調整して、電子光学鏡筒内部11に反応性ガ
スを入れ、対物アパーチャ８の周囲を反応性ガス雰囲気
とする。導入圧力は、例えば電子光学鏡筒内部11を排気する排
気管32等に設置した真空ゲージ33で測定する。導入圧力
は、通常10^-4〜10^-1パスカル（1Pa＝1N/m²）程度が適当
であるが、真空排気系が低真空度に耐えられるものであ
れば、さらに高い圧力でもよいし、汚れ除去に間隔を要
してもかまわない場合にはより低い圧力でもよい。なお、本実施例では、先に電子ビームを照射し、次に
反応性ガスを導入しているが、この順序は逆でもよい
し、あるいは同時でもかまわない。電子ビームを照射
し、かつ反応性ガスを導入した状態にすることにより、
クリーニングの効果が生じる。そして、一定時間、反応
ガス導入とビーム照射を続けることにより、本発明によ
るクリーニング方法は終了する。なお、本実施例では走査電子顕微鏡の対物アパーチャ
８とそのホルダ12のクリーニングについて説明したが、
本発明の適用対象はこれにとどまらず、偏向器、電子レ
ンズ、これらを保持するホルダ、試料台上に置かれた標
準マーク又はナイフエッジ，金ワイヤ等のビーム計測用
試料、これらを保持するホルダ、観察，測定，加工の対
象たる試料、試料を保持するホルダ、さらに試料台その
もの等、電子ビーム装置の鏡筒や試料台を構成する部品
類でビーム照射しうるもの全てのクリーニングに適用で
きる。以上の説明からわかるように、本実施例によれば、電
子光学鏡筒内部11や試料室23に、反応性ガスO₂を導入し
た状態で電子ビームを照射して、反応性ガスを励起し、
そのエッチング作用を促進させて汚れを除去することに
より、鏡筒構成部品やビーム計測用マークなどのクリー
ニングを、装置を解体することなく行えるので、クリー
ニングに要する時間と労力を大幅に削減することができ
る。また、本実施例の走査電子顕微鏡のクリーニング方
法は、再現性も良いので、繰り返しクリーニングを行う
ことができる。この結果、ビーム安定度が向上し、高い精度の装置動
作が長期にわたって可能になるという効果がある。以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明した
が、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、
その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である
ことは言うまでもない。〔発明の効果〕以上、説明したように、本発明によれば、電子ビーム
装置に反応性ガスが導入され、かつ電子ビームが装置構
成部品に照射された状態を形成し、反応性ガスを励起
し、そのエッチング作用を促進させて汚れを除去するこ
とにより、従来技術のように、汚れ除去のために装置を
解体する必要はなく、効率的にクリーニングを行うこと
ができるので、クリーニングに要する時間と労力を大幅
に削減できる。この結果、ビーム安定度が向上し、高い
精度の装置動作が長期にわたって可能になるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】第１図は、本発明の電子ビーム装置のクリーニング方法
の原理を適用した一実施例の走査電子顕微鏡の概略構成
を示す説明図、第２図は、このクリーニング原理の確認実験における装
置の概略構成を示す説明図、第３図は、原理確認実験で得たO₂導入圧力とクリーニン
グに要する時間の関係を示すグラフである。図中、１……電子光学鏡筒、２……電子銃、３……照射
レンズ、４……対物レンズ、５……偏向器、６……アラ
イメントコイル、７……電子銃アパーチャ、８……対物
アパーチャ、９……電子ビーム、10……電子銃室、11…
…電子光学鏡筒内部、12……対物アパーチャホルダ、21
……試料台、22……観察試料、23……試料室、31,31′,
31″……真空排気ポンプ、32……排気管、33……真空ゲ
ージ、41……配管、42……ガスボンベ、43……調整弁、
44……ボンベ元栓、51……電流計、61……実験用試料、
62……ファラデーケージである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】１．電子ビーム装置に、O₂又はSF₆又はNO₂又はこれらの
一つ以上を含む混合ガスを導入し、かつ電子ビームが装
置構成部品に照射された状態を形成して、装置構成部品
に付着した汚れを除去することを特徴とする電子ビーム
装置のクリーニング方法。２．前記電子ビームを装置構成部品に直接照射すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電子ビーム
装置のクリーニング方法。３．前記電子ビームを他の装置構成部品や試料等で反射
させてから被クリーニング部品に照射することを特徴と
する特許請求の範囲第１項に記載の電子ビーム装置のク
リーニング方法。４．前記電子ビーム装置の通常の動作を停止した状態
で、反応性ガスを電子ビーム装置に導入し、ビームを装
置構成部品に照射して汚れを除去することを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の電子ビーム装置のクリー
ニング方法。５．前記電子ビーム装置の通常の動作中に反応性ガスを
導入して汚れを除去することを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の電子ビーム装置のクリーニング方法。６．前記装置構成部品が、ビーム制限用又はビーム形成
用のアパーチャ、前記アパーチャ類を保持するホルダ、
偏向器、レンズ、前記偏向器又はレンズを保持するホル
ダ、試料台上に置かれた標準マーク又はナイフエッジ又
は金ワイヤ等のビーム計測用試料、前記ビーム計測用試
料を保持するホルダ、観察又は測定又は加工の対象たる
試料、前記試料を保持するホルダ、前記ホルダを固定す
る試料台、などの一部又は全部であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項乃至第５項の各項に記載の電子ビ
ーム装置のクリーニング方法。７．電子ビームの照射を行う際に、偏向器により前記電
子ビームを前記装置構成部品の所望の領域で偏向走査
し、前記領域の汚れを除去することを特徴とする特許請
求の範囲第１項乃至第６項の各項に記載の電子ビーム装
置のクリーニング方法。８．前記偏向器が、電子ビーム装置のビーム位置決めや
ビーム調整等の通常動作を行うために設けられた偏向器
であることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の
電子ビーム装置のクリーニング方法。９．前記偏向器が、汚れ除去専用に設けられた偏向器で
あることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の電
子ビーム装置のクリーニング方法。