JP2692726B2 - ハイブリッドビーム描画装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】この発明は、電子ビーム及びイオ
ンビームを用いて試料上に任意の図形のビーム照射を行
うハイブリッドビーム描画装置に関するものである。さ
らに詳しくは、この発明は、電子ビーム及びイオンビー
ムの複合描画を行い、電子ビームの熱的加工、レジスト
露光、マイナス極帯電及び走査像観察機能とイオンビー
ムのスパッタ除去加工、レジスト露光、プラス極帯電及
び走査像観察のこれらの機能の任意の組み合わせを可能
とし、ビーム利用による微細加工、帯電を利用した情報
記録、電子部品やマイクロマシーンの製造を容易、高精
度且つ効率的に行うことを可能とする新しいビーム描画
装置に関するものである。

【従来の技術とその課題】従来、電子ビームとイオンビ
ームを試料上に同時あるいは連続的に照射し、描画する
という発想が提案されたことはなく、実際にも、電子ビ
ーム及びイオンビームを組み込んだ複合描画装置は知ら
れていない。ただ電子ビームとイオンビームとを同一装
置に組み込み、イオンビームを加工に、電子ビームを観
察に用いる断面加工観察装置（特開平２−１２３７４
９）は開発されているが、この装置には描画機能はな
く、また描画機能を付加することも構造的に困難であ
り、また、両ビーム描画を実現するには、そのための新
しいシステムを必要とするという問題がある。また、具
体的にも、その構造に関しては、断面加工観察装置は電
子ビーム鏡筒軸とイオンビーム鏡筒軸との角度を９０°
近辺としているため、試料を動かさずに両ビームの描画
はできないし、試料を動かせば、精度と効率性を著しく
損ない、複雑な描画は不可能である。さらにまた、両ビ
ームを同時にあるいは連続的に描画させるには、両ビー
ムによる描画像を重ね合わせできる程度の位置的精度と
ビーム間の整合性をもたせることが必要となるが、その
ためには、従来の方式では対応できず、新しいビームコ
ントロールシステムが必要となる。もちろん、電子ビー
ム描画装置及びイオンビーム描画装置の単ビーム描画装
置により交互に描画させることは考えられるが、試料の
取り出し、位置設定に時間と労力を要するうえ、試料取
り出しによる汚れ、露光や帯電像の変化・劣化があるの
で、事実上、不可能である。

【課題を解決するための手段】この発明は、以上の通り
の事情に鑑みてなされたものであって、上記の課題を解
決するものとして、電子ビーム照射系、集束イオンビー
ム照射系、２次電子検出系、像表示系および制御系とを
有し、電子ビーム鏡筒と集束イオンビーム鏡筒とが両ビ
ームの軸線が一点に交わり、しかもその交点が両ビーム
の焦点と一致し、また、両ビームの軸線間の角度が４０
°以下とされ、電子ビームと集束イオンビームとが、同
一試料上に、同時または連続的に描画し、また、図形を
重ね合わせる整合性を備えていることを特徴とするハイ
ブリッドビーム描画装置を提供する。さらに詳しく説明
すると、電子ビームとイオンビームを同時あるいは連続
的に描画し、両ビームの描画像の重ね合わせを可能とす
る高い精度と整合性をもたせるため、この発明では、描
画装置の構造を次のようにしている。 電子ビーム鏡筒と集束イオンビーム鏡筒の軸線を試料
上の同一点で結ばれ、その交点が両ビームの焦点となる
ようにする。 電子ビーム鏡筒と集束イオンビーム鏡筒の軸線間の角
度は、次の理由により、４０°以下とする。すなわち、
図１は入射電子ビームと試料表面の法線とのなす角度と
２次電子放出比（δ）の関係を示したものであるが、こ
のδの値が小さい程、負に帯電し、露光が進む。この図
１より、露光や帯電を効率的に行うには、角度を２０°
以下が望ましく、少なくとも４０°以下にする必要があ
ることがわかる。また、図２は入射イオンビームと試料
表面の法線とのなす角度とスパッタリング収率との関係
を示したものである。この図２より、４０°を超える
と、過度にスパッタリングされ、帯電や露光には不適切
となることがわかる。図３はビームの入射角度と試料表
面のビームスポットの歪みを示すアスペクト比との関係
を示したものであるが、入射角度が２０°以下であれば
ビームスポットの歪みがほとんどないこと、また４０°
を超えるとアスペクト比が１．３を超え、急激に大きく
なることが示されている。これらのことより、電子ビー
ムとイオンビームの軸線間の角度を４０°以下とし、図
４（ｂ）のように、試料表面法線と両ビーム間の角度を
２０°以下とすれば、高精度の描画が可能である。ま
た、試料表面法線をどちらかのビームに合わせても、図
４（ａ）及び（ｃ）のように、他のビームとの間の角度
は４０°以下となるので描画精度の低下は少なくて済
む。 両ビームの焦点を試料上の一点に合わせ、ビーム軸線
間の角度を４０°以下とし、かつビームスポット径を小
さく保つため、ワーキングディスタンスを長くしないよ
うに両ビームの鏡筒を配置すると、鏡筒先端部がぶつか
り合うことになる。そのため、鏡筒を細くする必要から
とビームの切替え応答性を良くすることから、両ビーム
のアライメントレンズ系を静電型とする。両ビーム描画
の整合性を得るため、次の機構をシステムにもたせるこ
とができる。 １）最適な条件で描画できるようにするため、それぞれ
のビーム制御系の最適値をハイブリッドビームコントロ
ールプロセッサ（ＢＣＰ）に記憶させ、ビーム切替え時
に、ＢＣＰより読み出し、ビームの調整を自動的に行う
機構をシステムに組み込むことができる。 ２）試料上のレジストレーションマークを２次電子像か
ら記憶し、これを原点とし、両ビームの整合性をもった
位置制御による描画を可能とするイメージシステムを組
み込むことができる。

【作用】以上の通りのこの発明の構成装置においては、 （１）電子ビームとイオンビームの特徴を活かしたハイ
ブリッド描画露光が可能となり、安定的に長時間使用
可能の電子ビームにより全体像を描き、微細露光が可能
な集束イオンビームにより細部を描く効率的描画、レ
ジスト露光に伴う帯電とビームとの相互作用による像の
歪みを除くため、重ね合わせビーム描画により、不必要
の帯電を中和して相互作用を除いた超微細描画等が実現
できる。 （２）正・負の帯電を誘電体基板上の任意の位置に得ら
れることから、デジタル信号情報の記録が可能となり、
またポジ及びネガ像のアナログ情報の記録も可能とな
る。 （３）正・負に帯電させた粒子を基板上の逆極に帯電さ
せた位置に付着させることにより、複数の種類の粒子か
らなる任意の形状の粒子集合体が得られ、微細な電子部
品やマイクロマシーンの作製が可能となる。 （４）集束イオンビームによる微細なスパッタリング加
工を電子ビーム走査により観察しながら行うことが可能
となる。 （５）上記の新たな用途に加え、従来の断面加工と断面
観察、通常の電子ビーム描画装置や集束イオンビーム描
画装置としての使用も可能である。 また、この発明の装置は、排気系、制御系および像表示
系を両ビーム共用とすることができるので、安価でコン
パクトである。

【実施例】以下図面を参照しつつこの発明の実施例を説
明する。図５はこの発明の特徴を示す概念図である。構
造上の特徴は集束イオンビーム鏡筒の集束イオンビーム
軸線と電子ビーム鏡筒の電子ビーム軸線とで形成する角
度は４０°以下としていることと、試料の同一面の同一
点に両ビームの焦点を合わせて照射できるようにしてい
ることである。描画制御方式は描画情報システムに入力
した描画情報をハイブリッドビームコントロールシステ
ムが受けて集束イオンビーム、電子ビームを同時にある
いは交互に走査し連続的に描画する。この際ハイブリッ
ドビームコントロールシステムはビーム切り替え時のビ
ームの調整、照射条件変更時の調整を自動的に行う。ま
た、原点認識機構を備えたイメージシステムは予め試料
上に設けた原点認識マークを基に、細く絞った電子ビー
ムもしくはイオンビームを試料上に照射し、試料から発
生する２次電子を２次電子検出器で捕捉して原点認識機
構を備えたイメージシステム上に画像化すると共に、試
料上の原点位置情報として認識する。以後この記憶され
た原点位置情報を元にして描画位置を定め描画を実行す
る。図６は図５のハイブリッドビーム描画装置の特徴を
全体的システムとして例示したものである。基本機能 基本機能としては集束イオンビームと電子ビームの両ビ
ームにより重ね合せて描いた図形のずれを試料上に定め
た原点位置を中心とした０．１ｍｍ□以内において１μ
ｍ以下の精度をもち、この精度で描画できる１ブロック
の最大面積は１ｍｍ□以上である。このブロックの描画
を順次行えるよう、描画情報システム及び外部制御用コ
ンピュータシステムによりステージ駆動・制御系に駆動
の指示を出して連続的に描画を可能とする。また両ビー
ムは同時に平行的に描画すること、もしくは交互に連続
的に適正条件で描画すること、さらにはビームの加速電
圧を任意に変更して連続的に描画する際、適正条件を自
動的に設定し、設定条件変更にともなうフォーカスずれ
を自動的に調整して描画することが可能である。構造概要 図６に示したように、集束イオンビーム鏡筒（２）の集
束イオンビーム軸線と電子ビーム鏡筒（１）の電子ビー
ム軸線とがなす角度は４０度とする。また両ビーム軸線
間角度を４０度とするためには鏡筒のスリム化が必要で
あり、そのためにはスリム化が容易なこと、ビーム切り
替え時の応答性が良いことを考慮し静電方式のアライメ
ントを採用している。以下にその主要部の構造概要を示
す。 イオンビーム鏡筒（２）の構造はたとえば以下のとお
りである。 ＜ａ＞液体金属イオン銃（イオン種はＧａを使用）（１
６） ＜ｂ＞加速電圧は最大５０ｋｅＶ ＜ｃ＞コンデンサ及び対物の２レンズ（１７）は静電方
式 ＜ｄ＞イオンビームのスタンバイ機能として静電方式の
ブランキング電極（１８） ＜ｅ＞集束イオンビームのコンディションを整えるアラ
イメント電極（１９）は８極型静電方式 ＜ｆ＞イオンビーム走査のＸＹ偏向電極（２０）の偏向
方法は静電方式 電子ビーム鏡筒（１）の構造はたとえば以下のとおり
である。 ＜ａ＞サーマルフィールドエミッション電子銃（１１） ＜ｂ＞加速電圧は最大２０ｋｅＶ ＜ｃ＞電子ビームのスタンバイ機能として静電方式のブ
ランキング電極（１２） ＜ｄ＞電子ビームの照射条件を整えるアライメント電極
（１３）は８極型静電方式 ＜ｅ＞コンデンサ及び対物の２レンズ（１４）は電磁方
式 ＜ｆ＞電子ビーム走査のＸＹ偏向電極（１５）は静電方
式制御概要 集束イオンビームと電子ビームの照射開始時に手動もし
くは自動調整を行った後は、両ビームの適正条件設定値
としてビーム制御用コンピュータシステム（１０）もし
くは外部制御用コンピュータシステム（９）に記憶す
る。これ以後両ビームの加速電圧や描画条件等を変更し
ても、両ビーム鏡筒のコンデンサ及び対物の２レンズ、
アライメント電極の適正条件設定は、それらの変更条件
に連動して維持される方式を採用している。つまり、こ
の装置では外部制御用コンピュータシステム（９）にお
いて、集束イオンビーム鏡筒（２）の集束イオンビーム
制御、電子ビーム鏡筒（１）の電子ビーム制御、ステー
ジ駆動制御（６）等の制御を統括的に行っている。具体
的には、両ビームを同時に、もしくは交互に連続的に適
正条件で描画するため、さらには両ビームの加速電圧を
任意に変更して連続的に描画を可能とするため、両ビー
ムの描画適正条件を整えるためのビーム制御系コンピュ
ータシステム（１０）を置き、このシステムを統括して
管理する外部制御用コンピュータシステム（９）を配置
している。ビーム制御系コンピュータシステム（１０）
については、最適条件で描画するには、加速電圧の制御
や電子およびイオンビームの連続的な切り換え等は必要
であり、これにともない、集点補正ビームの非点補正、
ビームスポット位置補正等が自動的に行われる必要があ
るため、このシステム（１０）では、そのためのイオン
銃、電子銃、アライメント電極、コンデンサおよび対物
の２レンズ、ＸＹ偏向電極およびブランキング電極の制
御を行う。また、この装置では、描画情報とシステムに
入力されたデザイン図をビーム描画するため、外部制御
用コンピュータシステム（９）を経由してビーム制御系
コンピュータシステム（１０）のそれぞれにタスク情報
を送り出す描画情報システム（８）集束イオンビームあ
るいは電子ビームを試料に照射して得られる２次電子像
を画像情報として外部制御コンピュータシステム（９）
に表示、記録させるためのイメージシステム（７）とを
備える。このイメージシステム（７）は、予め試料上に
原点認識マークを設けて２次電子像上の特異点とし、こ
の特異点を原点位置情報として認識する機能を有してい
る。もちろん、この装置には、さらに可動絞り（２
１）、排気系（２２）、排気制御系（２３）、フレーム
（４）等が適宜に配置されている。実際の装置の構成
が、以上の例に限定されないことは多言を要しない。細
部において様々な態様が可能である。

【発明の効果】この発明により、以上詳しく説明した通
り、効率的で超微細な描画、加工、組立てが可能とな
る。さらには、デジタル信号情報、アナログ情報の記録
から、インプロセスでのスパッタリング加工の電子ビー
ム走査による観察等が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】入射電子ビームと試料表面の法線のなす角度と
２次電子放出比との関係を示した図である。

【図２】入射イオンビームと試料表面の法線のなす角度
とスパッタリング収率との関係を示した図である。

【図３】ビームの入射角度と試料表面のビームスポット
の歪みを示すアスペクト比との関係を示した図である。

【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、ビーム間の角度
を示した概要図である。

【図５】実施例としての装置要部を示した構成概要図で
ある。

【図６】実施例としての装置の全体システムを示した構
成概要図である。

【符号の説明】

１ 電子ビーム鏡筒 ２ 集束イオンビーム鏡筒 ３ 試料 ４ フレーム（試料室） ５ ２次電子検出器 ６ ステージ駆動制御系（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｒ，Ｔ軸） ７ イメージシステム ８ 描画情報システム ９ 外部制御用コンピュータシステム １０ ビーム制御用コンピュータシステム（オートフォ
ーカス、オートビームアライメント、オートレンズアラ
イメント） １１ サーマルフィールドエミッション電子鏡 １２ 静電式ブランキング電極 １３ アライメント電極 １４ コンデンサ及び対物レンズ １５ ＸＹ偏向電極 １６ Ｇａ液体金属イオン銃 １７ コンデンサレンズ及び対物レンズ（静電式） １８ （静電式）ブランキング電極 １９ （静電式）８極アライメント電極 ２０ （静電式）ＸＹ偏向電極 ２１ 可動絞り ２２ 排気系 ２３ 排気制御系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 37/305 Ｈ０１Ｊ 37/305 Ｂ Ｈ０１Ｌ 21/30 ５５１ (56)参考文献 特開 昭60−185352（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−199220（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−56420（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−154442（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビーム照射系、集束イオンビーム照
   射系、２次電子検出系、像表示系、および制御系とを有
   し、電子ビーム鏡筒と集束イオンビーム鏡筒とが、両ビ
   ームの軸線が一点に交わり、しかも、その交点が両ビー
   ムの焦点と一致し、また、両ビームの軸線間の角度が４
   ０°以下とされ、電子ビームと集束イオンビームとが、
   同一試料上に、同時、または連続的に描画し、また図形
   を重ね合わせる整合性を備えていることを特徴とするハ
   イブリッドビーム描画装置。