JP3218467B2

JP3218467B2 - 荷電粒子線描画装置

Info

Publication number: JP3218467B2
Application number: JP17490392A
Authority: JP
Inventors: 護中筋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 2001-10-15
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JPH05343309A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体メモリ素
子等のように所定のパターンの繰り返しが多い微細パタ
ーンを高速で描画する荷電粒子線描画装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体メモリ素子等の微細パター
ンを高速に描画するために電子線描画装置が使用されて
いる。微細パターンを高速に描画するためには、断面形
状が変化できる可変成形ビームを用いて、例えば幅が広
いパターンは断面形状の大きな電子ビームで描画し、逆
に幅が狭いパターンは断面形状の小さな電子ビームで描
画すればよい。可変成形ビームを生成するには、例えば
上段の矩形の成形アパーチャから離して下段の矩形の成
形アパーチャを配置し、上段の成形アパーチャと下段の
成形アパーチャとの間を通過する電子線を静電偏向器等
で偏向させればよい。

【０００３】また、半導体メモリ素子のように特定のメ
モリセルを繰り返すことにより構成されるパターンの場
合には、ステンシルマスク（電子線透過マスク）にその
繰り返しの基本となるパターンの拡大パターンを形成し
ておき、感光基板に所定間隔でそのパターンを縮小転写
していくことにより、全体の回路パターンを高速に高い
スループットで描画することができる。そこで、従来の
この種の電子線描画装置では、可変成形用の開口パター
ン及びメモリセルのパターン等のように繰り返しの基本
となる予め用意された複数個のパターンを例えば３行×
３列でステンシルマスク上に形成し、このステンシルマ
スクの中から任意に選んだパターンを縮小転写により描
画できるようになっている。これらの３行×３列のどの
パターンを選んだ場合も、計算上は収差は許容範囲内に
収まっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き従来の技術においては、ステンシルマスク上の光軸
近くのパターンを選んだときと光軸から離れた位置のパ
ターンを選んだときとでは、感光基板上に実際に描画さ
れる画像の画質が異なることが分かった。これは、電子
ビームがレンズの異なる位置を通るために、レンズの球
面収差によってクロスオーバ像（電子線源の像）の位置
及び選択されたパターンの像の結像位置がそれぞれ光軸
に平行な方向（これを「Ｚ方向」とする）にずれて、収
差の状態が変化するためであると考えられる。

【０００５】また、ステンシルマスク上の各パターン
は、所定のパターン領域に電子線の透過孔により回路等
を描いたものであるが、その透過孔の面積とパターン領
域の面積との比（透過孔の面積／パターン領域の面積）
をパターン占有率という。そして、ステンシルマスク上
のパターン占有率の異なるパターンを選んだ場合にも、
感光基板上に実際に描画される画像の画質が異なること
が分かった。これは、特にパターン占有率の大きなパタ
ーンを選択した場合には、空間電荷効果によってやはり
クロスオーバ像の位置及び選択されたパターンの像の結
像位置がそれぞれＺ方向にずれて、収差の状態が変化す
るためであると考えられる。

【０００６】これに関して、後者の選択されたパターン
の像の結像位置のＺ方向の位置ずれが多少あっても、こ
の位置での焦点深度が十分深いため特に不都合はない。
しかしながら、クロスオーバ像の位置に関しては、上段
の位置での像の寸法は小さくとも、対物レンズ主面や縮
小レンズの手前の円形アパーチャ上ではクロスオーバ像
は大きく拡大されてしまう。そのため、上段の位置での
クロスオーバ像の位置ずれも、対物レンズ主面や縮小レ
ンズ手前のアパーチャ上でＺ方向に大きく拡大されて、
設計通りの収差特性を示さない不都合があった。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、ステンシルマス
ク上のどのような位置又はどのようなパターン占有率の
パターンが選択された場合にも描画特性が良好な荷電粒
子線描画装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の荷電
粒子線描画装置は、例えば図１に示す如く、荷電粒子線
を発生する荷電粒子線源（１）と、可変成形用の開口パ
ターン及び縮小転写用のパターンが形成されたマスク
（１１）と、その発生された荷電粒子線を集束する集束
手段（６，１０）と、その発生された荷電粒子線をその
マスク（１１）中の何れかのパターン上に導く偏向手段
（９ａ，９ｂ）とを有し、縮小転写による描画と可変成
形ビームによる描画とを切り換えて描画する荷電粒子線
描画装置において、そのマスク（１１）中のパターンが
選択されたときに、この選択されたパターンの光軸（Ａ
Ｘ）からの距離に応じてその荷電粒子線源（１）の像の
光軸方向（Ｚ方向）の結像位置を調整するための補正手
段（７）を設けたものである。

【０００９】また、本発明の第２の荷電粒子線描画装置
は、例えば図１に示す如く、荷電粒子線を発生する荷電
粒子線源（１）と、可変成形用の開口パターン及び縮小
転写用のパターンが形成されたマスク（１１）と、その
発生された荷電粒子線を集束する集束手段（６，１０）
と、その発生された荷電粒子線をそのマスク（１１）中
の何れかのパターン上に導く偏向手段（９ａ，９ｂ）と
を有し、縮小転写による描画と可変成形ビームによる描
画とを切り換えて描画する荷電粒子線描画装置におい
て、そのマスク（１１）中の光軸から離れた位置にパタ
ーン占有率の大きいパターンを配置し、そのマスク（１
１）中の光軸に近い位置にパターン占有率の小さいパタ
ーンを配置するものである。

【００１０】

【作用】斯かる本発明の第１の荷電粒子線装置によれ
ば、発生された荷電粒子線を集束する集束手段（６，１
０）と並列に補正手段（７）が設けられている。そのマ
スク（１１）中の光軸ＡＸから離れたパターンが選択さ
れたときには、荷電粒子線はその集束手段（６，１０）
の内部で光軸から離れた領域を通過するので、その集束
手段（６，１０）における球面収差によりその荷電粒子
線源（１）の像（クロスオーバ像）の光軸方向（Ｚ方
向）の位置が変化する。そこで、その場合にその補正手
段（７）によりその荷電粒子線源（１）の像の光軸方向
の結像位置を調整することにより、良好な描画特性が得
られる。

【００１１】また、本発明の第２の荷電粒子線描画装置
によれば、マスク（１１）中の光軸から離れた位置にパ
ターン占有率の大きいパターンを配置し、マスク（１
１）中の光軸に近い位置にパターン占有率の小さいパタ
ーンを配置しているため、荷電粒子線源（１）の像の光
軸方向の位置の補正量が少くなり、マスク（１１）上の
どのような位置又はどのようなパターン占有率のパター
ンが選択された場合にも、良好な描画特性を得ることが
できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明による荷電粒子線描画装置の一
実施例につき図面を参照して説明する。本例は荷電粒子
線として電子ビームを用いたものである。図１は本例の
電子線描画装置の構成を示し、この図１において、１は
電子銃である。この電子銃１から順にブランキング用の
偏向器２、コンデンサーレンズ３、第１成形開口板４、
パターン選択用の一方の電磁方式の偏向器５ａ、第１成
形レンズ６、パターン選択用の他方の電磁方式の偏向器
５ｂ及び第２成形開口板８を配置する。また、その第１
成形レンズ６とほぼ同じ位置に静電レンズ７を配置す
る。この静電レンズ７は光軸ＡＸを中心として円筒状に
形成されている。

【００１３】その第２成形開口板８の下に順に、可変成
形ビーム用の一方の静電方式の偏向器９ａ、第２成形レ
ンズ１０、可変成形ビーム用の他方の静電方式の偏向器
９ｂ及びステンシルマスク１１を配置する。第２成形開
口板８の選択された開口パターンの第２成形レンズ１０
による像をステンシルマスク１１上に結像する。即ち、
第２成形開口板８の配置面とステンシルマスク１１の配
置面とは共役である。このステンシルマスク１１の下側
に順に、光軸ＡＸを中心として円形の開口部が形成され
た円形アパーチャ板１２、縮小レンズ１３、副偏向器１
４、主偏向器１５、対物レンズ１６及びターゲット１７
を配置する。上記の第１成形開口板４の光軸ＡＸを含む
中央部には正方形の１個の開口パターンを形成する。

【００１４】また、１８は装置全体の動作を制御する制
御装置を示し、この制御装置１８はステンシルマスク１
１上で選択されるパターンに応じた電圧データを出力す
る。この電圧データはデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変
換器１９及び電圧増幅器２０を介して静電レンズ７に供
給される。また、ステンシルマスク１１と円形アパーチ
ャ板１２との間に電磁方式の偏向器２１及び反射電子検
出器２２を配置する。

【００１５】図２（ａ）は第２成形開口板８のパターン
を示し、この図２（ａ）に示すように、第２成形開口板
８のパターン領域を５行×５列の小領域に分割する。そ
して、光軸ＡＸ上の小領域を除く２４個の小領域にはそ
れぞれ比較的大きな矩形又は正方形の開口パターン２３
−１，２３−２〜２３−２４を形成する。また、第２成
形開口板８の光軸ＡＸ上の小領域には、可変成形ビーム
用の矩形の開口パターン２４を形成する。

【００１６】図２（ｂ）はステンシルマスク１１のパタ
ーンを示し、この図２（ｂ）に示すように、ステンシル
マスク１１のパターン領域もそれぞれ５行×５列の小領
域に分割する。これらステンシルマスク１１上の２５個
の小領域にはそれぞれ図２（ａ）の第２成形開口板８の
２５個の小領域を通過した電子線が１対１で結像され
る。そして、図２（ｂ）のステンシルマスク１１におい
て、光軸ＡＸ上の小領域を除く２４個の小領域にはそれ
ぞれメモリセル等の繰り返しの基本となるパターンの拡
大パターン２５−１，２５−２〜２５−２４を形成す
る。また、その光軸ＡＸの上の小領域には、第２成形開
口板８の開口パターン２４と共役な可変成形用の開口パ
ターン２６を形成する。

【００１７】図１の装置の基本的な動作につき説明する
に、電子銃１から放出された電子線はコンデンサーレン
ズ３で集束されて第１成形開口板４を一様な強度で照明
する。第１成形開口板４の正方形の開口パターンの電子
線による像は、第２成形開口板８の一つの開口パターン
上に第１成形レンズ６を介して結像される。この際に、
パターン選択用の偏向器５ａ及び５ｂに与える信号によ
って、第２成形開口板８の任意の一つの開口パターンを
選択できる。例えば、第２成形開口板８の中央の開口パ
ターン２４が選択されると、ステンシルマスク１１の中
央の開口パターン２６が選択され、偏向器９ａ及び９ｂ
でその開口パターン２４の結像位置をずらすことによ
り、ターゲット１７上には大きさが可変の矩形のパター
ンが描画される。

【００１８】また、第２成形開口板８の開口パターン２
３−１〜２３−２４の一つが選択されると、ステンシル
マスク１１側ではパターン２５−１〜２５−２４の内の
対応するパターンが選択され、ターゲット１７上にはス
テンシルマスク１１上の選択された拡大パターンが縮小
して一括転写される。この際に、縮小レンズ１３及び対
物レンズ１６により、ステンシルマスク１１からターゲ
ット１６に対するパターンの縮小率が決められ、副偏向
器１４及び主偏向器１５によりターゲット１７上での描
画領域が設定される。

【００１９】本例において、その第２成形開口板８の光
軸ＡＸから離れた周辺にある開口パターンが選択された
ときには、電子線は例えば軌道２７に沿って移動して、
第１成形レンズ６の光軸ＡＸから離れた位置を通る。こ
のときに静電レンズ７に電圧を与えないと、電子線源の
像であるクロスオーバ像は、本来の位置Ｐ１より手前の
位置Ｐ２に結像され、このクロスオーバ像の第２成形レ
ンズ１０による像は円形アパーチャ板１２の手前の位置
Ｐ４に結像される。

【００２０】それに対して、制御装置１８が静電レンズ
７に所定の正の電圧を与えると、第１成形レンズ６の磁
界中の電子線のエネルギーが円筒電極状の静電レンズ７
の電位によって変化して、第１成形レンズ６の焦点距離
が長くなり、クロスオーバ像は本来の位置Ｐ１より先の
位置Ｐ５に結像される。その軌道２７に沿って移動する
電子線は、第２成形レンズ１０においても光軸ＡＸから
離れた位置を通るために第２成形レンズ１０の球面収差
を受け、円形アパーチャ板１２の開口部の中央の丁度良
い位置Ｐ３に結像される。これにより、ターゲット１７
上に結像される像の収差が小さくなり、良好な結像特性
が得られる。

【００２１】また、ステンシルマスク１１には種々のパ
ターン占有率（透過孔の面積／パターン領域の面積）の
パターンがある。第１成形レンズ６及び第２成形レンズ
１０の球面収差が無いものとして、ステンシルマスク１
１のパターン占有率が大きいパターンが選択された場合
を考える。この場合、空間電荷効果が大きくなるので、
静電レンズ７に電圧を与えない状態では、クロスオーバ
像は本来の位置Ｐ３よりもターゲット１７側の位置Ｐ６
に結像される。それに対して、制御装置１８がその静電
レンズ７に所定の負の電圧を与えることによって、クロ
スオーバ像の結像位置は本来の位置Ｐ３に補正される。
これにより、ターゲット１７上に結像される像の収差が
小さくなり、良好な結像特性が得られる。

【００２２】また、実際には、ステンシルマスク１１上
で光軸ＡＸから離れたパターンを選択した際に、その選
択されたパターンのパターン占有率が大きい場合が有り
得る。このような場合には、第１成形レンズ６及び第２
成形レンズ１０の球面収差の影響と空間電荷効果による
影響とを同時に受けることになる。そして、第１成形レ
ンズ６及び第２成形レンズ１０の球面収差の影響を補償
するには、静電レンズ７に正の電圧を供給する必要があ
り、空間電荷効果による影響を補償するには静電レンズ
７に負の電圧を供給する必要がある。そこで、その球面
収差の影響と空間電荷効果による影響とを同時に補償す
るためには、制御装置１８はその静電レンズ７に対して
負のレベルから正のレベルの間の所定の電圧を供給する
必要がある。また、空間電荷効果による光源像のＺ方向
移動と球面収差によるその移動方向とは互いに逆方向で
あるから、空間電荷効果の小さいパターン（パターン占
有率の小さいパターン、あるいは第２成形開口板８の面
積が小さいパターン）を中央部に置くと、光源像のＺ方
向移動の補正量が少くて済む。

【００２３】このように、本例によれば、ステンシルマ
スク１１の光軸から離れたパターンを選択した場合で
も、良好な描画特性が得られる。従って、所定の描画特
性を満たすために、従来はステンシルマスク上に例えば
３行×３列のパターンまでしか用意できなかったのに対
して、本例ではステンシルマスク１１上に５行×５列の
パターンを形成してもその所定の描画特性を満たすこと
ができる。更に、ステンシルマスク１１上に例えば７行
×７列又は９行×９列のパターンを形成した場合でも、
良好な描画特性が得られることが分かった。従って、予
め一括縮小転写用に用意できるパターンの種類が増加す
るので、より高いスループットで描画を行うことができ
るようになった。

【００２４】次に、図１の装置において、円形アパーチ
ャ板１２の開口部の中央にクロスオーバ像を設定する方
法の一例を図３を参照して説明する。図３（ａ）は図１
の円形アパーチャ板１２の近傍を示し、この図３（ａ）
において、電子線が軌道２８に沿って円形アパーチャ板
１２の方向に入射するものとする。この際に、電磁偏向
器２１を動作させて電子線を円形アパーチャ板１２の上
でＸ方向に走査して、その円形アパーチャ板１２からの
反射電子を反射電子検出器２２で検出する。その反射電
子検出器２２の出力信号ＳをＸ方向の座標に対してプロ
ットすると図３（ｂ）のような波形が得られる。この波
形は例えばＣＲＴディスプレイ等に表示することができ
る。

【００２５】また、クロスオーバ像がその軌道２８上で
光軸方向（Ｚ方向）に対して円形アパーチャ板１２の開
口部１２ａからずれた位置にあると、図３（ｂ）の観察
波形は波形２９のようにエッジ部が緩やかに変化する波
形となる。一方、クロスオーバ像がその軌道２８上で光
軸方向に対してその開口部１２ａと同じ位置にあると、
図３（ｂ）の観察波形は波形３０のようにエッジ部の立
ち上がりが最も急峻になる。そこで、図３（ｂ）の観察
波形を見ながら、図１の静電レンズ７に対して与える電
圧を変化させて、その観察波形の立ち上がりが最も急峻
になる所でその静電レンズ７に与える電圧を固定すれ
ば、クロスオーバ像の光軸方向の位置は円形アパーチャ
板１２の開口部の位置に設定される。また、静電レンズ
７に与える電圧はステンシルマスク１１上の各パターン
に対してそれぞれ最適な値が求められて、制御装置１８
に記憶される。

【００２６】なお、本発明は上述実施例に限定されず、
例えば荷電粒子線としてイオンビームを使用するなど、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る
ことは勿論である。

【００２７】

【発明の効果】本発明の第１の荷電粒子線描画装置によ
れば、マスク上の光軸から離れた位置のパターンが選択
されても、補正手段でクロスオーバ像の光軸方向の位置
を例えば予め設計された位置にまで補正できるので、計
算上の収差特性と同等の収差特性が得られる。従って、
良好な描画特性で縮小転写あるいは可変成形ビームによ
る描画を行うことができる。

【００２８】また、第２の荷電粒子線描画装置によれ
ば、マスク中の光軸から離れた位置にパターン占有率の
大きいパターンを配置し、マスク中の光軸に近い位置に
パターン占有率の小さいパターンを配置しているため、
荷電粒子線源の像の光軸方向の位置の補正量が少なくて
済み、マスク上のどのような位置又はどのようなパター
ン占有率のパターンが選択された場合にも、良好な描画
特性を得ることができる。更に、第１、及び第２の荷電
粒子線描画装置によれば、従来と同等の描画特性を満た
した上でマスク上に従来よりも多いパターンを配置でき
るので、高いスループットの描画ができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による荷電粒子線描画装置の一実施例の
電子線描画装置の全体を示す縦断面に沿う端面図であ
る。

【図２】（ａ）は図１の第２成形開口板８のパターンを
示す平面図、（ｂ）は図１のステンシルマスク１１のパ
ターンを示す平面図である。

【図３】（ａ）はクロスオーバ像の位置を調整する際の
動作説明図、（ｂ）は図３（ａ）の配置で得られる信号
を示す波形図である。

【符号の説明】

１電子銃２ブランキング用の偏向器３コンデンサーレンズ４第１成形開口板５ａ，５ｂパターン選択用の偏向器６第１成形レンズ７静電レンズ８第２成形開口板９ａ，９ｂ可変成形ビーム用の偏向器１０第２成形レンズ１１ステンシルマスク１２円形アパーチャ板１３縮小レンズ１４副偏向器１５主偏向器１６対物レンズ１７ターゲット１８制御装置２１電磁偏向器２２反射電子検出器

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子線を発生する荷電粒子線源と、
可変成形用の開口パターン及び縮小転写用のパターンが
形成されたマスクと、前記発生された荷電粒子線を集束
する集束手段と、前記発生された荷電粒子線を前記マス
ク中の何れかのパターン上に導く偏向手段とを有し、縮
小転写による描画と可変成形ビームによる描画とを切り
換えて描画する荷電粒子線描画装置において、前記マスク中のパターンが選択されたときに、該選択さ
れたパターンの光軸からの距離に応じて前記荷電粒子線
源の像の光軸方向の結像位置を調整するための補正手段
を設けたことを特徴とする荷電粒子線描画装置。
【請求項２】前記補正手段は、前記マスク中の光軸か
ら離れた周辺のパターンが選択されたときに、前記荷電
粒子線源の像の光軸方向の結像位置の調整量を大きくす
ることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線描画装
置。
【請求項３】前記補正手段は、前記集束手段の近傍に
設けられた円筒状の静電レンズであることを特徴とする
請求項１又は２記載の荷電粒子線描画装置。
【請求項４】荷電粒子線を発生する荷電粒子線源と、
可変成型用の開口パターン及び縮小転写用のパターンが
形成されたマスクと、前記発生された荷電粒子線を集束
する集束手段と、前記発生された荷電粒子線を前記マス
ク中の何れかのパターン上に導く偏向手段とを有し、縮
小転写による描画と可変成形ビームによる描画とを切り
換えて描画する荷電粒子線描画装置において、前記マスク中の光軸から離れた位置にパターン占有率の
大きいパターンを配置し、前記マスク中の光軸に近い位
置にパターン占有率の小さいパターンを配置することを
特徴とする荷電粒子線描画装置。