JP3318154B2 - 荷電粒子ビーム投射方法およびその装置 - Google Patents

荷電粒子ビーム投射方法およびその装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子ビームやイオンビ
ームなど荷電粒子ビームを用いて微細加工を行う荷電粒
子ビーム投射方法、およびこれを用いた装置に関する。
【0002】
【従来の技術】まず、荷電粒子ビーム投射装置を説明す
る。図8に示した荷電粒子ビーム投射装置131は、荷
電粒子源132と、開口パターンを有するステンシルマ
スク133を保持するマスクステージ134と、荷電粒
子源131から引出した荷電粒子ビーム135をステン
シルマスク133に照射する荷電粒子照射光学系136
と、ステンシルマスク133を通過したパターン荷電粒
子ビーム137を試料138に投射してステンシルマス
ク133の開口パターンと略相似形の投射領域を形成す
る投射レンズ139を含む荷電粒子投射光学系140
と、試料138を保持して移動する試料ステージ141
などから構成される。例えば、電子ビームやイオンビー
ムによるリソグラフィなどに用いられる。
【0003】なお、荷電粒子のうちイオンを用いた公知
例として、イオン投影型縮小露光装置があり、例えば、
論文集マイクロエレクトロニック・エンジニアリング第
17巻,(1992年)第229から240頁(Microel
ectronic Engineering,17(1992)229−24
0.)に記載された論文がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】試料上にステンシルマ
スクの開口パターンを極力歪を少なく投射する際には、
投射レンズに供給する電圧は十分に調整しなければなら
ない。いわゆる、投射レンズのピント合わせである。特
に、荷電粒子源が電界放出型電子源や液体金属イオン源
のように仮想物点が非常に小さいポイントソースである
場合、投射レンズの正確なピント合わせは、試料面に形
成される像のシャープさを観察しているだけでは不十分
で、投射レンズに供給する最適な電圧印加が難しかっ
た。
【0005】本発明の目的は、第1に投射レンズによる
荷電粒子ビームの簡便で正確なピント合わせができる荷
電粒子ビーム投射方法を提供することにあり、第2は、
上記第1目的を実現する荷電粒子ビーム投射装置を提供
することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記第1の目的を実現す
るため、(1)荷電粒子源から引出した荷電粒子ビーム
を、荷電粒子ビームの透過できる開口パターンを有する
ステンシルマスクに照射し、上記ステンシルマスクを透
過した上記荷電粒子ビームを少なくとも一段の投射レン
ズによって試料上に投射して、上記開口パターンの像を
形成する荷電粒子ビーム投射方法において、上記荷電粒
子源の仮想物点を移動または揺動させつつ、上記試料上
に形成された上記開口パターンの像位置の移動量または
揺動量が上記仮想物点の移動または揺動に関係なく微小
にするように上記投射レンズ強度を調整する荷電粒子ビ
ーム投射方法によって達成される。また、(2)上記
(1)において、上記実効的に上記荷電粒子源の仮想物
点を移動または揺動させる方法が荷電粒子源とステンシ
ルマスクの間での荷電粒子ビームの偏向によることで達
成される。
【0007】また、第2の目的は、(3)荷電粒子源
と、荷電粒子が透過できる開口パターンを備えたステン
シルマスクを保持するマスクステージと、試料を保持す
る試料ステージと、少なくとも上記ステンシルマスクを
透過した荷電粒子ビームを上記試料へ投射して上記開口
パターン像を上記試料上に投射する投射レンズを含む投
射光学系と、上記試料ステージ面に投射される上記開口
パターンの像を検出するビーム検出器とを備えた荷電粒
子ビーム投射装置において、実効的に荷電粒子源の仮想
物点の移動または揺動手段と、上記ビーム検出器からの
信号を取り込んで処理すると共に、上記投射レンズに電
圧を供給する電源の出力と上記揺動手段の出力を制御す
る信号を発する信号処理器とを有する荷電粒子ビーム投
射装置によって達成される。特に、(4)上記(3)の
荷電粒子ビーム投射装置における荷電粒子源が、液体金
属イオン源,電界電離イオン源、または、微小放出点を
持つプラズマイオン源,電界放出電子源のうちのいずれ
かで、かつ、上記実効的に荷電粒子源の仮想物点の移動
または揺動手段が、上記荷電粒子源と上記ステンシルマ
スクの間に設置した少なくとも一段の偏向器である荷電
粒子ビーム投射装置によって達成される。
【0008】
【作用】荷電粒子源から発生する荷電粒子ビームは、ス
テンシルマスクを通過し、投射レンズによってステンシ
ルマスク上の開口パターンと略相似形のパターンとして
試料上に投射される。図2(a)に示すように開口パター
ンが正しく投射される場合、仮想物点20から放出され
た荷電粒子ビーム21はステンシルマスク22に照射さ
れ、ステンシルマスク22の1点を通過した荷電粒子ビ
ーム21′は投射レンズ23によって試料24面上に結
像する。投射レンズ23の強度が正しくなければ、図2
(b)のように、投射レンズ23′による像26は試料2
4上で一点に集束せず、ステンシルマスクの開口パター
ンは正しく結像されない。いわゆるピンボケの状態であ
る。しかし、このようなステンシルマスクの開口パター
ンを試料面に投射する構成の荷電粒子ビーム装置の光学
系では、投射レンズの焦点が試料面に正確に合っている
と、仮想物点(ソース位置)が光学軸25に対して垂直
面内で多少ずれていても像点の位置は動かない。
【0009】図3に示すように、荷電粒子源30の仮想
物点31が光学軸32上にある場合は上述の説明のよう
に、光学軸32に沿ってステンシルマスク34を通過
し、投射レンズ35によって試料36上に集束される。
一方、光学軸外にずれた荷電粒子源30′,30″の仮
想物点31′,31″から放出された荷電粒子ビーム3
3′,33″もステンシルマスク34の一点を通過し、
通過したビームは光学軸外を通るが、投影レンズ35に
よって軌道が曲げられ試料36面上の一点に集束する。
逆に、試料面に形成される像点位置を検出しつつ、実効
的に仮想物点位置を移動または揺動させながら、投射レ
ンズ強度を変化させていくと、像点位置が動かなくなる
投射レンズ強度が見つかる。この時が投射レンズのピン
トが試料面に正確に合った適正投射レンズ強度である。
【0010】仮想物点位置を実質的に揺動させるには、
図3のように荷電粒子源30を移動または揺動させる
か、図4のように荷電粒子源を固定して荷電粒子源とス
テンシルマスクの間に設置した偏向器41の偏向電圧を
揺動させることで達成される。
【0011】図4では、偏向器41によって光学軸外に
偏向された荷電粒子ビーム42′,42″の仮想物点は
実際の仮想物点43よりもずれ、実効的には、ずれた仮
想物点43′,43″から放出しているように見える。
従って、図3のように荷電粒子源30を揺動させるより
も、荷電粒子源とステンシルマスクの間に偏向器41を
設置して、荷電粒子ビーム42を偏向させるのが簡便で
ある。
【0012】試料面と同一に設置されたビーム検出器4
4から得られる像信号を信号処理器45に導入すると共
に、偏向器41に変動電圧を変動電圧発生源46より印
加しつつ、投射レンズ35に印加する電源47からの電
圧を徐々に上昇させるか下降させ、像の変位量を検知
し、予め定めた許容変位量内に収まれば、偏向器41に
与える変動電圧の供給を中止するとともに、投射レンズ
35への電圧変動を停止し、一定に維持する。このよう
な手順で、投射レンズ35のピント合わせを容易に行う
ことができる。また、一連の作業は、偏向器41への電
圧を供給する電源46の出力と、投射レンズ35への電
圧を供給する電源47の出力を制御する信号を信号処理
器45が発信することにより自動的に行える。
【0013】
【実施例】本発明の最も簡単な実施例の構成を図1に示
す。本実施例は荷電粒子源として液体金属イオン源1を
用いたイオン注入装置2である。液体金属イオン源1か
ら放出されたドーパントイオン3をステンシルマスク4
に照射し、ステンシルマスク4に設けた開口パターンと
ほぼ相似形のイオン注入領域を、投射レンズ5によって
試料6上に形成する装置である。
【0014】液体金属イオン源1とステンシルマスク4
との間には、本発明による実効的に仮想物点を揺動させ
るための偏向器7を備えている。液体金属イオン源1に
はイオンを引出し加速するための電圧を供給する電源
(図示せず)、偏向器7にはビームを偏向するための電
圧を供給する直流電源8と変動電圧発生源9、投射レン
ズ5にはイオンビーム軌道を集束させるための電圧を供
給する電源10がつながれ、そのそれぞれの出力は信号
処理器11によって制御される。試料ステージ12には
ビーム検出器13が設置されており、ステンシルマスク
4を通過して、投射レンズ5によって縮小されたパター
ンイオンビーム14をビーム検出器13に投射すること
で、ビーム検出器13からの信号は信号処理器11に導
入される。必要ならば、ビーム形状は表示部15に表示
される。
【0015】ステンシルマスク4を通過したパターンイ
オンビーム14を試料6に投射する際、投射レンズ5の
ピント合わせは次の方法によって行った。まず、おおよ
そに調整されたレンズ電圧によってパターンイオンビー
ム14をビーム検出器13に投射する。この時のパター
ン像は表示部15に表示する。この状態で表示された像
のある一点に注目する。そこで、液体金属イオン源1と
ステンシルマスク4の間に設置した偏向器7に一定振幅
を持つ矩形電圧を印加する。ここで用いた偏向器7は2
極で、そのそれぞれに印加する電圧は、絶対値は同じで
異符号である。
【0016】図5は、操作時の偏向器7に印加する偏向
電圧(a),投射レンズ5に印加する投射レンズ電圧
(b),像の変位量(c)の関係を時間軸を横軸に模式的に
示したグラフである。偏向器に図(a)のような変動電圧
を印加しつつ、図(b)のように投射レンズ電圧を徐々に
単調に上昇させると、表示部15で注目したある点は偏
向器7に印加する変動電圧に連動して振動するが、投射
電圧がある電圧の時、像の変位量が小さくなり、予め設
定した許容振幅内に入り、さらに投射レンズ電圧を上昇
させると、再び変位量は大きくなる。像変位が許容変位
内に入った時、投射レンズへの印加電圧は最適電圧で、
像のピントは正確に設定されている。このようにしてシ
ャープなパターン像を試料面に形成することがきる。
【0017】本発明による荷電粒子ビーム投射方法の別
の適用例として、図6のように、照射光学系60を集束
レンズ61と照射レンズ62と、集束レンズ61のクロ
スオーバ63直前に偏向器64とを含む構成とし、投射
光学系65は集束レンズ66と投射レンズ67を含む構
成とする。偏向器64に印加する電圧を前記図5の例の
ように変動させることで、クロスオーバ63は変動し、
実効的に仮想物点を変動させることができ、上記と同様
の効果をもたらす。
【0018】さらにまた、図7のように2段の偏向器7
0,71を用いることで、ステンシルマスクへの照射ビ
ーム72の中心軸73が73′に平行移動させることに
よって、実効的に仮想物点74を74′に移動または揺
動させることもでき、上記と同様に効果を得ることがで
きる。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば投射レンズの焦点合わせ
を簡便で正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による荷電粒子ビーム装置の実施例のブ
ロック図。
【図2】本発明の中心となる概念の説明図。
【図3】本発明の中心となる概念の説明図。
【図4】本発明の中心となる概念の説明図。
【図5】本発明による荷電粒子ビーム装置の実施例をさ
らに明瞭に理解するために、偏向電圧,投射レンズ電圧
と像の振幅時間変化の関係を示した説明図。
【図6】本発明の別の実施例で、実効的に仮想物点を揺
動または変動させる別方法の説明図。
【図7】本発明のさらに別の実施例で、特に2段偏向器
による方法の説明図。
【図8】荷電粒子ビーム装置の概略構成の説明図。
【符号の説明】
1…液体金属イオン源、2…イオン注入装置、3…イオ
ンビーム、4…ステンシルマスク、5…投射レンズ、7
…偏向器、9…変動電圧発生器、11…信号処理器、1
2…試料ステージ、13…ビーム検出器、14…パター
ンビーム。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−338445(JP,A) 特開 平5−160012(JP,A) 特開 平4−181716(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/027 H01J 37/21 H01J 37/30

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】荷電粒子源から引出した荷電粒子ビーム
    を、上記荷電粒子ビームの透過できる開口パターンを有
    するステンシルマスクに照射し、上記ステンシルマスク
    を透過した上記荷電粒子ビームを投射レンズによって試
    料上に投射して、上記開口パターンの像を形成する荷電
    粒子ビーム投射方法において、上記荷電粒子源の仮想物
    点を移動または揺動させつつ、上記試料上に形成された
    上記開口パターンの像位置の移動量または揺動量が微小
    になるように投射レンズ強度を調整することを特徴とす
    る荷電粒子ビーム投射方法。
  2. 【請求項2】請求項1において、上記荷電粒子源の仮想
    物点を移動または揺動させる方法が、上記荷電粒子源と
    上記ステンシルマスクの間で荷電粒子ビームを偏向する
    ことによる荷電粒子ビーム投射方法。
  3. 【請求項3】荷電粒子源と、荷電粒子が透過できる開口
    パターンを備えたステンシルマスクを保持するマスクス
    テージと、試料を保持する試料ステージと、上記ステン
    シルマスクを透過した荷電粒子ビームを上記試料へ投射
    して上記試料上に上記開口パターンの像を形成する少な
    くとも一段の投射レンズと、上記試料ステージ面に投射
    される上記開口パターンの像を検出するビーム検出器と
    を備えた荷電粒子ビーム投射装置において、上記荷電粒
    子源の仮想物点の移動または揺動手段と、上記ビーム検
    出器からの信号を取り込んで処理すると共に、上記投射
    レンズに電圧を供給する電源の出力と荷電粒子源の仮想
    物点の移動または揺動手段の出力を制御する信号を発す
    る信号処理器とを有することを特徴とする荷電粒子ビー
    ム投射装置。
  4. 【請求項4】請求項3において、上記荷電粒子源が、液
    体金属イオン源,電界電離イオン源、または、微小放出
    点を持つプラズマイオン源,電界放出電子源のうちのい
    ずれかであり、荷電粒子源の仮想物点の移動または揺動
    手段が、上記荷電粒子源と上記ステンシルマスクの間に
    設置した少なくとも一段の偏向器である荷電粒子ビーム
    投射装置。
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