JP3544884B2

JP3544884B2 - 荷電粒子ビーム照射装置

Info

Publication number: JP3544884B2
Application number: JP04844999A
Authority: JP
Inventors: 尚治下村; 宗博小笠原; 潤高松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: JP2000251826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は荷電粒子ビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は電子ビーム露光装置を説明する図である。図８で（１３）が電子銃であり、この電子銃（１３）から電子ビーム（１）が引き出される。このビーム（１）は発散ビームとなっているがコンデンサレンズ（２）によって電子銃のクロスオーバー像を結ぶ。（１１）はブランキングアパーチャーであり、ブランキング電極（１２）の電圧が０［Ｖ］の時にビーム（１）を通過させ、４０［Ｖ］の時にビーム（１）をカットオフするようになっている。ブランキングアパーチャーを通過したビームは矩形状に規定される第１成形アパーチャー（５）に照射される。
【０００３】
矩形状に規定される第１成形アパーチャー（５）の像は投影レンズ（３）によって矩形状に規定される第２成形アパーチャー（６）上に第１成形アパーチャーの像の焦点を結ぶように構成される。この第２成形アパーチャー（６）を通過したビームは対物レンズ（４）により３０：１に縮小されて、ターゲットとしての平板状の被露光物体（９）上に仮想光源、すなわち第１成形アパーチャーの焦点を結ぶようになる。ターゲット（９）上でのビームの照射位置は対物偏向器（８）によって制御される。またターゲット（９）はｘｙ方向に移動できるステージ（１０）に固定されており、移動しながら描画を行なう。
【０００４】
図９は第１成形アパーチャー（５）、第２成形アパーチャー（６）によってビームを成形する仕組みを説明した図である。実際にはビームは平行光線ではなく、レンズによって結像をするのであるが、わかりやすくするために図では平行なビームが示してある。第１成形アパーチャー（５）に照射された電子ビーム（１ｂ）は、第１成形アパーチャー（５）の開口部の形状に切り取られ、成形されたビーム（１ｃ）になる。成形されたビーム（１ｃ）は成形偏向器（７）によって偏向され、第２成形アパーチャー（６）上で結像される。第２成形アパーチャーを通過したビーム（１ｄ）は第２成形アパーチャー（６）上に照射される第１成形アパーチャー（５）像と第２成形アパーチャー（６）の開口部の重なった領域の形状に成形される。この成形されたビームが縮小され、ターゲット（９）に照射される。
【０００５】
図１０は第１成型アパーチャー（５）の従来の固定方法を示した図である。第１成型アパーチャー（５）はアパーチャー支持台（３２）の上に設置され、板バネ（３１）でアパーチャー支持台（３２）に押さえつけられて固定されている。第２成型アパーチャー（６）も同じ方法で固定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
アパーチャーに電子ビームが照射された場合、照射された電子ビームの一部はアパーチャー開口部を通過するが、一部はアパーチャー構成部材によって吸収される。この吸収された電子ビームのエネルギーによって、アパーチャーの温度が上昇する。条件によってはアパーチャーの温度上昇は数１００℃以上になる。温度上昇を１００℃とし、アパーチャーの材料であるＳｉの膨張率を３×１０^−６とすると、各辺１ｃｍのアパーチャーの膨張は３μｍになる。図１１はアパーチャーの膨張を模式的に示した図である。矢印が膨張する前と後とのアパーチャーの変化を示している。アパーチャーは全体が均等に膨張すると仮定すると、膨張する時に支点となって動かない点が１箇所存在する。アパーチャー（５）を図３の方法で固定した場合、アパーチャーが膨張すると、最悪の場合には図１１のようにアパーチャーの端（４２）を支点として一方向に膨らむ形で膨張する。これに伴い、アパーチャー開口部（４３）も実線の位置から点線の位置に移動する。アパーチャーが膨張する時、支点がアパーチャー上のどこになるかを予測したり制御したりすることは難しい。アパーチャーの位置決めガイドで決まる場合もあるし、アパーチャー自身やアパーチャーを乗せている台の微細な凹凸で決まる場合もある。図１１のように支点がアパーチャーの端になった場合、アパーチャーが３μｍ膨張するとアパーチャーの開口部（４３）は矢印で示す方向に１．５μｍ移動することになり、縮小率１／３０の場合、ターゲット上では５０ｎｍ動くことになる。この変動はビームの寸法や位置の精度を劣化させ、問題になる。
【０００７】
このように、電子ビームをアパーチャーに照射すると、アパーチャーの温度上昇が起こり、熱膨張によって開口部分の位置が動き、ターゲット上でのビームの位置や寸法が変動する現象が起こる。これが、描画パタンの寸法精度や位置精度を劣化させる原因になっている。本発明では電子ビームが照射された部材が、電子ビームのエネルギーによる温度上昇で熱膨張が起こっても、ビームの照射点の位置が変動しない、前記部材の固定方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビーム照射装置において、前記荷電粒子ビームが照射される位置がほぼ中心にあり、この位置に前記荷電粒子ビームを所望の形状に成形する開口部が設けられた成形アパーチャーを有し、前記成形アパーチャーは、前記荷電粒子ビームの進行方向と直交する面内で前記開口部を介して互いに対向する位置に力を作用させる、前記成形アパーチャーの周囲の各辺に取り付けられたバネにより保持され、前記バネは、変位に比例して力の大きさが変化するとともに、単位変位量当たりの力の大きさの変化量が等しいことを特徴とするものである。
以上
【０００９】
荷電粒子ビーム照射装置構成部材に荷電粒子ビームが照射され温度が上昇した場合、ビームが照射された部分を支点として熱膨張が起こり、ビームが照射された部分の位置の変動が抑制される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明による、第１成形アパーチャー（５）の詳しい説明図である。ここでは第１成型アパーチャー（５）で説明を行なうが、第２成型アパーチャーでも同じ方法が適用できる。アパーチャーとなるＳｉチップの大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍでその中心には８０μｍ×８０μｍの矩形の開口（４３）が設けられている。第１成型アパーチャー（５）の周囲にはバネ（５３）が取り付けられている。外径３ｍｍ程度のバネであれば、各辺に１〜３本程度取り付けることが可能である。バネは例えば外径３ｍｍ、バネ定数３００ｇ重／ｍｍで材料はＳＵＳのバネを用いる。このバネによりアパーチャーの水平面内での位置が決められている。対向する辺に取り付けられているバネのバネ定数は等しくなるようにする。一つの辺に複数のバネを取り付けることにより、バネ定数のばらつきは小さくなる。本実施例では、引っ張りバネを使った例を示したが、圧縮バネや板バネを用いる事もできる。バネ（５３）は支持枠（５４）に設けられた穴を通り、支持枠（５４）に固定された張力調整器（５５）に取り付けられている。張力調整器（５５）と支持枠（５４）との距離をマイクロメーターで調整することにより、バネの張力の調整をおこない、さらにアパーチャー開口部が電子ビームの光軸の中心を通るようにアパーチャーの位置の調整をおこなう。バネの引っ張りに対するアパーチャーの破壊強度を１０ｋｇ、調整の時のバネの変位を０．２ｍｍとするとバネ定数の最大値は５０ｋｇ重／ｍｍになる。バネ定数はこの値を越えないようにする。
【００１１】
図２はバネをアパーチャーに取り付ける方法の１例を示した図である。図２（ａ）は断面、（ｂ）は上から見た図を示している。アパーチャーの４辺には図２（ａ）に示したようなＶ溝をリソグラフィおよびエッチングの手法によって設ける。このＶ溝は表側と裏側に設け、それぞれ場所をずらす。このＶ溝には厚さ０．２ｍｍのリン青銅の板バネ（６２）の先端にくさび型の部材をとりつけ、差し込む。板バネの先端を折り曲げるだけでもよい。上下のＶ溝にかかる力が均等になるように、この部分をトールシールで固定する。この板バネでアパーチャーを両側から挟みつけるようにして、アパーチャーをバネ固定治具（６１）に固定する。板バネの反対側はバネ固定治具にネジ止めする。バネ固定治具（６１）のもう一方の側にバネ（５３）を固定する。ここに述べた方法の他に、図２（ｃ）のように表と裏の同じ位置に溝を作る方法や、図２（ｄ）のように溝を貫通させてその中にコの字型の取り付け部材（６３）を通す方法もある。
【００１２】
図３はアパーチャの取り付け機構をさらに詳しく説明する図である。アパーチャー（５）は３本あるいはそれ以上のピン（７１）と軽く接触している。ピンは銅でできており、その先端は滑らかな球面になるように加工されている。そのためピンとアパーチャーとの静止摩擦係数は０．１以下であり、水平方向の摩擦力が小さくなるようにしてある。アパーチャー固定治具（５４）の高さ調整機構を設け、接触部分の圧力を調整できるようにする。アパーチャー（５）とピン（７１）にかかる力を１ｇとすれば、摩擦力は０．１ｇ以下になる。ピンの先端の高さは精度よく調整されており、このピンにアパーチャーが接触することにより、アパーチャーのビーム軸方向の高さの精度と水平度が保証される。取り付けの際、アパーチャーに応力がかかって割れないように注意する必要がある。また、電子ビームがアパーチャーに照射された際に、アパーチャーの温度が上昇すると、このピンを通ってアパーチャーの熱が外に放出される。このピンを支持している部材（７２）はアパーチャー支持枠（５４）とは熱的に分離された所に固定する。これによってアパーチャー支持枠の温度上昇を低減させる。また、アパーチャーの振動もこのピンによって防止される。このピンはアパーチャーの下側からアパーチャーに接触させてもよい。
【００１３】
図４は本発明により、電子ビームと垂直な力でアパーチャーを固定した場合のアパーチャーの膨張を模式的に説明した図である。アパーチャーを固定しているバネの張力を調整することにより、膨張する時の支点をアパーチャーの開口部分の場所にすることができる。本発明の方法を用いるとアパーチャーの膨張に伴い、開口部分は拡大されるが、移動は伴わない。開口部の大きさを一辺８０μｍの正方形とし、ターゲット上での縮小率を１／３０とすると、アパーチャーが１００℃温度上昇した際の開口部分のターゲット上での変動は０．４ｎｍとなり、膨張による精度の劣化は問題にならない。次に、図３に示したピンとアパーチャーの摩擦について評価する。先に説明したようにピンとアパーチャーとの摩擦力は０．１ｇ重程度にすることが可能である。一方、３００ｇ重／ｍｍのバネを一方向当たり４本取り付けた場合、アパーチャーに作用するバネの力は一方向当たり１２００ｇ重／ｍｍである。そこでアパーチャーの熱膨張が３μｍ程度であるとすると、熱膨張により発生する張力は３．６ｇ重になり、摩擦力よりも大きな力になる。そのため、膨張によるアパーチャーの変動の支点は摩擦力ではなく、バネの力によって決まることになる。このようにバネ定数の下限はピンとの摩擦力で決まり、アパーチャーの膨張が起きた時、新たにバネに発生する力がアパーチャーとピンとの摩擦力より大きくなる必要がある。このため精度を良くするためにはバネ定数を大きくする必要がある。一方、バネ定数の上限は先に説明したように、アパーチャーが破壊されないという条件から決まる。ところで、アパーチャーの構成部材であるＳｉ自身も弾性体であり、この弾性率から求まる面積力当たりのひずみは約１０^４ｋｇ／ｍｍ程度である。バネ定数はこの値よりも何桁も小さい値である必要があるが、本実施例ではアパーチャーが破壊されないという条件を満たしていれば必然的にこの条件も満たすことになる。
【００１４】
図５にＶ溝を備えたアパーチャー作製のプロセスの１例を示す。基板は１ｍｍ厚のＳｉ（１００）基板（９１）に２μｍ厚のＳｉＯ２（９２）、２０μｍ厚のＳｉ（１００）（９３）の積層した貼り合わせ基板を用いる。以後図５で上側に示されている面を表面、下側の面を裏面とする。まず（ａ）に示すように、この基板の表面にレジスト（９４）を塗布する。次に、電子ビーム描画でＶ溝を作るためのパターニング描画を行ない、現像をする。Ｖ溝のパターニング形状は０．４ｍｍ×４ｍｍの矩形にする。この矩形の短辺の長さＬ（＝０．４ｍｍ）とＳｉ基板の厚さｄ（＝１ｍｍ）は、２の平方根とｄの積がＬよりも大という条件を満たす必要がある。これを満たさないとＶ溝が基板を突き抜けてしまうことになる。次に（ｂ）に示すように、このレジストをマスクにして、ＣＦ４およびＳＦ６ガスを用いた反応性イオンエッチングによって、Ｓｉをエッチングする。反応性イオンエッチングは片面のみ行ない、エッチャントが裏面に回り込まないようにする。さらに、ＣＦ４、Ｈ２ガスを用いて、（ｃ）に示すようにＳｉＯ２層を反応性イオンエッチングによりエッチングする。次に、（ｄ）に示すように、この基板をＫＯＨ水溶液を用いた異方性エッチングによって基板のＳｉの表面にＶ溝を形成する。ＫＯＨ水溶液によるＳｉのエッチング速度はＳｉ（１００）面、およびＳｉ（１１０）面では、１００μｍ／ｈ以上にする事が可能であるが、Ｓｉ（１１１）面のエッチング速度は２桁程度小さい。このため、ＫＯＨエッチングは選択性エッチングとなり、Ｓｉ（１１１）表面で全面が覆われた所で終了する。この結果、Ｓｉ（１００）基板をＫＯＨエッチングするとＶ溝が形成されることになる。ＫＯＨエッチングは片面のみ行ない、エッチングしない方の面および側面はＫＯＨ水溶液と接触しないようにする。次に図６（ａ）に示すように、表面のレジストは剥離し、裏面にレジストを塗布する。さらにＶ溝（９５）および開口部を作る領域（９６）のためにパターニング露光および現像を行なう。パターニング露光は両面アライナを用いて行ない表裏のパタンの位置を適宜合わせるようにする。次に図６（ｂ）に示すように、このレジストをマスクにして裏面側のＫＯＨエッチングを行ない、Ｖ溝および開口部領域を作製する。開口部領域はＳｉＯ２の所でエッチングがストップする。次に図６（ｃ）に示すように裏面のレジストを剥離し、表面にレジストの塗布を行なう。さらにアパーチャー開口部の形状に電子ビームでパターニング描画を行なう。そしてＣＦ４とＳＦ６ガスを用いた反応性イオンエッチングによってＳｉＯ２面にぶつかるまでアパーチャー開口部にあたる部分のＳｉのエッチングを行なう。次に図６（ｄ）に示すように沸酸で開口部領域のＳｉＯ２を取り除き、残ったレジストを剥離する。最後に両面にＩｒを５０ｎｍずつスパッタ成膜する。
（実施例２）
本発明による固定方法は、電子ビーム露光装置のビーム計測に用いられる微小マークの熱膨張によるドリフトを低減させるための、微小マーク固定方法にも応用できる。レーザー干渉計によって位置を正確に求めた微小マーク上で成形されたビームのスキャンを行ない、反射電子や二次電子の変化を測定することにより、ビームの正確な位置や形状を計測する。計測の結果はビーム調整のパラメータの値にフィードバックする。この微小マークは１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのＳｉ（１００）基板の中心にリソグラフィの手法を用いて作製する。マークの形状は０．２μｍ×０．２μｍ×０．２μｍの立方体、材料はＷによって作製する。さらに実施例１で説明したＶ溝を作製する。この微小マークを作製したＳｉ基板を図１と同じ構造のホルダーにアパーチャー（５）の代わりに装着する。微小マークを装着した支持枠（２４）は図８で示した電子ビーム露光装置のステージ（１０）に取り付ける。マーク面の高さは描画を行なうターゲットの高さと同じになるようにする。このマークをビーム計測に使用する時は、ステージを移動してマークにビームが照射されるようにする。この実施例においても図３と同じようにピンを接触させてマークの面の高さの決定と放熱を行なう。マークにビームが照射されて熱膨張が起こった場合には、実施例１に示した場合と同様に、マーク位置を支点としてＳｉ基板が膨張するため、中心のマーク位置の変動は小さくなる。
（実施例３）
図７は電子顕微鏡の試料ホルダーに本発明を適用した１例である。（ａ）（ｂ）はそれぞれ断面図および上面図を示している。試料ホルダー１０１は（ａ）に示すように斜めにカットした構造を持ち、電子顕微鏡のホルダー座（１０２）にはこの斜辺部分を差し込むように溝が作られている。この溝に試料ホルダーを差し込んで観察を行なう。試料交換の時は、試料ホルダーをホルダー座から引き抜き、試料の交換を行なう。この試料ホルダーの中心に、試料（１０３）がバネで固定されている。バネは支持枠（１０５）に設けられた穴を通り、支持枠（１０５）に固定された張力調整器（１０４）に取り付けられている。張力調整器（１０４）と支持枠（１０５）との距離を調整することにより、バネの張力を調整する。対向する辺に設置されたバネはバネ定数が等しくなるようにする。試料と試料ホルダーの間にはフォンブリンオイルをいれて熱を試料から試料ホルダーに放出させる。フォンブリンオイルの代わりに、試料と試料ホルダーの間をＡｇのワイヤーで接続し、熱を試料から試料ホルダーに放出させてもよい。この場合は、ワイヤーの試料に働く水平方向の力は、熱膨張によるバネの変位による張力の変動分より小さくなるようにする。張力の調整器（１０４）も取り付けてある。試料にビームが照射されて熱膨張が起こった場合には、試料の中心を支点として試料が膨張するため、試料の中心を観察していればドリフトが小さくなる。
【００１５】
【発明の効果】
以上、説明したように荷電粒子ビーム照射装置において、ビームの照射される部材に本発明による固定方法を適用することにより、ビームを照射し熱膨張した際、ビームの照射された部分の位置の変動が低減された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による成形アパーチャーの固定方法である。
【図２】本発明のバネを成形アパーチャーに取り付ける方法である。
【図３】本発明の成形アパーチャーの取り付け機構の詳しい説明図である。
【図４】本発明の熱膨張に伴うビーム照射位置の変動の低減の説明である。
【図５】本発明の成形アパーチャー製作のプロセスである。
【図６】本発明の成形アパーチャー製作のプロセスである。
【図７】本発明の電子顕微鏡試料ホルダーである。
【図８】従来例の電子ビーム露光装置の簡単な説明図である。
【図９】従来例の成形アパーチャーによってビームを成形する仕組みの説明図である。
【図１０】従来例の成形アパーチャーの固定方法の従来例である。
【図１１】従来例の成形アパーチャーの膨張の模式図である。
【符号の説明】
１電子ビーム
２コンデンサレンズ
３投影レンズ
４対物レンズ
５第１成形アパーチャー
５ａ第２成形アパーチャー上の第１成形アパーチャーの像
６第２成形アパーチャー
６ａ第２成形アパーチャーの開口部
７成形偏向器
８対物偏向器
９ターゲット
１０ステージ
１１ブランキングアパーチャー
１２ブランキング電極
１３電子銃
３１板バネ
３２パーチャー支持台
４２アパーチャーの端
４３アパーチャーの開口部
５３バネ
５４支持枠
５５調節機構
６１バネ固定治具
６２板バネ
６３取り付け部材
７１ピン
７２ピンを支持する部材
９１Ｓｉ（１００）基板
９２ＳｉＯ２膜
９３Ｓｉ（１００）
９４レジスト
９５Ｖ溝
９６開口部領域
１０１試料ホルダー
１０２ホルダー座
１０３試料
１０４調整機構
１０５支持枠

Claims

荷電粒子ビーム照射装置において、前記荷電粒子ビームが照射される位置がほぼ中心にあり、この位置に前記荷電粒子ビームを所望の形状に成形する開口部が設けられた成形アパーチャーを有し、前記成形アパーチャーは、前記荷電粒子ビームの進行方向と直交する面内で前記開口部を介して互いに対向する位置に力を作用させる、前記成形アパーチャーの周囲の各辺に取り付けられたバネにより保持され、前記バネは、変位に比例して力の大きさが変化するとともに、単位変位量当たりの力の大きさの変化量が等しいことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
前記バネはコイルバネであることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。