JP3658149B2 - 電子線露光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子製造のパターン露光プロセスにおける電子線露光技術に関し、特に、電子線の利用効率が高く生産性の優れた電子線転写露光装置(電子線露光装置)に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体記憶素子の製造プロセスにおいては、生産性の高い光露光方式が用いられてきたが、露光パターンの最小線幅が0.2μm以下の加工が必要とされる1G、4GDRAMの半導体記憶素子の生産においては、光露光方式に代る露光技術として、解像度の優れた電子線露光方式が有望視されている。
【0003】
近年、従来のガウシアン型や可変整形型の電子線露光装置に比べ生産性の向上を目的とした転写型の電子線露光装置、すなわち所望のパターンを配置したマスク面上に電子線を照射し、マスクを透過した電子線を投影レンズによって縮小転写し、ウェハにマスクのパターンを投影する露光装置の開発が進んでいる。
【0004】
図7は、従来の電子線転写露光装置の構成を示す図である。図7に示す従来の電子線転写露光装置では、電子銃101より照射された電子線は、矩形状のアパーチャ121が形成されたコンデンサレンズ102で縮小され、フィールドレンズ103によりマスク104の表面に均一に照明される。マスク104としては、電子線が透過するメンブレンの上に電子線を散乱させる散乱体でパターンを設けた散乱型、または、メンブレンの上に電子線を吸収する吸収体でパターンを設けたステンシル型のいずれを用いることもできる。マスク104のパターンにおいて散乱も吸収もされない電子線は縮小投影レンズ105,106によりウェハ107上に結像されて照射され、これによりマスク104のパターンがウェハ107に露光される。電子線は矩形状のアパーチャ121を透過するので、図8に示すように、ウェハへ107の電子線の照射領域110も矩形形状となる。また、マスク104は、その面内方向に走査できるXYステージに搭載され、ウェハ107は、ウェハステージに搭載されている。このXYステージをウェハステージと同期して走査することで、ウェハ107の全面が露光される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した電子線転写露光装置の生産性を決定する主要因の一つは、ウェハ面上での電子線の露光面積(照射面積)である。特に、ウェハステージの走査方向と垂直な方向での電子線の露光幅(ストライプ幅)W(図8参照)が重要な要因である。この露光面積は、電子光学系の投影レンズの軸外収差によって決定される。1Gあるいは4GのDRAMの製造における電子線の露光面上でのボケ量の許容値は20〜30nmといわれている。従って、電子光学系の収差によるボケ量の許容値はこの値以下にする必要があり、具体的な露光面積の数値例としては、現状は0.25mm×0.25mm程度である。この場合のスループットは、8インチウェハの5枚/(時間)であり、生産性の点で十分な性能が得られていない(J.Alexander Liddle et al, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34(1995) PP.6663-6671)。
【0006】
また、電子線の強度について考えると、仮に軸外収差を低減でき露光面積を数十mm四方とした場合の電子銃のエミッタンスは、10-5〜10-4(cm/rad)程度必要である。この値は、通常のLaB6のエミッタを用いた電子銃で得られる値の1〜2桁大きな値である。一方、レジスト感度とステージ走行速度で決まる電子線の電流密度の条件を満足した状態で露光領域を拡大した場合は、電子銃のエミッタンスの制限を受け、露光領域を広げた状態で十分な電子線強度を得るには問題がある。
【0007】
このように、従来の電子線露光装置では、生産性の高いスループットを得るのに必要な電子線の強度を維持した状態で露光領域を拡大するのが難しかった。
【0008】
そこで本発明は、露光に必要な電子線強度を維持しつつ、大きな照射幅が得られる電子線転写露光装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の電子線露光装置は、電子線を用いてマスク上のパターンをウェハに縮小投影する電子線転写露光装置において、
中央部が凹形状となっている電子放出面を有する電子源と、
前記電子源と前記マスクの間に設けられ、前記電子源からリング状に放出される前記電子線の照射領域に円弧形状のスリットを有するスリット部材と、を備えることを特徴とする。
【0010】
上記のとおり構成された本発明の電子線転写露光装置では、電子銃の電子源は、電子放出面の中央部が凹形状となっているので、周縁部から放出された電子によって、リング状の電子線が形成される。従って、このリング状の電子線を露光に利用することによって、軸外収差は無視できるほど小さくなり、電子線のボケが除去される。しかも、上記のような電子放出面の形状により、電子放出面の周縁部の電界強度は中央部よりも高くなるので、電子放出面の周縁部から照射される電子線の輝度は高く、露光領域を拡大しても、露光に必要な電子線強度が得られる。
【0011】
また、電子源からリング状に放出される電子線の照射領域に円弧形状のスリットが設けられたスリット部材を、電子源とマスクとの間に配置することで、上記リング状の電子線が効率的に利用される。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0013】
図1は、本発明の電子線転写露光装置の一実施形態の構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態の電子線転写露光装置は、電子銃1と、電子銃1から照射された電子線をマスク4に照射させるための、コンデンサレンズ2およびフィールドレンズ3で構成される照明用電子光学系と、マスク4を保持するマスクステージ(不図示)と、マスク4を透過した電子線を縮小してウェハ7に照射させるための、複数の縮小投影レンズ5,6で構成される露光用電子光学系と、ウェハ7を保持するウェハステージ(不図示)とを有する。電子銃1、コンデンサレンズ2、フィールドレンズ3および縮小投影レンズ5,6は、それぞれ同軸上に配置されている。
【0014】
電子銃1は、リング状の電子線を照射するものであり、その構成および原理は後述する。コンデンサレンズ2は、電子銃1から照射された電子線を収束させるためのものであるが、電子線が照射される領域の一部に所望の大きさの開口をもつスリット21が形成されたスリット部材が設けられている。スリット21は、図2に示すように、コンデンサレンズ2の光学軸を中心とした円弧形状のスリット21である。これにより、コンデンサレンズ2に入射した電子線は、円弧形状に整形され、収束される。コンデンサレンズ2によって円弧形状に整形された電子線は、フィールドレンズ3によって光学軸と平行とされる。また、照明用電子光学系を構成するコンデンサレンズ2およびフィールドレンズ3により、マスク4の表面が所望の大きさで均一に照明される。
【0015】
マスク4は、電子線が透過するメンブレンの上に、電子線を散乱させる散乱体でパターンを設けたもの(散乱型)や、電子線を吸収する吸収体でパターンを設けたもの(ステンシル型)を用いることができる。マスク4のパターンにおいて散乱も吸収もされない電子線は縮小投影レンズ5,6によりウェハ7上に結像されて照射され、これによりマスク4のパターンがウェハに露光される。電子線は円弧形状のスリット21を透過しているので、ウェハへ7の電子線の照射領域も円弧形状となる。そして、また、マスクステージをウェハステージと同期して走査することで、ウェハの全面が露光される。
【0016】
ところで、広い露光領域の電子線を使ってマスク4上の露光パターンをウェハ7上に結像させようとすると、縮小投影レンズ5,6の光学軸から離れる(光学軸に対して動径方向に離れる)に従って、軸外収差(特に、像面湾曲、非点)が大きくなる。図3に、軸外収差の主要因である像面湾曲を子午的像面(ΔM)と同径的像面(ΔS)とに分けて示す。図3に示すように、結像位置は光学軸からの距離が大きくなるにつれてずれていく。
そこで、コンデンサレンズ2に、その光学軸を中心とした円弧形状のスリット21を設け、縮小投影レンズ5,6の、従来のように光学軸近傍(図2に破線で示した領域)ではなく、光学軸から離れた位置に円弧形状の電子線を照射させることで、投影レンズ5,6に入射される電子線の、光学軸からの距離は一定となり、像面湾曲は考慮する必要がないほど微小となる。従って、ウェハ7の位置を円弧形状の電子線の最小散乱円の位置に配置すれば、軸外の露光領域の像面湾曲収差による電子線のボケを除去することができる。その結果、露光領域を従来に比べて大幅に広げることができるようになる。
【0017】
例えば、縮小率が1/4の投影レンズを用いた場合、露光領域幅を約5mm、電子線収束角を0.1mradとしたとき、従来の電子線転写露光装置では、像面湾曲収差によるボケ量は約100nmにもなる。これに対して、円弧形状に整形した電子線を用いた場合には、電子線の幅が約200μmで、ボケ量を10nmまで低減することができる。
【0018】
ここで、図1に示した電子銃1について、詳細に説明する。
【0019】
図4は、図1に示した電子銃を電子線の軌道とともに拡大して示す図である。図1に示すように、電子銃1は、電子源11と、グリッド電極12と、加速電極(不図示)とで構成され、電子源11の電子放出面11aは、中央部が凹形状となっている。
【0020】
電子銃1に動作電圧が引加されると、電子銃1には電場が形成される。そのときの等電位線の分布を符号13で示す。この電場により加熱された電子源11より熱電子が放出され、放出された熱電子は電位分布によって軌道が決定され、クロスオーバー像が形成される。電子放出面11aは、中央部が凹形状となっているので、中央部から放出された電子によって軸上ビーム15が形成され、周囲のリング状の部分から放出された電子によってリング状ビーム14が形成される。
【0021】
放出される電子の強度は、主に電子源11の電子放出面11aの近傍の電界強度によって決まり、電界強度が高いほど、空間電荷効果による放出電流の制限を受けずに大きな電流を取り出すことができる。上述のように、中央部が凹形状の電子放出面11aでは、中央部の電界強度は周辺部に比べてかなり低い。従って、露光に寄与するリング状の電子線(リング状ビーム14)の利用効率を上げることができる。また、スリット21(図1参照)への電子線の照射量が減り、発熱やコンタミネーションの蓄積を抑制することができる。
【0022】
図5に、図4に示した電子銃でのビーム発散角とビーム輝度との関係を示すグラフを示す。図5において、ビーム発散角が0〜10mradの範囲に分布しているビームは図4に示した軸上ビーム15であり、25〜42mradの範囲に分布しているビームが図4に示したリング状ビーム14である。図5から分かるように、リング状ビーム14は軸上ビーム15と同等の輝度をもつ。
【0023】
電子線転写露光装置において、露光時間Tは、感光材の感度Rと電子線の電流密度Jとにより、
T=R/J …(1)
で表わされる。また、電子線の電流密度Jは、電子線電流をI、照射面積をS、輝度をβ、電子線収束角をαとしたとき、
J=I/S=β×πα2 …(2)
で表わされる。
【0024】
(1)、(2)式より、露光時間を短縮するためには、電流密度Jを高める、すなわち電子線の輝度βを高める必要がある。電子線電流Iが一定の場合は、エミッタンス(電子線の立体角と電子線面積との積)が増大すると輝度βは低下する。従って、従来の露光法と同一の露光領域の幅(ストライプ幅)の場合、電子線をリング状とすることで電子線の照射面積を低減することができ、電流密度Jを高めることができる。図4に示した電子源11の電子放出面11aの周辺部から放射されるリング状ビーム14を露光に用いることで、図5に示したような高い輝度で、数mm〜数十mmの露光領域の幅が得られるため、生産性の高い電子線転写露光装置が実現できる。
【0025】
次に、本発明における円弧形状の電子線の強度の設定方法について図6を用いて説明する。
【0026】
電子銃1より発生したリング状の電子線は、コンデンサーレンズ2およびスリット21で円弧形状に成形され、フィールドレンズ3を通過した後、マスクステージに設けられた電流分布測定器31で電子線の強度および形状が測定される。この電流分布測定器31としては、アレイ型マルチチャンネルプレートや、二次元のフォトダイオードが考えられる。電流分布測定器31で測定された電子線は、電流分布モニター34にて、現在設定されている円弧形状の電子線の大きさおよび強度がモニターされる。電子線強度(電流密度等)と、電流分布測定器31で検出された検出電圧との関係をあらかじめ計測しておけば、実際の電子線強度を測定することができる。
【0027】
電子線強度を所望の値に設定する場合は、電子銃バイアス回路33にて、電子銃1へのバイアス電圧を可変することで、所望の電流密度に設定することができる。また、円弧形状の電子線の大きさは、コンデンサーレンズ2およびフィールドレンズ3のそれぞれのレンズ電流駆動制御回路32を制御することで所望の大きさに設定することができる。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電子線露光装置は、電子源の電子放出面を中央部が凹状となる形状とすることで、電子放出面の周縁部から照射されたリング状の電子を露光に利用すれば、電子線のボケを除去することができ、露光領域を従来に比べて広げることができる。しかも、電子放出面の周縁部から照射されたリング状の電子線は輝度が高いので、露光領域を拡大しても露光に必要な電子線強度を得ることができ、生産性の高い電子線露光装置を実現することができる。また、電子銃とマスクとの間に、円弧形状のスリットが設けられたスリット部材を配置することで、電子銃から照射されるリング状の電子線を効率的に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電子線転写露光装置の一実施形態の構成を示す図である。
【図2】図1に示したコンデンサレンズのスリットの形状を示す図である。
【図3】像面湾曲を説明するためのグラフである。
【図4】図1に示した電子銃を電子線の軌道とともに拡大して示す図である。
【図5】図4に示した電子銃でのビーム発散角とビーム輝度との関係を示すグラフである。
【図6】本発明における円弧形状の電子線の強度の設定方法を説明するための図である。
【図7】従来の電子線転写露光装置の構成を示す図である。
【図8】図7に示した電子線転写露光装置での、ウェハへの電子線の照射領域を示す図である。
【符号の説明】
1 電子銃
2 コンデンサレンズ
3 フィールドレンズ
4 マスク
5,6 縮小投影レンズ
7 ウェハ
11 電子源
12 グリッド電極
14 リング状ビーム
15 軸上ビーム
21 スリット
Claims (4)
- 電子線を用いてマスク上のパターンをウェハに縮小投影する電子線露光装置において、
中央部が凹形状となっている電子放出面を有する電子源と、
前記電子源と前記マスクの間に設けられ、前記電子源からリング状に放出される前記電子線の照射領域に円弧形状のスリットを有するスリット部材と、を備えることを特徴とする電子線露光装置。 - 前記マスクに照射される前記電子線の強度を測定する強度測定手段をさらに備え、
前記強度測定手段の測定結果に基づいて、前記電子源の動作電圧を調整することを特徴とする請求項1に記載の電子線露光装置。 - 前記電子源と前記マスクの間に設けられた照明用電子光学系と、
前記マスクに照射される前記電子線の形状を測定する形状測定手段と、をさらに備え、
前記形状測定手段の測定結果に基づいて、前記照明用電子光学系の駆動電流を調整することを特徴とする請求項1または2に記載の電子線露光装置。 - 電子線を用いてマスク上のパターンをウェハに縮小投影する電子線転写露光装置において、
中央部が凹形状となっている電子放出面を有する電子源と、
前記電子源と前記マスクの間に設けられ、前記電子源からリング状に放出される前記電子線の照射領域に円弧形状のスリットを有するスリット部材と、
前記マスクと前記ウェハを同期させながら走査する走査手段と、を備えることを特徴とする電子線露光装置。
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