JP4377492B2 - リソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置 - Google Patents

リソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置に関する。より具体的には、本発明は、実質的にテレセントリック状又は共心状の粒子ビーム(ts)を生成する粒子供給源(QL)及び第一静電レンズ系を有する照射ユニット(BS)と、粒子ビーム(ts)を透過させるパターンを有するマスク(MF)を、粒子ビーム(ts)の経路に配置するためのマスク保持装置(MH)と、粒子ビーム(ts)によって、基板(SB)面に、マスク(MF)のパターンの画像を形成するための第二静電レンズ系を有する投影ユニット(PS)と、をその光軸にそって備えており、第二静電レンズ系が、そのマスク保持装置(MH)に対面する側に、環状電極の形態の少なくとも一つのポストマスク電極(NE)を備え、異なる静電電位がポストマスク電極(NE)とマスク(MF)に印加され、マスク(MF)が、制御格子電極として機能し、かつポストマスク電極(NE)とともに負の屈折力を有する制御格子レンズを形成するように構成したリソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置(IP)に関する。
【0002】
【従来の技術】
このタイプの画像形成装置は、半導体産業における投影リソグラフィーに使用されており、本願出願人の国際特許公開第WO95/19637号(米国特許第5,801,388号に対応)に明確に記載されている。
【0003】
リソグラフィーは、半導体の部品を製造中に、半導体基板を構築するときの重要なステップである。上記基板は、例えばシリコンウェーハでもよいが、感光性物質の薄層、いわゆるフォトレジストで被覆されている。リソグラフィー画像形成装置は、フォトレジストに構造パターンの画像を形成するのに使用され、光ビーム又はX線ビームに加えて、粒子ビームの形態の粒子を使ってフォトレジストの露光を行うこともできる。次の現像ステップ中に、フォトレジストの露光部分又は未露光部分が基板から除かれる。次に、その基板は、例えば、エッチング、析出、酸化、ドーピングなどの処理ステップを受け、その処理中に、基板上のフォトレジストのパターンが、処理されない表面の特定のサイト(部分)を被覆している。フォトレジストを除去した後、基板は新しい構造になる。この一連のステップを繰り返すことによって、所望の半導体構造、例えば、最も小さいスイッチング回路を形成する一連の構造(パターン)層を最終的に製造することができる。
【0004】
粒子ビームを使用する投影リソグラフィー装置の場合、画像が形成されるパターンが、例えば厚みが数ミクロンの薄膜に、適当な形態のスリットとして形成されているステンシル様マスクが使用される。前記粒子はマスクスリットのみを透過できるので、例えば基板上に、縮小フォーマット(reduced format)で投影されるビームパターンが生成する。
【0005】
本明細書で主として検討される水素イオン又はヘリウムイオン等のイオン類に加えて、リソグラフィー用粒子として、電子を含む他の荷電粒子を用いることも可能である。光に代えて粒子を使用する場合の利点は、粒子の波長がかなり小さいので解像度が高まりかつ基板上の鮮鋭度の深度が大きいことである。
【0006】
光学系は、光の光学系又は粒子−光学系であるにかかわらず、収差を生じる。粒子−光学的画像形成装置において、チューブ、リング又はダイヤフラムとして形成される二つ又は三つの回転対称の環状電極の形態の静電レンズを使用することは知られておりかつ一般に実施されている。その場合、ビームは、少なくとも一部は異なる電位下にある前記環状電極の中央を通過する。このタイプのレンズは、常に正の屈折力を有しているので集束レンズであり、さらに、例外なしに、レンズの幾何学的形態によってわずかしか影響を受けない、有意な三次の収差を有している。
【0007】
発散レンズ(負の屈折力)を使用することによって、集束レンズと発散レンズを組み合わせた装置で生じた収差を、確実に補償することができ、他の収差係数もできるだけ小さく維持される。例えば、M. Szilagyi "Electron and Ion Optics", Plenum Press, 1998年から分かるように、環状電極だけで、負の屈折力を有するレンズを得ることは不可能であり、ビームが通過するプレート電極又は制御格子電極を使うことが必要である。
【0008】
本願出願人の欧州特許公開第0564438A1号(米国特許第5,378,917号に対応)は、粒子の光学的画像形成装置において3電極レンズを使用することを開示している。この場合、その3電極レンズは、二つのチューブ電極からなり、その電極の間に制御格子電極が配置され、その結果、該レンズは、該制御格子によって、屈折力が異なる二つの領域に分割される。特に、一方の領域は正の屈折力を有し、そして他方の領域は負の屈折力を有しその絶対値は正の屈折力を有する領域の屈折力より大きいので、全体として、集束作用を有するレンズが生成する。発散領域の収差を利用して、集束領域の収差を補償することができる。適当な方式でかような制御格子レンズを設計することによって、制御格子電極の両側の電界強度の値と方向を確実に等しくすることができ、その結果、制御格子スリットによって、いわゆるアパーチュアレンズ(aperture lens)又はフライズアイズ(fly's eyes)の作用に関連する画像形成に対する干渉が回避される。しかし、制御格子レンズは、制御格子が極端に薄いが全般的に大表面積を有していなければならないので、粒子、特にイオンによる照射が、制御格子に対してかなりの負荷になるということを考慮すると、極めて損傷されやすいという欠点を一方で負わされている。他方で、画像形成に対する干渉を避けるため、制御格子は、制御格子の面内の一つの制御格子クロスピース(control grid cross piece)の幅に少なくとも等しい値まで十分迅速に移動する必要があり、そして、制御格子の正確な位置を一つの面に維持する要求が、作動操作法に対して強く要望されている。したがって、このような制御格子レンズを製造するには費用がかかり、かつその制御格子は、使用中、定期的に検査し保守しなければならない。
【0009】
このことから、制御格子レンズの制御格子が、制御格子レンズのビーム方向に中央電極又は第一電極を形成するフォイル状マスク自体によって得られるということが本願出願人の前記国際特許公開第WO95/19637号で提案されている。この方式で形成されたフォイル状マスクは、欧州特許公開第0564438A1号の場合と同様に、正の屈折力と負の屈折力の領域に制御格子レンズを有しているが、その負の屈折力の絶対値は正の屈折力より小さく、その結果、前記3電極レンズの全屈折力は正の屈折力でとなって、集束性を有する。
【0010】
本願出願人のドイツ特許公開第19734059A1号(米国特許出願第08/914,070号に対応)は、発散レンズがマスクに対する照射システムの一部として使用されているシャドーリソグラフィー法(shadow lithography)を実施する装置を開示している。その好ましい実施形態では、マスク自体が発散レンズの制御格子を形成している。このシャドウリソグラフィー装置では、投影ユニットは、マスクの下流に設置されておらず、基板がマスクのすぐ背後に配置されており、マスクパターンの画像が、基板上に直接形成される。このように、マスクと基板の間に光学系を欠いているため、ドイツ特許公開第19734059A1号のリソグラフィー装置は、本発明の対象と同じ包括的タイプの装置とみなすべきではない。
【0011】
国際特許公開第WO95/19637号に記載されている二つの実施形態では、制御格子レンズの中央電極又は第一電極としてのマスクによって、解像度及び歪みの除去の両者を達成し、並外れた画像品質を得ることができる。しかし、マスクの上流及び下流の電界強度がかなり異なっているので、薄いフォイル状マスクを湾曲させる力が生成するという欠点がある。その外の欠点は、両実施形態において、マスクがイオンの発散ビームによって照射されることにある。粒子がフォイル状マスク上で、容認できない散乱をして画像干渉を起こすのを防止するため、フォイルを貫通するマスクのスリットの断面は、ビームの発散に適合するように調整しなければならない。このため、マスクの製造方法が複雑となり、かようなマスクを含む装置のコストをかなり増大させる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、照射ユニットと投影ユニットを用いる画像形成装置に起こるこれらの欠点を回避し、画像形成特性を改善することにある。特に、マグニチュードが3μAの粒子電流の強さの場合にマグニチュードが25×25mm2の収差について画像形成特性を改善して、100nmより小さい解像度を達成できれば好ましい。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、冒頭で述べた構成の画像形成装置において、第一静電レンズ系が、そのマスク保持装置に対面する側に、環状電極の形態の少なくとも一つのプレマスク電極を備え、そのプレマスク電極には、マスクの電位とは少なくと異なる電位が印加され、プレマスク電極がマスクとともに負の屈折力を有する制御格子レンズを形成することにより解決される。
【0014】
この解決法は、マスクを、制御格子電極に二つの作用を営ませるものである。すなわち、一方では、照射ユニットの非均一性が、他方では投影ユニットの収差が、発散レンズによってそれぞれ補償される。
【0015】
本発明の有利な実施形態は、粒子供給源としてイオン供給源を有するイオン−光学的画像形成装置である。イオンの波長は極端に短いので、パターン画像の特に高い解像度と、高い鮮鋭度を達成することができる。
【0016】
光学的画像形成装置において、マスクパターンを照射する粒子源は、マスクパターンとその画像形成位置との間の領域にて画像が形成される。点形態の粒子源を用いた誤差のない画像形成装置の場合、その粒子源の画像も点となるため、すべてのビームはこの点(交点)で光軸と交差する。画像形成誤差(収差)が起こる画像形成装置では、交点の代わりに、交差領域を示す“クロスオーバー”なる概念が使用され、このクロスオーバーでは、ビームの断面積が最小になる。ランダムに分布している荷電粒子間の反発作用によって、ビーム中で粒子間に衝突が起こり、その衝突によって、画像点の“ぼけ(blurring)”(いわゆる画像の“確率的”不鮮明)が起こる。電流密度はクロスオーバーにおいて最も大きいので、大部分の衝突はこのサイトで起こり、クロスオーバーにおけるビームの断面積が小さければ小さいほど、予め決められた電流強度における画像の確率的不鮮明が増大する。このため、ビーム経路が投影ユニットの領域に光軸との交点を有している場合、レンズパラメーターを調節することによってその交点を調節できればさらに好ましい。そうすれば、クロスオーバーを適宜調整することによって、収差をさらに減少させ、かつ投影ユニットのサイズを小さくすることが簡便な方法によって可能になる。
【0017】
さらに、投影ユニットの領域内のビーム経路が光軸との交点を有し、光軸から遠くのビーム部分についての交点が、光軸の近くのビーム部分についての交点に対して、光軸にそってシフトしているのが有利である。クロスオーバーが、かような方式で“ずれたクロスオーバー(aberrated crossover)”として得られると、確率的誤差が小さくなる。光軸の近くのビーム部分に対してさらに外側に位置しているビーム部分は、基板面又はマスクから離れる方向にシフトさせることができる。
【0018】
さらに有利な実施形態では、マスクの両側の粒子ビームが照射する領域における電界強度の値が実質的に等しく、このことによって、マスク電極に対し動的作用を有する電界が回避される。
【0019】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の代表的な実施形態につき添付図面を参照して詳細に説明する。
【0020】
図1に示す画像形成装置IPは、イオンビームtsを使用して、フォイル状マスクMFのパターンを投影することによって、基板SB上に構造パターン形成する働きをする。マスクMFのパターンは、基板SB上に縮小して(in a reduced format)画像形成するのが有利である。イオンビームのイオンは、大きさが十分小さい(例えば10μm)バーチャル源(virtual source)を有するイオン供給源QLから放射される。イオン供給源QLから放射されるイオンは、照射ユニットBSによって、共心イオンビーム(homocentric ion beam)、特に有利にはテレセントリックイオンビーム(telecentric ion beam)に集束される。
【0021】
上記イオンビームtsがマスクMFを照射する。マスクMFは、基板SB上に形成させる構造パターンに対応して、粒子ビームを透過するスリット等を含む構造パターンを有している。マスクMFは、イオンビームの通過経路における必要位置にあるマスク保持装置MHで保持されている。一般に、マスク保持装置MHは、例えば遂次照射ステップに用いるいくつものマスクを有するマスクステーションの一部である。マスクMFは、当該マスクにおけるスリット等の透過サイトのみでイオンビームtsを通過させることによりその構造パターンをイオンビームに伝達する。
【0022】
マスクMFを出るイオンビームtsは、マスクMFの下流に配置されている投影ユニットPSによって、基板SB上に投影される。基板SBは、例えばフォトレジスト層を有するシリコンウェーハであるが、ウェーハステーションWSによって、イオンビーム及びウェーハ上の所望の照射領域に対して整列配置される。投影ユニットPSは、ガウス像平面の近くに、マスクMFの構造パターンのできるだけ平面的な画像を形成する。ウェーハステーションWSは、基板SB又はその照射される表面を、このサイトで収差が起こる可能性が最も少ないように、ガウス画像面の近くに配置する。
【0023】
照射ユニットBS及び同様に投影ユニットPSは、それぞれ、一連の環状電極で形成されたレンズ装置を有し、一つ又は複数の静電集束レンズを構成する。静電集束レンズを、照射ユニット又は投影ユニットに使用することは当業者にとって周知のことであるから、すでに挙げた文献を引用するにとどめ、さらなる詳細な説明はしない。図1において、照射ユニットBSの集束レンズ系は、その最後の環状電極VEを除き、記号としての長方形により単純化して示している。同様に、投影システムPSの集束静電レンズも、マスクMFの下流の第一環状電極NEを除き、記号としての長方形により単純化して示している。
【0024】
本発明によれば、マスクMFは、負の屈折力を有するレンズにおける制御格子電極として二つの作用を有する。すなわち、一方では、照射光学系のレンズ誤差を修正するべく、照射ユニットBSにおける一つ又は複数の環状電極VEとともに作用し、他方では、投影光学系の画像形成特性を高めるべく投影ユニットPSにおける一つ又は複数の環状電極NEのとともに作用する。このように、マスクMFに制御格子レンズとして二つの作用を営ませることによって、照射ユニットと投影ユニットの両光学系の制御格子レンズの発散作用の好ましい特性を利用できる。
【0025】
本発明は、制御格子電極として働くマスクMFの両側の屈折領域が、互いに独立して、発散レンズとして使用できるという知見に基づいている。このことは、制御格子の上流の少なくとも一つの環状電極と、制御格子(すなわちマスク)自体と、制御格子の下流の少なくとも一つの環状電極とを単一の制御格子レンズの部品として設計する従来の場合と異なる。
【0026】
図1に示す代表的な実施形態において、照射ユニットBSのマスクMFの隣りの電極VEは、マスクMFとともに、発散レンズとして機能し、ウェーハSB上に画像が形成されるマスクパターンの照射の角均等性(angular homogeneity)を高める。この電極は、ビーム方向にみてマスクMFの直ぐ上流に配置されているので“プレマスク電極(pre-mask electrode)”と呼称する。
【0027】
集束レンズを含み実質的にテレセントリック状のイオンビームtsを生成する照射ユニットBSは、集束レンズにレンズ誤差があるので、光軸の近くのビームは光軸に平行であるが、光軸から遠いビームはいくぶん集束性であるという特徴を有している。このことから、マスクMFの周辺部領域では、光が傾斜してマスクパターンのスリット等を透過するため、シャドウ作用(shadow effect)を生じさせる。これらシャドウ作用を避ける一つの構成、マスクパターンのスリット等を光軸に対して傾斜させることであるが、製造技術上の観点から極めて高価となる。集束レンズの下流に追加された前部発散レンズ(VE、MF)によって、これらの誤差を修正することが可能になり、光軸から遠い位置でのビームの過大な集束性を補償することができる。その結果、マスクMFを照射するイオンビームtsが十分に光軸と平行であるとみなしうる角度均等性の領域は、マスクMFの少なくとも全パターン領域にわたって拡張することができる。
【0028】
代表的な実施形態では、プレマスク電極VEに電位が印加され、その電位は、イオンがマスクMFに近づくにつれてイオンが加速するように、マスクMFの電位との関連で設定される。これによって、環状電極VEと下流の制御格子電極(マスクMF)で構成される制御格子レンズに所望の発散作用すなわち負の屈折力が発生する。さらに、単一の環状電極の代わりに、プレマスク電極として複数の環状電極を設けて、それら電極に適切な電位を個別に印加し、それら電極全体によりイオンビームに対する発散作用を発揮させて、照射システムBSの光学的特性を高めてもよい。
【0029】
同時に、マスクMFは、投影ユニットPSの先頭の環状電極NEとともに、当該投影ユニットの画像形成特性を、より好ましく調節するための第二の発散レンズ構成する。これらの電極は、ビームの方向にみてマスクMFに直後に配置されていることから、本明細書では“ポストマスク電極(post-mask electrode)”と呼ぶ。図1に示す代表的な実施形態には、例えば、ポストマスク電極は一つだけ設けられている。
【0030】
マスクMFとポストマスク電極NEによって形成されるレンズの発散作用は、異なる静電電位を、ポストマスク電極NE及び制御格子電極として作用するマスクMFに印加することによって達成される。発散を起こさせる加速作用は、イオンビームtsがマスクMFを通過した後、該イオンビームtsに加えられる。この加速による発散作用は、このレンズ(MF、NE)の領域の電位表面の曲率が前部発散レンズ(VE、MF)とは逆であるために発生する。
【0031】
イオンビームtsがマスクMFを通過するとき、当該イオンビームtsは既にテレセントリック状、すなわちほとんど光軸に平行になっているので、第二発散レンズ(MF、NE)は、イオンビームtsが投影ユニットPSの集束レンズ系に入るまでに、当該イオンビームtsを発散させる。その際、発散レンズ(MF、NE)によって、クロスオーバー(crossover:光軸との光点)CVの軸方向の位置を調節できる。同時に、クロスオーバーの鮮鋭度(sharpness)又は空間的広がり(spatial expansion)を、本発明にしたがって、第二発散レンズ(MF、NE)によって制御できる。
【0032】
例示される代表的な実施形態では、図2に示すように、光軸上の領域にわたって分散している“ずれた(aberrated)”クロスオーバーCVが生成し、光軸の近くのビームnsの交点が基板SBに向かう方向にシフトし、光軸から遠いビームbsほどその光軸との交点がマスクMFに向かって基板SBから離れる方向にシフトする。その結果、クロスオーバー領域CVの空間電荷密度がかなり低下し、確率的誤差が小さくなる。
【0033】
しかし、二つの発散レンズの電位を変えれば、光軸から遠くに位置するビームについての交点を、光軸の近くのビームについての交点より基板SBの近くに位置させることもできる。この特徴によって、例えば画像湾曲収差(image curvature aberration)を減らすことができる。この“ずれた”クロスオーバーCVのずれの程度は、画像湾曲収差やその他の修正すべき収差応じて調節される。
【0034】
クロスオーバーCVが大きくずれると、それに対応する歪みが基板SB上のマスクパターン画像に生じることがある。その収差を含む投影ユニットPSの画像形成特性でこれを補償しない場合、その画像の歪みは、マスクMFのパターン自体を対応して修正することによって補整できる。マスクパターンの画像歪みを考慮することによって、他の収差、例えばすでに述べた確率的不鮮明、又は色彩の不鮮明もしくは画像湾曲の収差などについて画像形成装置に対してなされる要求に、一層容易に適応することができる。
【0035】
以上から明らかなように、上記実施形態において、電位はマスクMFの両側で増大する。その変形例では、マスクの上流の発散作用を、マスクMFの上流の電界強度を遅延させることによって起こさせることもでき、これにより照射ユニットBSからくるビームが発散することになる。マスクMFの両側の電界強度の値は、同じに、又はごくわずかだけ異なるように調節できる。その結果、フォイル状マスクに力が作用して、薄いフォイルが一方向に撓み、マスクパターンに位置変化が生じるのを完全に回避することができる。
【0036】
マスクフォイルMFの両側の電界強度が異なっている場合、前述したアパーチュアレンズ作用(aperture lens effect)がマスクパターンの位置に起こる。この作用は、プレマスク電極とポストマスク電極の異なる電位と形態のため、マスクフォイルの電界強度の差が小さいことによって相殺できる。しかし、マスクパターンにおけるアパーチュアレンズ作用は、照射ユニットPSによって画像が形成されるマスク自体より重要性が低いので、マスク自体の点は、この点から発せられるイオンビームの偏向が小さい場合、基板面SBの対応する画像点に画像が形成されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の画像形成装置の概略側面図である。
【図2】 図1におけるクロスオーバー領域を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
IP…光学的画像形成装置
SB…基板
MF…フォイル状マスク
ds、ns、ts…イオンビーム
QL…イオン供給源
BS…照射ユニット
DS…投影ユニット
MH…マスク保持装置
WS…ウェーハステーション
VE…プレマスク電極
NE…ポストマスク電極
CV…クロスオーバー

Claims (6)

  1. 実質的にテレセントリック状又は共心状の粒子ビーム(ts)を生成する粒子供給源(QL)及び第一静電レンズ系を有する照射ユニット(BS)と、
    粒子ビーム(ts)を透過させるパターンを有するマスク(MF)を、粒子ビーム(ts)の経路に配置するためのマスク保持装置(MH)と、
    粒子ビーム(ts)によって、基板(SB)面に、マスク(MF)のパターンの画像を形成するための第二静電レンズ系を有する投影ユニット(PS)と、をその光軸にそって備えており、
    第二静電レンズ系が、そのマスク保持装置(MH)に対面する側に、環状電極の形態の少なくとも一つのポストマスク電極(NE)を備え、異なる静電電位がポストマスク電極(NE)とマスク(MF)に印加され、マスク(MF)が、制御格子電極として機能し、かつポストマスク電極(NE)とともに負の屈折力を有する制御格子レンズを形成するように構成したリソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置(IP)であって、
    第一静電レンズ系が、そのマスク保持装置(MH)に対面する側に、環状電極の形態の少なくとも一つのプレマスク電極(VE)を備え、そのプレマスク電極(VE)には、マスク(MF)の電位とは少なくと異なる電位が印加され、プレマスク電極(VE)がマスク(MF)とともに負の屈折力を有する制御格子レンズを形成することを特徴とするリソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置。
  2. 粒子供給源(QL)としてイオン供給源を備えている、請求項1に記載のリソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置。
  3. 投影ユニット(PS)の領域内のビーム経路が光軸との交点(CV)を有し、光軸から遠くのビーム部分(ds)についての交点(CV)が、光軸の近くのビーム部分(ns)についての交点に対して、光軸にそってシフトしている、特徴とする請求項1又は2に記載のリソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置。
  4. 光軸から遠くのビーム部分(ds)についての交点(CV)が、光軸の近くのビーム部分(ns)についての交点に対して、基板(SB)面から離れる方向にシフトしている、請求項3に記載のリソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置。
  5. 光軸から遠くのビーム部分(ds)についての交点(CV)が、光軸の近くのビーム部分(ns)についての交点に対して、マスク(MF)から離れる方向にシフトしている、請求項3に記載のリソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置。
  6. 少なくとも照射領域において、フォイル状のマスク(MF)の両側の粒子ビームが一直線上に形成され、その電界強度が、フォイル状のマスク(MF)の両側にて逆の方向で、その値に関する限り実質的に等しい、請求項1〜5のいずれか一つに記載のリソグラフィー用の粒子−光学的画像形成装置。
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