JP4504060B2 - 荷電粒子線露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に半導体集積回路等の露光に用いられる電子ビーム露光装置やイオンビーム露光装置等の荷電粒子線露光装置に関し、特に、複数の荷電粒子線を用いてパターン描画を行う荷電粒子線露光装置及びその調整方法に関するものである。

微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）を製造する際、試料上にパターンを形成するための従来の荷電粒子線露光装置は、荷電粒子源から放出される荷電粒子を加速、成形、縮小し、試料上にビーム照射することによって所望のパターンを試料上に形成している。特に露光装置のスループットが要求される場合には上記ビームは一定面積を有するビームとなっており、所望の矩形、所望のパターン、若しくは所望の複数本ビームに成形される。そして成形されたビームの解像度はレンズ収差、安定度、及びビーム電流などによって設計時に決められた値となっている。
特開平９−２４５７０８号公報

しかしながら、上記従来例では解像度はあらかじめ決められた値となっているため、より精細なパターンを描画したい場合には装置の再設計が必要となる。また、解像度を変更するために縮小転写レンズの条件を変更すると、面積ビームの中心部とコーナー部で解像度が大きく異なり、均一性の良い描画を行うことができない。
本発明は、上述の従来例における問題点を解消することを課題とする。

上記の課題を解決するための本発明の荷電粒子線露光装置は、荷電粒子源から放出されるビームを用いて、マスク上に形成された複数のパターンをレンズを介して試料上に露光する荷電粒子線露光装置において、前記試料上に到達する前記ビームの面積を変更する手段と、前記ビームの面積を変更することに伴い、前記レンズに対する印加電圧あるいは励磁電流を調整することで前記レンズの強度を調整する手段と、を有し、前記ビームの面積を変更する手段により前記ビームの面積を小さくするとともに、前記レンズの強度を調整する手段により前記レンズに対する印加電圧あるいは励磁電流を大きくして前記レンズの強度を強くすることによってパターン解像度を向上させることを特徴とする。

ここで、レンズの強度（光学特性）とは、光学レンズにおける屈折率に相当し、具体的には、静電レンズでは印加電圧の大きさに、磁気レンズでは励磁電流の大きさに対応する。
前記ビームの面積を変更する手段は、例えば機械的シャッタ等の機械的手段、または、第１の偏向器、前記第１の偏向器により変更された前記ビームの一部を遮蔽する絞り、及び、前記絞りを通過した前記ビームを変更する第２の偏向器で構成される電気的若しくは磁気的手段を含む。

さらに、本発明の荷電粒子線露光装置は、複数本のビームを用いて、レンズを介して試料上にパターンを露光する荷電粒子線露光装置であって、複数の開口がアレイ状に配置され、荷電粒子源から放出されるビームを前記複数本のビームに分割するアパーチャアレイと、前記試料上に到達するビーム本数を変更する手段と、前記ビーム本数を変更することに伴い、前記レンズに対する印加電圧あるいは励磁電流を調整することで前記レンズの強度を調整する手段と、を有し、前記ビーム本数を変更する手段により前記ビーム本数を減らすとともに、前記レンズの強度を調整する手段により前記レンズに対する印加電圧あるいは励磁電流を大きくして前記レンズの強度を強くすることによってパターン解像度を向上させることを特徴とする。

これらの荷電粒子線露光装置において、前記ビーム本数を変更する手段は、機械的シャッタや、前記複数本のビームを個々にオンオフするブランキングアレイや、前記荷電粒子源から放出され前記アパーチャアレイに照射される前記ビームの面積を変更するコリメータレンズを含む。前記レンズは、静電レンズを有し、前記光学特性を変更する手段は、前記静電レンズの印加電圧を調整する。あるいは、前記レンズは、磁気レンズを有し、前記光学特性を変更する手段は、前記磁気レンズの励磁電流を調整する。

本発明によれば、最大ビーム面積を増減することによって解像度を制御することが可能であり、また、この装置を用いてデバイスを製造すれば、従来以上に高精度なデバイスを高いスループットで製造することができる。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
荷電粒子線の一例として本実施形態では電子ビーム露光装置の例を示す。なお、本発明は、電子ビームに限らずイオンビームを用いた露光装置にも同様に適用できる。

（電子ビーム露光装置の構成要素説明）
以下、本発明の実施例１を説明する。
図１は本発明の一実施例に係る電子ビーム露光装置の要部概略図である。
図１において、電子源１より放射状に放出される電子ビームは絞り１０、コリメータレンズ２によって所望の大きさを持った面積ビームに成形された後マスク３にほぼ垂直に入射される。マスク３は複数のパターンをもつマスクであり、試料７上に形成するパターンの相似パターンがあらかじめ作りこまれている。マスク３を通して成形された電子ビーム９はレンズ４、６によって１／４に縮小され試料７上に転写される。絞り５は散乱等による、パターン露光に不必要なビームを制限する為の絞りである。

本装置の露光解像度はレンズ４、６の収差、マスク３によるビーム散乱、ビーム電流等によって決定される。これはレンズ形状及び励磁、マスク構造及び領域、ビーム電流を設定することに決定されるパラメータである。これらのパラメータはスループットや要求される解像度により設計時に決定される。
しかしながら従来の装置においては前記パラメータのうち、ビーム電流は容易に変更可能であるものの、その他のパラメータは変更することが非常に困難であった。したがって、ビームの解像度の変更は容易ではなく、装置の再設計が必要である場合が多かった。

そこで本実施例では解像度変更を実現するために機械的シャッタ８を設け、ウエハ上に到達する面積ビーム領域(最大ビーム面積）を制限した。シャッタ８はビームの通過領域を制限するための開口面積が可変であるシャッタである。すなわち、本実施例ではシャッタ８により、露光領域(最大ビーム面積）を変更できるようにした。
面積ビーム領域と解像度の間には図２（ａ）に示す関係があり、面積ビーム領域が小さいほど、限界解像度は向上する。これは主にビーム面積（露光領域）を縮小することによって光学系の像面湾曲余裕度が広がることによる。光学系の像面湾曲はレンズ４，６の強度比によって変更可能であり、図２（ｂ）に示す如くレンズ６の強度が強いほど像面湾曲が大きくなる一方、軸中心近傍での解像度は向上する。従って面積ビーム領域を変更すると同時にレンズ４，６の強度（光学特性）の再調整を行うことにより、対象とする描画パターンに対して最適な解像度及びビーム面積を設定することが可能である。

本実施例ではシャッタ８のサイズを１ｍｍ角、ウエハ７上での最大ビーム面積（露光領域）を２５０ミクロン角とした場合には７０ナノメートルの解像度であるが、シャッタ８のサイズを５００ミクロン角、ウエハ７上での最大ビーム面積を１２５ミクロン角に変更した場合には６０ナノメートルの解像度を実現することができた。
なお、本実施例ではマスク３の直下にシャッタ８を設けたが、マスク３の上面、レンズ６の下面に設置する等、ウエハ７に到達する面積ビームを制限することができれば同様の効果が得られる。

次に実施例２を説明する。
実施例１では機械的シャッタの動作により開口面積を制御したが、本実施例では電気的動作により開口面積を制御する方式を説明する。図３を参照して、本方式では電子源１から放出された電子ビームはコリメータレンズ２、絞り１０によって成型された後偏向器１２−１、１２−２によって偏向される。偏向された面積ビームは絞り１１により一部が遮蔽され、偏向器１２−３、１２−４によって再び軸上に戻される。本走査によりマスク３上のビーム面積（露光領域）を可変にすることができる。また、ビーム面積の増減に対応してレンズ４、６の励磁（光学特性）も調整する。

本実施例ではビーム面積のサイズをマスク３上で１ｍｍ角、ウエハ７上で２５０ミクロン角とした場合には７０ナノメートルの解像度であるが、ビーム面積のサイズをマスク３上で５００ミクロン角、ウエハ７上で１２５ミクロン角に変更した場合には６０ナノメートルの解像度を実現することができた。
なお、本実施例ではマスク３の上側に偏向器及び絞りを設けたが、マスク３の下面に偏向器と絞りを設けることによっても同様の効果が得られる。

次に、図４を参照しながら実施例３を説明する。
実施例１、２ではマスク３の像をウエハ７上に転写したが、実施例３では別方式を用い像形成する方式を説明する。本実施例では電子源１から放出される電子ビームは絞り１０、コリメータレンズ２によって成型された後アパーチャアレイ１３に照射される。アパーチャアレイ１３は開口が１０２４個、アレイ状に配置されており、照射されたビームを複数本（１０２４本）のビームに分割する役割を持つ。アパーチャアレイによって分割されたビームはレンズアレイ１４、ブランキングアレイ１５を通過し、縮小レンズ１６、１７及び対物レンズ１８、１９によって縮小成型された後ウエハ７に照射される。このときブランキングアレイ１５は複数本のビームの一本一本を個々にオンオフすることができ、所望のパターンを形成することができる。ブランキングアレイ１５とレンズアレイ１４の間には機械的シャッタ８が設けられており、ウエハ上に露光するビーム本数を任意に変更することが可能である。ビーム本数（ビーム面積）と解像度の間には実施例１で説明した如く、ビーム本数が少ないほど面積ビーム領域は狭まり、高い解像度を実現することができる。従って、ビーム本数を増減することにより露光するパターンに応じて解像度を変更することが可能である。逆に高解像度を要求されず、高スループットが要求される場合は面積ビーム領域を広げることによって目的を達成できる。なお、ビーム本数を変更した場合、レンズ１０、１１の条件（光学特性）も同時に変更することによって各々のビーム面積に応じた最高の解像度を実現することができる。

本実施例ではシャッタ８のサイズを３．２ｍｍ角、ウエハ７上での面積ビームのサイズを６４ミクロン角、ビーム本数１０２４本の場合には７０ナノメートルの解像度であるが、シャッタ８のサイズを１．６ｍｍ角とし、シャッタ８を通過するビーム面積のサイズをアパーチャアレイ１３上で１．６ｍｍ角、ウエハ７上で３２ミクロン角、ビーム本数２５６本に変更した場合には６０ナノメートルの解像度を実現することができた。
なお、本実施例では機械的シャッタをレンズアレイ１４とブランキングアレイ１５の間に設置したが、アパーチャアレイ１３の上方、アパーチャアレイ１３とレンズアレイ１４の間、ブランキングアレイ１５とレンズ１６の間、レンズ１７とレンズ１８の間、レンズ１９と試料７の間等、ビーム本数を制御することが可能である位置であれば、何所に設置しても同様の効果を得ることができる。

次に、実施例４を説明する。実施例３では機械的シャッタを用いてビーム本数を制御したが、実施例４では電気的にビーム本数を制御する方法を説明する。本実施例による露光装置の概念図を図５に示す。ブランキングアレイ１５は個々のビームを任意にオンオフすることができる。そこでビーム本数を減らす、つまり解像度を向上させる場合には外側のビーム２０、２１を常時ブランキングし、露光に使用しないことによって最大ビーム面積を制御することができる。同時にレンズ１８、１９を調整することによって各面積に応じたビーム解像度を実現することができる。

本実施例では複数ビームのサイズを最外周３．２ｍｍ角、ウエハ７上では６４ミクロン角、ビーム本数１０２４本の場合には７０ナノメートルの解像度であるが、ビーム面積のサイズをブランキングアレイ１５通過時で最外周１．６ｍｍ角、ウエハ７上で３２ミクロン角、ビーム本数２５６本に変更した場合には６０ナノメートルの解像度を実現することができた。

次に実施例５を説明する。上記実施例では機械的シャッタ若しくは磁気的にビーム変更することによってビーム最大面積を制御していたが、本実施例では照明光学系を構成するレンズの条件（光学特性）の変更によって同様の効果を実現する。本実施例の露光装置を図６に示す。本実施例では電子源１より放出される電子をコリメータレンズ２、２２によって成形しアパーチャアレイ１３に照射する。コリメータレンズ２、２２の励磁条件を制御することによって任意の大きさの面積ビームをアパーチャアレイ１３上に照射することができる。面積ビームの大きさ及び形状は絞り１０とコリメータレンズ２、２２によって決定されるため、絞り１０はアパーチャアレイ１３の共役点である必要がある。

本実施例では複数ビームのサイズをアパーチャアレイ１３上で最外周３．２ｍｍ角、ウエハ７上で６４ミクロン角、ビーム本数１０２４本とした場合には７０ナノメートルの解像度であるが、ビーム面積のサイズをアパーチャアレイ１３上で最外周１．６ｍｍ角、ウエハ７上で３２ミクロン角、ビーム本数２５６本に変更した場合には６０ナノメートルの解像度を実現することができた。

以上の実施例ではビーム面積と解像度の関係を説明したが、ビーム面積(露光領域）を増減することによって一つの試料を露光する場合のスループットも同時に増減する。従って、本発明によれば、必要とされる解像度及びスループットから最適なビーム面積、解像度を設定することが可能である。
上記の実施例によれば、最大ビーム面積または露光領域を増減することによって解像度を制御することが可能である。また、変更したビーム面積に応じて露光光学系を構成するレンズの光学特性を変更することによって、そのビーム面積における最高の解像度を実現することができる。また、この装置を用いてデバイスを製造すれば、従来以上に高精度なデバイスを高いスループットで製造することができる。

［半導体デバイス製造の実施例］
次に、この露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。
図７は半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（ＥＢデータ変換）では設計した回路パターンに基づいて露光装置の露光制御データを作成する。
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意した露光制御データが入力された露光装置とウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
上記ステップ４のウエハプロセスは以下のステップを有する。ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップ、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ、上記の露光装置によって回路パターンをレジスト処理ステップ後のウエハに焼付露光する露光ステップ、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップ、現像ステップで現像したレジスト像以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップ。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。

本発明の一実施例に係る電子ビーム露光装置の要部概略を示す図である。 ビーム面積と解像度の関係を説明する図である。 本発明の実施例２に係る電子ビーム露光装置の要部概略を示す図である。 本発明の実施例３に係る電子ビーム露光装置の要部概略を示す図である。 本発明の実施例４に係る電子ビーム露光装置の要部概略を示す図である。 本発明の実施例５に係る電子ビーム露光装置の要部概略を示す図である。 デバイスの製造プロセスのフローを説明する図である。

符号の説明

１ 電子源
２,２２ コリメータレンズ
３ マスク
４,６ 縮小対物レンズ
５ 絞り
７ 試料
８ 機械シャッタ
９ 電子ビーム
１０ 制限絞り
１１ 成形絞り
１２−１，２，３，４ 偏向器
１３ アパーチャアレイ
１４ レンズアレイ
１５ ブランキングアレイ
１６，１７ 縮小レンズ
１８，１９ 対物レンズ
２０，２１ 外周ビーム

Claims (8)

1. 荷電粒子源から放出されるビームを用いて、マスク上に形成された複数のパターンをレンズを介して試料上に露光する荷電粒子線露光装置において、
   前記試料上に到達する前記ビームの面積を変更する手段と、
   前記ビームの面積を変更することに伴い、前記レンズに対する印加電圧あるいは励磁電流を調整することで前記レンズの強度を調整する手段と、
   を有し、
   前記ビームの面積を変更する手段により前記ビームの面積を小さくするとともに、前記レンズの強度を調整する手段により前記レンズに対する印加電圧あるいは励磁電流を大きくして前記レンズの強度を強くすることによってパターン解像度を向上させることを特徴とする荷電粒子線露光装置。
2. 前記ビームの面積を変更する手段は、機械的シャッタを含むことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線露光装置。
3. 前記ビームの面積を変更する手段は、第１の偏向器、前記第１の偏向器により変更された前記ビームの一部を遮蔽する絞り、及び、前記絞りを通過した前記ビームを変更する第２の偏向器を含むことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線露光装置。
4. 複数本のビームを用いて、レンズを介して試料上にパターンを露光する荷電粒子線露光装置であって、
   複数の開口がアレイ状に配置され、荷電粒子源から放出されるビームを前記複数本のビームに分割するアパーチャアレイと、
   前記試料上に到達するビーム本数を変更する手段と、
   前記ビーム本数を変更することに伴い、前記レンズに対する印加電圧あるいは励磁電流を調整することで前記レンズの強度を調整する手段と、
   を有し、
   前記ビーム本数を変更する手段により前記ビーム本数を減らすとともに、前記レンズの強度を調整する手段により前記レンズに対する印加電圧あるいは励磁電流を大きくして前記レンズの強度を強くすることによってパターン解像度を向上させることを特徴とする荷電粒子線露光装置。
5. 前記ビーム本数を変更する手段は、機械的シャッタを含むことを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子線露光装置。
6. 前記ビーム本数を変更する手段は、前記複数本のビームを個々にオンオフするブランキングアレイを含むことを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子線露光装置。
7. 前記ビーム本数を変更する手段は、前記荷電粒子源から放出され前記アパーチャアレイに照射される前記ビームの面積を変更するコリメータレンズを含むことを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子線露光装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の荷電粒子線露光装置を用いて、試料に露光を行なう工程と、
   露光された前記試料を現像する工程と、
   を有することを特徴とするデバイス製造方法。

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