JP4621621B2

JP4621621B2 - 荷電ビーム描画装置

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Publication number: JP4621621B2
Application number: JP2006099133A
Authority: JP
Inventors: 宗博小笠原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273838A; US7692158B2; US20070228297A1

Description

本発明は、荷電ビームを用いてＬＳＩパターンを描画する荷電ビーム描画装置に係わり、特に静電偏向器の改良をはかった荷電ビーム描画装置に関する。

電子ビーム描画装置においては、ブランキング偏向器，成形偏向器，及び対物偏向器などの各種の静電偏向器が用いられている。静電偏向器は、複数の偏向電極を有し、各々の電極に偏向アンプで発生させた電位を与えて、電極間に生ずる電場により電子ビームを偏向するものである。

偏向アンプの出力端には同軸ケーブルの一端が接続され、同軸ケーブルの他端は静電偏向器の偏向電極に接続されている。通常、静電偏向器の偏向電極は電気的には同軸ケーブルとのみ接続されているから、等価回路的には同軸ケーブルの先に容量負荷が付いたものと考えられる。このため、偏向アンプから入力した信号は偏向電極でほぼ全反射し、入力信号が同軸ケーブルの長さに応じた一定時間遅れで、偏向アンプに戻ってくることになる。このような状態では、偏向アンプの高速での動作は難しい。

一方で、偏向電極を同軸ケーブルの特性インピーダンスと等しい抵抗を介して接地側と接続することで、偏向電極での信号の反射を抑えて、高速動作を行うことが可能である（例えば、特許文献１参照）。しかし、この場合は電圧が一定の状態でも抵抗に流れる電流があるため、偏向アンプへの負荷が大きくなってしまい、駆動電圧を高くすることが難しい。例えば、終端抵抗に５０Ωを用い、且つ５０Ｖの電圧を加えることを考えると、終端抵抗では最大では定常的に１Ａの電流が流れることになり、アンプ，ケーブル，終端抵抗への負担が大きく現実的ではない。
特開平１１−１５００５５号公報

このように、従来の電子ビーム描画装置においては、偏向アンプに対する負荷を増大させることなく、静電偏向器の高速高電圧動作を実現することは困難であった。また、上記の問題は電子ビーム描画装置に限らずイオンビーム描画装置についても同様に言えることである。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、偏向アンプに対する負荷の増大を招くことなく、静電偏向器の高速高電圧動作を実現することができ、これによって描画速度の向上をはかり得る荷電ビーム描画装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち、本発明の一態様は、荷電ビーム源から発生された荷電ビームを試料上の所望の位置に照射することでパターンを描画する荷電ビーム描画装置であって、前記荷電ビーム源よりも下流側に荷電ビームを電場によって偏向するための静電偏向器が設けられており、該静電偏向器の偏向電極と接地面との間は直流的には絶縁され、該静電偏向器の偏向電極と接地面との間に静電容量と電気抵抗が直列に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の別の一態様は、荷電ビーム源から発生された荷電ビームを静電偏向器により偏向し、試料上の所望の位置に荷電ビームを照射することでパターンを描画する荷電ビーム描画装置であって、前記静電偏向器は、前記荷電ビームの光学軸を中心に点対称に配置された複数の偏向電極と、前記光学軸と同軸的に配置され、前記偏向電極を囲むように設けられた接地外筒と、前記接地外筒の内側表面に設けられた抵抗膜と、前記抵抗膜の表面に設けられた導電膜とを具備し、前記偏向電極と導電膜との間に静電容量が形成され、前記接地導体と導電膜との間に電気抵抗が形成されることを特徴とする。

また、本発明の更に別の一態様は、電子銃から発生された電子ビームを静電偏向器により偏向し、試料上の所望の位置に電子ビームを照射することでパターンを描画する荷電ビーム描画装置であって、前記静電偏向器は、前記電子ビームの光学軸を中心に点対称に配置された複数の偏向電極と、前記光学軸と同軸的に配置され、前記偏向電極を囲むように設けられた接地外筒と、前記接地外筒の内側表面に前記偏向電極に対向するようにそれぞれ設けられた抵抗膜と、前記抵抗膜の表面にそれぞれ設けられた導電膜と、前記導電膜と前記偏向電極との間にそれぞれ挿入され、前記偏向電極を機械的に支持する高誘電体膜とを具備し、前記偏向電極と導電膜との間に前記高誘電体膜による静電容量が形成され、前記接地導体と導電膜との間に前記抵抗膜による電気抵抗が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、偏向電極と接地面又は接地外筒との間に静電容量と電気抵抗を直列に挿入することにより、偏向アンプに対する負荷の増大を招くことなく、静電偏向器の高速高電圧動作を実現することができ、これにより描画速度の向上をはかることができる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる電子ビーム描画装置を示す概略構成図である。

図中の１１は電子ビームを発生する電子銃（荷電ビーム源）、１２，１３はコンデンサレンズ、１４は投影レンズ、１５は縮小レンズ、１６は対物レンズ、２１は第１成形アパーチャ、２２は第２成形アパーチャ、３１はビームをオン・オフするためのブランキング偏向器，３２はビームの寸法及び形状を可変するための成形偏向器、３３はビームを試料面上で走査するための対物偏向器、４１はマスクやウェハ等の試料、４２は試料ステージを示している。なお、図には示さないが、電子銃１１、各種レンズ１２〜１６、アパーチャ２１，２２、各種偏向器３１〜３３は電子光学鏡筒内に収容されている。

加速電圧５０ｋＶで電子銃１１から放出された電子ビームは、クロスオーバ像が成形偏向器３２の偏向不動点に一致するように励磁されたコンデンサレンズ１２，１３により集束され、第１成形アパーチャ２１に照射される。第１成形アパーチャ２１には矩形の開口が設けてあり、この開口を透過した電子ビームは矩形断面形状を有する。この第１成形アパーチャ２１で矩形に成形された電子ビームは、次に第１成形アパーチャ２１の像が第２成形アパーチャ２２上に結像するように励磁された投影レンズ１４により集束され、第２成形アパーチャ２２に照射される。

ここで、成形偏向器３２により第２成形アパーチャ２２上のビーム照射位置を変更することができる。第２成形アパーチャ２２上には、様々な形状の開口が設けてあり、第２成形アパーチャ２２の所望の位置にビームを透過させることにより、所望の断面形状を有する電子ビームを得ることができる。

第２成形アパーチャ２２を透過した電子ビームは、縮小レンズ１５と対物レンズ１６により集束されて、ステージ４２上に載置された試料４１の表面に達する。このとき、電子ビームは対物偏向器３３により偏向されて、試料４１上の所望の位置に到達する。

ここで、偏向器３１，３２，３３には、複数の偏向電極から構成された静電偏向器が使用されている。これらは、偏向電極に偏向アンプで発生させた電位を与えて、各々の電極間に生じる電場により電子ビームを偏向するものである。

図２及び図３は、本実施形態に用いた成形偏向器３２の具体的構成を示す図である。図２は、成形偏向器３２をビーム進行方向と垂直に切断した断面であり、図３は成形偏向器３２をビーム進行方向に沿って切断した断面である。例として、偏向電極の数は４としている。ここでは、静電偏向器として成形偏向器３２の例を説明するが、対物偏向器３３も同様に構成することが可能である。

成形偏向器３２は、４個の偏向電極５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ）で構成されている。即ち、偏向電極５１ａ，５１ｃがビーム軸を挟んで対向配置され、これらの偏向電極間に例えばｘ方向の偏向電圧が印加される。偏向電極５１ｂ，５１ｄがビーム軸を挟んで対向配置され、これらの偏向電極間に例えばｙ方向の偏向電圧が印加されるものとなっている。

光軸と同軸的に配置された接地外筒５２内に、４つの偏向電極５１が同心円状に配置されている。各々の偏向電極５１は板体からなり、ビーム軸を中心とする同心円に沿って湾曲している。即ち、ビーム軸と直交する方向の断面が円弧状に形成されている。そして、偏向電極５１の互いに隣接する部分は薄くなっており、これにより隣接する偏向電極間の容量が小さくなっている。各々の偏向電極５１と接地外筒５２との間には、抵抗体５３（５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄ）がそれぞれ配置されている。抵抗体５３は、例えば炭化珪素の膜である。

偏向アンプ５４は４個の偏向電極５１のそれぞれに同軸ケーブル５５により接続されているが、図２では一つの接続のみ、図３では２つの接続のみを示している。同軸ケーブル５５の特性インピーダンスＺｃは５０Ωとして説明する。Ｚｃとしては７５Ω、或いは更に高い値のケーブルを使うことも可能である。本図は模式的なものであり、実際の構造及び寸法を再現していない。

成形偏向器３２は内側から、偏向電極５１、空間、抵抗体５３、接地外筒５２と構成されている。従って、偏向電極５１と接地外筒５３との間には、静電容量と電気抵抗が直列に接続されたものとなり、等価回路は図４に示す通りである。

抵抗体５３は偏向電極５１の数だけ分割されていることが望ましいが、特性の低下を許容できる場合は、図５に示すように一体構造でも良い。偏向電極５１と抵抗体５３は電気的に絶縁されている。この絶縁構造を保つために、実際は電極構造に比べて十分小さい絶縁物で抵抗体５３から絶縁されている。厳密には絶縁物でつないでいる場合でも偏向電極５１と抵抗体５３との間の抵抗値は有限である。しかしながら、抵抗体５３の抵抗よりも十分大きな値であれば絶縁物と見做すことができる。例えば通常１ＭΩ以上あれば十分である。なお、図２では省略しているが、抵抗体５３と偏向電極５１との間の一部に、偏向電極５１を機械的に保持するための絶縁体５６が設けられている。そして、抵抗体５３の内側表面には、例えば銅のような良導電体５７がコーティングされている。

この構造において、接地外筒５２と抵抗体５３の内側導体５７との間の抵抗値Ｒを同軸ケーブル５５の特性インピーダンスＺｃとほぼ等しい値とする。この例では５０Ωとなるように決めている。偏向電極５１の光軸方向の長さＬは１２０ｍｍとし、４つの偏向電極からなる円筒の外径２ｒを２０ｍｍとする。さらに、偏向電極５１と抵抗体５３の内側導体面との距離を０．６ｍｍとする。この場合の静電容量Ｃは、真空中の誘電率をε０とすると近似的には
Ｃ〜ε０×２π×ｒ×Ｌ／４ｄ〜２８ｐＦ
となる。この値は、隣接する偏向電極間の電極間容量よりも十分に大きいものである。

このとき、抵抗体５３の内側導体５７と接地外筒５２との間の抵抗値Ｒを５０Ωとすると、この偏向電極５１の外部から見た時の時定数は約１．４ｎｓとなる。１．４ｎｓという時定数は通常の偏向アンプのビーム静定時間よりも短いものであり、従ってこの時定数により応答遅れが生じることもない。抵抗体５３と偏向電極５１との間の絶縁体５６は静電容量を大きくするように働くので、実際は偏向電極５１の外径をもう少し小さくして容量が上記値に比べて大きくならないようにすることが望ましい。

今、抵抗体５３として、抵抗率１０⁵Ωｃｍの炭化珪素を用いるとすると、内径２１．２ｍｍとして、厚さを２ｍｍにすれば、ビーム軸と直交する方向の抵抗値をほぼ５０Ωとすることができる。抵抗体５３は接地外筒５２に接触抵抗をできる限り小さくするように密着して固定されている。偏向電極５１への電圧の印加のために、接地外筒５２及び抵抗体５３には適当な孔があけられており、それを通して、同軸ケーブル５５の芯線と偏向電極５１とが接続される。偏向電極５１の円周角方向の端部の厚さを１ｍｍとすると、隣り合う電極との間隔を１ｍｍとした場合に隣の電極との間の相互容量は約１ｐＦであり、偏向電極５１と抵抗体５３との間の容量よりも十分小さくできる。

図６は、上記のように構成にしたときの成形偏向器３２の電気的特性を概念的に示す図である。図６（ａ）に示すように、比較的低周波数領域、例えば１ＭＨｚでは成形偏向器３２の複素インピーダンスＺＬの絶対値は｜−ｉ／（Ｃω）＋Ｒ｜＝５．７ｋΩとなり、振幅５０Ｖの正弦波電圧に対して電流は振幅で１０ｍＡ程度に抑えられる。一方、図６（ｂ）に示すように、比較的高周波数領域、例えば１ＧＨｚでは、ほぼ５０Ωとなり、成形偏向器３２での電圧反射率は０．０６以下と小さい。つまり、高周波領域では反射は殆ど無い状態にすることが可能となる。時定数を１．４ｎｓとすると、０ボルトからＶボルトへのステップ入力に対して、０ボルトから（１−１万分の１）Ｖボルトになるまでの時間はおよそ１３ｎｓである。即ち、電圧の非常に速い立ち上がりが可能となる。

このように本実施形態によれば、成形偏向器３２の偏向電極５１を抵抗体５３からなる電気抵抗と静電容量を介して接地外筒５２と接続し、且つ抵抗体５３の抵抗値を偏向電極５１に電圧を加えるために接続された同軸ケーブル５５の特性インピーダンスとほぼ等しい値にすることで、直流的には接地面から絶縁された状態を保ったまま、高周波領域ではインピーダンス整合が取れた状態に近くして信号の反射を抑えることができる。これにより、成形偏向器３２を駆動する偏向アンプ５４に対しては高周波領域で反射波の影響が小さくなり、成形偏向器３２の高速高電圧での動作が可能となる。即ち、偏向アンプ５４に対する負荷の増大を招くことなく、成形偏向器３２の高速高電圧動作を実現することができ、これによって描画速度の向上をはかることが可能となる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係わる電子ビーム描画装置に用いた成形偏向器の例を示す図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、成形偏向器３２の各偏向電極５１と抵抗体５３との間に、絶縁物である高誘電体７１（７１ａ〜７１ｄ）を挿入したことにある。高誘電体７１としては、例えばアルミナを用いることができる。ここで、厳密には高誘電体の抵抗は有限であるが、抵抗体５３の抵抗よりも十分抵抗が大きいので絶縁物と見做せる。高誘電体７１を設けることにより、抵抗体５３と偏向電極５１とが同じ距離であれば容量を大きくでき、同じ容量であれば抵抗体５３と偏向電極５１との距離を長くすることができる。

このような構成であれば、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、偏向電極５１と抵抗体５３との間隔を図２の例よりも広くすることができるので、機械加工や組み立てが容易となる利点がある。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係わる電子ビーム描画装置に用いた成形偏向器の例を示す図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、成形偏向器３２の各偏向電極５１と抵抗体５３との間に誘電体８１（８１ａ〜８１ｄ）を挿入し、更に誘電体８１及び抵抗体５３を板状ではなく一体化した棒状（直方体）にしたことにある。そして、抵抗体５３及び誘電体８１は一体となって偏向電極５１を支持している。

本実施形態の場合も抵抗体５３の抵抗値Ｒは５０Ωとなるように材料、形状を決める。例えば断面が一辺の長さが２ｃｍの正方形で、内部に１辺の長さ１ｃｍの正方形の孔の開いたパイプ状材料で、抵抗率を１００Ωｃｍとすると、抵抗体５３の必要な長さは１．５ｃｍとなる。そして、直方体材料と誘電体材料の穴に絶縁物材料で形成されたネジを通して、偏向電極５１を接地外筒５２に固定することができる。

このような構成であれば、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、誘電体８１及び抵抗体５３の穴を通して偏向電極５１を接地外筒５２にネジ止めするだけで構成することが可能となり、機械加工や組み立てが更に容易となる利点がある。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、偏向電極をビーム軸を中心とする円弧に沿った形状としたが、必ずしも偏向電極は円弧状である必要はなく、平板状の電極としても良い。また、偏向電極の数は４個に何ら限定されるものではなく、２個や８個の偏向電極としても良い。

また、本実施形態では光学鏡筒内に接地外筒を設けたが、この接地外筒は省略することも可能である。この場合、電子光学鏡筒自体を接地面として用いればよい。また、実施形態では、電子ビーム描画装置を例に取り説明したが、ビームを静電的に偏向するイオンビーム描画装置にも同様に適用できるのは勿論のことである。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態に係わる電子ビーム描画装置を示す概略構成図。第１の実施形態に用いた成形偏向器を光軸方向と直交する方向に切断して示す断面図。第１の実施形態に用いた成形偏向器を光軸方向に沿って切断して示す断面図。第１の実施形態の偏向器と偏向アンプとの接続状態を示す等価回路図。第１の実施形態の変形例を示す断面図。第１の実施形態の作用を説明するためのもので、低周波領域と高周波領域でのインピーダンスの変化を示す模式図。第２の実施形態に用いた成形偏向器を光軸方向と直交する方向に切断して示す断面図。第３の実施形態に用いた成形偏向器を光軸方向と直交する方向に切断して示す断面図。

符号の説明

１１…電子銃（荷電ビーム源）
１２，１３…コンデンサレンズ
１４…投影レンズ
１５…縮小レンズ
１５…対物レンズ
２１…第１成形アパーチャ
２２…第２成形アパーチャ
３１…ブランキング偏向器
３２…成形偏向器
３３…対物偏向器
４１…試料
４２…ステージ
５１（５１ａ〜５１ｄ）…偏向電極
５２…接地外筒
５３（５３ａ〜５３ｄ）…抵抗体
５４…偏向アンプ
５５…同軸ケーブル
５６…絶縁体
５７…内部導体
７１（７１ａ〜７１ｄ）…高誘電体
８１（８１ａ〜８１ｄ）…誘電体

Claims

荷電ビーム源から発生された荷電ビームを試料上の所望の位置に照射することでパターンを描画する荷電ビーム描画装置であって、
前記荷電ビーム源よりも下流側に荷電ビームを電場によって偏向するための静電偏向器が設けられており、該静電偏向器の偏向電極と接地面との間は直流的には絶縁され、該静電偏向器の偏向電極と接地面との間に静電容量と電気抵抗が直列に配置されていることを特徴とする荷電ビーム描画装置。
荷電ビーム源から発生された荷電ビームを静電偏向器により偏向し、試料上の所望の位置に荷電ビームを照射することでパターンを描画する荷電ビーム描画装置であって、
前記静電偏向器は、前記荷電ビームの光学軸を中心に点対称に配置された複数の偏向電極と、前記光学軸と同軸的に配置され、前記偏向電極を囲むように設けられた接地外筒と、前記接地外筒の内側表面に設けられた抵抗膜と、前記抵抗膜の表面に設けられた導電膜とを具備し、
前記偏向電極と導電膜との間に静電容量が形成され、前記接地導体と導電膜との間に前記抵抗膜からなる電気抵抗が形成されることを特徴とする荷電ビーム描画装置。
前記偏向電極と接地面又は接地外筒との間の前記静電容量を形成すべき部分には高誘電体が配置されており、該誘電体が前記偏向電極を機械的に支持していることを特徴とする請求項１又は２記載の荷電ビーム描画装置。
電子銃から発生された電子ビームを静電偏向器により偏向し、試料上の所望の位置に電子ビームを照射することでパターンを描画する荷電ビーム描画装置であって、
前記静電偏向器は、前記電子ビームの光学軸を中心に点対称に配置された複数の偏向電極と、前記光学軸と同軸的に配置され、前記偏向電極を囲むように設けられた接地外筒と、前記接地外筒の内側表面に前記偏向電極に対向するようにそれぞれ設けられた抵抗膜と、前記抵抗膜の表面にそれぞれ設けられた導電膜と、前記導電膜と前記偏向電極との間にそれぞれ挿入され、前記偏向電極を機械的に支持する高誘電体膜とを具備し、
前記偏向電極と導電膜との間に前記高誘電体膜による静電容量が形成され、前記接地導体と導電膜との間に前記抵抗膜による電気抵抗が形成されることを特徴とする荷電ビーム描画装置。
前記静電容量と電気抵抗の積で決まる時定数は、前記静電偏向器に電場を加えるための偏向アンプの静定時間よりも短いことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の荷電ビーム描画装置。
前記静電偏向器は、偏向アンプの出力端と同軸ケーブルを介して接続され、前記電気抵抗は、前記同軸ケーブルの特性インピーダンスとほぼ等しいことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の荷電ビーム描画装置。
前記偏向電極と接地面又は接地外筒との間の静電容量は、隣接する偏向電極間の静電容量よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の荷電ビーム描画装置。