JP4758431B2 - 電子ビーム露光装置及び電子ビーム露光装置のクリーニング方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビーム露光装置に関し、特に、装置内での汚れ（コンタミネーション）の発生を抑制できる電子ビーム露光装置及び電子ビーム露光装置のクリーニング方法に関する。

半導体装置の製造工程において、微細なパターンの露光が可能な電子ビーム露光装置が使用されている。近年の電子ビーム露光装置では、スループットの向上を図るために、ビームの断面形状を種々に成形するためのスリットや各種開口パターン群を有するマスクが用いられ、これらのマスクを通過した電子ビームが試料表面に照射される。

このような電子ビーム露光装置において露光を行うと、時間の経過に従って電子ビームの照射位置が変化し、露光パターンを劣化させるという現象が発生する。このような電子ビーム照射位置のずれはビームドリフトと呼ばれている。ビームドリフトは次のようにして発生すると考えられている。

電子ビームが試料の表面に塗布されたレジスト膜に照射されると、レジスト膜を構成する有機材料からガスが発生する。発生したガス中の炭素成分が露光装置内の部品の表面に付着し、コンタミネーションが形成される。また、真空にした露光装置内にはハイドロカーボン（Ｃ_xＨ_x）が含まれており、このハイドロカーボンからもコンタミネーションが形成される。このコンタミネーションに電荷が蓄積すると、蓄積される電荷量の差によって電界が発生し、照射される電子ビームはこの電界によって偏向される。その結果、電子ビームの照射位置が変動することになる。

このような問題に対し、電子ビーム露光装置内でのコンタミネーションの発生を低減させる方法が種々提案されている。

これに関する技術として、特許文献１には、電子ビーム露光装置においてオゾンによりチャンバー内をクリーニングする方法が開示されている。

上記した、チャンバー内のコンタミネーションの発生を防止する方法では、装置を稼動させながら装置内にオゾンを注入してコンタミネーションの発生を防止している。すなわち、装置内のオゾンと電子ビームとを衝突させてオゾンを酸素と活性酸素とに分離させる。そして、分離した活性酸素によって試料上や装置内の各部品の表面に付着しようとするコンタミネーションと反応させて、一酸化炭素ガスとして蒸発させている。

しかしながら、上記の方法で露光装置内部のクリーニングをしてもビームドリフトが発生することが確認された。

上述したように、ビームドリフトはコンタミネーションに電荷が蓄積され、電界が発生することが原因である。これに対し、コンタミネーションが除去されてもビームドリフトが発生するのは、チャンバー内にオゾンガスを注入したことにより、コンタミネーションとは異なる絶縁物が生成されたためである。

このような絶縁物として、例えば、電子ビームを成形するためのマスクを構成するシリコンがオゾンガスによって酸化されて形成されるＳｉＯ₂がある。

これに対して、マスクに、酸化しても絶縁物にならない金属、例えばチタンを表面に付着させることが考えられる。しかし、この場合には、付着させた金属の酸化物が形成され、マスク自体が変形し、正確に露光を行うことが困難になる。
特開平０９−２５９８１１号公報

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、電子ビーム露光装置内部のコンタミネーションの発生を抑制するとともにビームドリフトの発生を抑制することのできる電子ビーム露光装置及び電子ビーム露光装置のクリーニング方法を提供することを目的とする。

上記した課題は、電子銃から発生させた電子ビームでウエハステージに載置した試料上に所望のパターンを露光する電子ビーム露光装置において、前記電子銃及びウエハステージが収納されているコラム内に還元性ガスを注入する手段と、前記コラム内に前記還元性ガスの注入を所定の時間継続して行わせる制御手段とを有することを特徴とする電子ビーム露光装置により解決する。

上記形態に係る電子ビーム露光装置において、更に前記コラム内にオゾンガスを注入する手段を有し、前記制御手段は、前記コラム内に前記還元性ガスの注入に加えてオゾンガスの注入を所定の時間継続して行わせるようにしても良い。

また、上記形態に係る電子ビーム露光装置において、前記還元性ガスは、アンモニアガス、水素、又はヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）のいずれかであっても良い。

また、上記した課題は、電子ビーム露光装置の電子銃及びウエハステージが収納されているコラム内に、還元性ガスを注入する工程を含むことを特徴とする電子ビーム露光装置のクリーニング方法により解決する。

上記形態に係る電子ビーム露光装置のクリーニング方法において、前記還元性ガスを注入する工程に加えて、オゾンガスを注入する工程を含むようにしても良い。

本発明では、電子ビーム露光装置内に、オゾンガス及び還元性ガス（例えば、アンモニアガス）を注入している。オゾンガスの注入により、オゾンから分解する活性酸素とコンタミネーションの原因物質とが反応し、カーボン等のコンタミネーションを除去することができる。これにより、試料上にカーボン等のコンタミネーションが付着することを抑制することが可能となる。

また、還元性ガスを注入することにより、還元性ガスから分解する水素とコンタミネーションの原因物質とが反応し、カーボン等のコンタミネーションを除去することができる。

さらに、還元性ガスとオゾンガスとを共にコラム内に注入した場合には、還元性ガスから分解した水素と、オゾンから分解した酸素とが反応して水蒸気になるため、酸素がシリコンと反応してシリコン酸化物を形成することを抑制することができる。これにより、シリコン酸化物のチャージアップを原因とするビームドリフトを防止することが可能となり、安定した露光処理を行うことが可能となる。

図１は、本発明の実施形態で使用される電子ビーム露光装置の構成図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、マスクの一例を示す構成図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、マスクの開口部に酸化膜が形成されることを説明する図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、コンタミネーションが抑制される原理を説明する図である。 図５は、電子ビーム露光装置のクリーニング方法を示すフローチャート（その１）である。 図６は、電子ビーム露光装置のクリーニング方法を示すフローチャート（その２）である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

はじめに、電子ビーム露光装置の構成について説明する。次に、本発明の特徴であるコンタミネーションの発生を除去するとともにチャージアップの発生を抑制する処理について説明する。次に、電子ビーム露光装置のクリーニング方法について説明する。
（電子ビーム露光装置の構成）
図１に、本実施形態に係る電子ビーム露光装置の構成図を示す。

この電子ビーム露光装置は、電子光学系コラム１００と、電子光学系コラム１００の各部を制御する制御部２００とに大別される。このうち、電子光学系コラム１００は、電子ビーム生成部１３０、マスク偏向部１４０及び基板偏向部１５０によって構成され、その内部が減圧される。また、電子光学系コラム１００（以下、単にコラムともいう。）には、切り替え装置ＳＷを経由してオゾン供給装置１２８及び還元ガス供給装置１２９が接続されている。

電子ビーム生成部１３０では、電子銃１０１から生成した電子ビームＥＢが第１電磁レンズ１０２で収束作用を受けた後、ビーム整形用マスク１０３の矩形アパーチャ１０３ａを透過し、電子ビームＥＢの断面が矩形に整形される。

その後、電子ビームＥＢは、マスク偏向部１４０の第２電磁レンズ１０５によって露光マスク１１０上に結像される。そして、電子ビームＥＢは、第１、第２静電偏向器１０４、１０６により、露光マスク１１０に形成された特定のパターンＳに偏向され、その断面形状がパターンＳの形状に整形される。

なお、露光マスク１１０はマスクステージ１２３に固定されるが、そのマスクステージ１２３は水平面内において移動可能であって、第１、第２静電偏向器１０４、１０６の偏向範囲（ビーム偏向領域）を超える部分にあるパターンＳを使用する場合、マスクステージ１２３を移動することにより、そのパターンＳをビーム偏向領域内に移動させる。

露光マスク１１０の上下に配された第３、第４電磁レンズ１０８、１１１は、それらの電流量を調節することにより、電子ビームＥＢを基板Ｗ上で結像させる役割を担う。

露光マスク１１０を通った電子ビームＥＢは、第３、第４静電偏向器１１２、１１３の偏向作用によって光軸Ｃに振り戻された後、第５電磁レンズ１１４によってそのサイズが縮小される。

マスク偏向部１４０には、第１、第２補正コイル１０７、１０９が設けられており、それらにより、第１〜第４静電偏向器１０４、１０６、１１２、１１３で発生するビーム偏向収差が補正される。

その後、電子ビームＥＢは、基板偏向部１５０を構成する遮蔽板１１５のアパーチャ１１５ａを通過し、第１、第２投影用電磁レンズ１１６、１２１によって基板Ｗ上に投影される。これにより、露光マスク１１０のパターンの像が、所定の縮小率、例えば１／６０の縮小率で基板Ｗに転写されることになる。

基板偏向部１５０には、第５静電偏向器１１９と電磁偏向器１２０とが設けられており、これらの偏向器１１９、１２０によって電子ビームＥＢが偏向され、基板Ｗの所定の位置に露光マスクのパターンの像が投影される。

更に、基板偏向部１５０には、基板Ｗ上における電子ビームＥＢの偏向収差を補正するための第３、第４補正コイル１１７、１１８が設けられる。

基板Ｗは、モータ等の駆動部１２５により水平方向に移動可能なウエハステージ１２４に固定されており、ウエハステージ１２４を移動させることで、基板Ｗの全面に露光を行うことが可能となる。

一方、制御部２００は、電子銃制御部２０２、電子光学系制御部２０３、マスク偏向制御部２０４、マスクステージ制御部２０５、ブランキング制御部２０６、基板偏向制御部２０７、ウエハステージ制御部２０８及びクリーニング制御部２０９を有する。これらのうち、電子銃制御部２０２は電子銃１０１を制御して、電子ビームＥＢの加速電圧やビーム放射条件等を制御する。また、電子光学系制御部２０３は、電磁レンズ１０２、１０５、１０８、１１１、１１４、１１６及び１２１への電流量等を制御して、これらの電磁レンズが構成される電子光学系の倍率や焦点位置等を調節する。ブランキング制御部２０６は、ブランキング電極１２７への印加電圧を制御することにより、露光開始前から発生している電子ビームＥＢを遮蔽板１１５上に偏向し、露光前に基板上に電子ビームＥＢが照射されるのを防ぐ。

基板偏向制御部２０７は、第５静電偏向器１１９への印加電圧と、電磁偏向器１２０への電流量を制御することにより、基板Ｗの所定の位置上に電子ビームＥＢが偏向されるようにする。ウエハステージ制御部２０８は、駆動部１２５の駆動量を調節して、基板Ｗを水平方向に移動させ、基板Ｗの所望の位置に電子ビームＥＢが照射されるようにする。

クリーニング制御部２０９は、オゾン供給装置１２８及び還元ガス供給装置１２９を制御し、オゾンガス及び還元ガスのコラム内への供給量及び時間を制御する。上記の各部２０２〜２０９は、ワークステーション等の統合制御系２０１によって統合的に制御される。

以上のように構成した電子ビーム露光装置において、露光処理と同時にコラム１００内のクリーニングを行う。コラム１００内のクリーニングは、コラム１００内に還元性のガス又は還元性のガスとオゾンガスを注入することにより行う。

クリーニング制御部２０９は、オゾンガスをオゾン供給装置、例えばオゾナイザで発生させてコラム１００内に注入するように切り換えスイッチＳＷを制御する。また、クリーニング制御部２０９は、還元性ガス、例えばアンモニアガスを還元ガス供給装置で発生させ、コラム１００内に注入するように切り換えスイッチＳＷを制御する。なお、アンモニアガスはアンモニア水から生成するようにしてもよい。還元性ガス又はオゾンガスをコラム１００内へ注入する時間や量は、予め設定しておき、クリーニング制御部２０９によって管理される。
（コンタミネーションの発生及びチャージアップの発生を抑制する処理の説明）
上記したように、コラム１００内にオゾンガス及び還元性のアンモニアガスを注入することによって、コラム１００内をクリーニングすることができる。これらのガスの注入によって、コンタミネーションの発生及びチャージアップの発生を抑制できる理由を以下に説明する。

ここでは、（１）還元性ガスのみをコラム１００内に注入する場合、及び（２）還元性ガスとオゾンガスをコラム１００内に注入する場合について説明する。
（１）還元性ガスのみをコラム内に注入する場合
従来のクリーニング方法では、コラム１００内にオゾンガスを注入することにより、コンタミネーションの原因物質を排除していた。

しかし、オゾンガスの注入によりコンタミネーションを排除した場合であっても、オゾンガスによる酸化作用によって、次のような不都合が生じることが明らかとなった。

図２（ａ）は、電子ビームを成形するマスクの一例を示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ線から見た断面図である。

ここでは、説明のため、図２（ａ）に示すように、マスクには２つのマスクパターン２１を有するものとする。通常、マスク２０はシリコンを用いて作成される。開口部２２付近のマスク基体の厚さは２０μｍである。

図３（ａ）は、開口部２２の近傍を拡大した断面図を示している。マスク２０の電子ビームが入射する側には、チャージアップを防止するために、例えば、Ｐｔ等の金属膜が形成されている。開口部２２の側面はマスク２０を構成するシリコンが露出している。

このように形成されたマスクが配置されているコラム１００内に、コンタミネーションの除去のためにオゾンガスを用いてクリーニングを行うと、開口部２２の側面には金属膜が形成されていないため、シリコンとオゾン２４とが反応して、シリコンが酸化される。その結果、図３（ｂ）に示すように、シリコンが露出している開口部２２の側面にシリコン酸化膜２５が形成される。

このような状態で電子ビームを照射すると、このシリコン酸化膜２５に電荷が蓄積され、チャージアップすることになる。このチャージアップが原因となって、ビームドリフトが発生する。

これを防ぐために、本実施形態では、還元性のガス、例えば、アンモニアガスを使用する。

コラム１００内にアンモニアガスを少量注入すると、アンモニアガスの分子がコラム１００内の各部に付着する。この状態で電子ビームを照射すると、付着したアンモニアガスの分子に電子があたり、アンモニアガスは、ＮＨ₂とＨとに分解する。有機物コンタミネーションはアンモニアガスから分解したＨと結合してＣＨ₂またはＣＨ₄（メタン）となって蒸発する。

これにより、コンタミネーションが試料上などから脱離し、コラム内部のクリーニングが行われる。このように、還元性ガスを使用するため、シリコンが酸化されることがなく、シリコンで形成されるマスク上に酸化膜が形成されることはない。よって、シリコンマスク上にチャージアップが発生することはない。また、カーボン等の有機物コンタミネーションは還元されて蒸発する。さらに、シリコンマスクだけでなくコラム内の各部品上に酸化膜が形成されることなく、チャージアップが発生することもない。このため、ビームドリフトが発生することなく、精度良く露光をすることができる。
（２）還元性ガスとオゾンガスをコラムに注入する場合
上記したように、還元性ガスをコラム１００内に注入するだけでもマスクや部品を装着したままインサイチュー（その場）クリーニングして、コラム１００内のコンタミネーションを除去することが可能である。

しかし、コラム１００内にコンタミネーションの原因物質となる有機物が多量に存在する場合には、還元性ガスだけでなく、オゾンガスも導入することにより効率的にコンタミネーションを除去することができる。

まず、オゾンガスがコンタミネーションを除去する理由について説明する。

電子ビームの照射によって発生するコンタミネーションの原因となる物質は、ＣやＨで構成される有機系物質であると考えられている。図４（ａ）は、このような有機系物質が試料上に存在していることを模式的に示した図である。このコンタミネーションの原因物質に活性酸素を反応させることによって、有機系物質のＣやＨが活性酸素と結合して蒸発する。これにより、図４（ｂ）に示すように、コンタミネーション物質と考えられているＣが試料の表面からなくなる。そして、試料上に電子ビームを照射しても試料にＣが付着することが抑制されることになる。

活性酸素を発生させるために、オゾンガスをコラム１００内に注入する。オゾンは不安定な物質であるため、経時的に酸素と活性酸素とに分解される。これにより、活性酸素が発生して、コンタミネーションの原因物質からＣを除去することが可能となる。

上記のオゾンガスと還元性ガスの両方をコラム１００内に注入する場合として、オゾンガスと還元性ガスとを同時に注入する場合と、オゾンガスと還元性ガスとを交互に注入する場合とがある。

オゾンガスと還元性ガスとを同時に注入する場合、オゾンガスから分解した酸素は還元性ガスから分解した水素と結合して水蒸気となる。従って、オゾンガスによってシリコンが酸化されることを抑制できるという利点を有する。

一方、還元性ガスとオゾンガスとを交互に注入する場合、オゾンガスによるコンタミネーションの除去と還元性ガスによるコンタミネーションの除去の両方を行うことができ、コンタミネーションの発生を効率良く防止することができる。また、コラム１００内に注入するガスを切り替えたときには、コラム１００内に残留しているガスと注入したガスとが反応し、オゾンガスによるコンタミネーションの除去の効果は減少する。しかし、コラム１００内の部品がオゾンによって酸化されることを抑制できる。

オゾンガスと還元性ガスをコラム１００内に注入する場合は、露光中、両方のガスを注入するようにしてもよいし、クリーニング制御部２０９によって、予め設定された時間に従ってガスの注入を停止するようにしても良い。また、コラム１００内のコンタミネーションがなくなったと判定したときにガスの注入を停止するようにしても良い。さらに、コラム１００内の有機物質が少なくなった場合には、還元性ガスのみを注入するようにしてもよい。

オゾンガスと還元性ガスを交互にコラム１００内に注入する場合は、コラム１００内の有機物質の量に応じて、オゾンガスを注入する時間及び還元性ガスを注入する時間を設定するようにしてもよい。

以上説明したように、還元性ガス又はオゾンガスをコラム１００内に注入することにより、コンタミネーションを除去できると共に、シリコンで形成されるマスク等、コラム１００内の耐酸化性を有しない各部品の酸化を抑制できる。

また、シリコンの酸化が抑制されるため、シリコンで形成されるマスク上に酸化膜が形成されることも抑制される。従って、ビームドリフトを防止することができ、精度良く露光処理を行うことが出来る。
（電子ビーム露光装置のクリーニング方法）
次に、本実施形態の電子ビーム露光装置のクリーニング方法について図５のフローチャートを用いて説明する。ここでは、コラム１００内に有機物によるコンタミネーションが発生しているものとする。また、還元性ガスの注入量及びオゾンガスの注入量は予め決められているものとする。

まず、ステップＳ１１において、コラム１００内にオゾンガスを注入する。オゾンガスを注入することによって、オゾンが分解してできる活性酸素とコンタミネーションの原因物質とが反応し、一酸化炭素ガスとなって蒸発する。

次に、ステップＳ１２において、コラム１００内に還元性ガスを注入する。ここでは、還元性ガスとしてアンモニアガスを使用する。例えば、アンモニアガスは、コラム１００内の真空度を１０^-4pascal以下にするように１分間に数ｃｃ程度で注入する。アンモニアガスをコラム１００内に注入することによって、アンモニアガスが分解してできる水素とコンタミネーションの原因物質とが反応し、ＣＨ₂又はＣＨ₄となって蒸発する。

このステップＳ１２の後、コラム１００内には、アンモニアガスとオゾンガスとが混在する。このため、コンタミネーションの除去に寄与しないオゾンガスが存在した場合には、アンモニアガスから分解した水素によって還元されるため、コラム１００内の耐酸化性を有しない各部品の酸化を抑制できる。

次に、ステップＳ１３において、オゾンガスを注入してから所定の時間が経過したか否かを判定する。この所定の時間は、露光中継続してコラム１００内へアンモニアガス及びオゾンガスを注入する場合には、露光時間にあわせて設定する。また、コラム１００内のコンタミネーションが十分に除去できたか否かを判定してガスの注入を継続するか否かを決定するようにしてもよい。

所定の時間が経過したときは、ステップＳ１４に移行し、所定の時間が経過していないときは、ステップＳ１１に戻り、コラム１００内のクリーニングを継続する。

次のステップＳ１４において、オゾンガスの注入を停止し、ステップＳ１５において、還元性ガスの注入を停止して、本クリーニング処理は終了する。

図６は、還元性ガスとオゾンガスを交互にコラム１００内に注入する処理の一例を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ２１において、オゾンガスをコラム１００内に注入する。クリーニング制御部２０９が切り換えスイッチＳＷを制御してオゾンガス供給装置で発生させたガスをコラム１００内に注入するようにする。

次に、ステップＳ２２において、オゾンガスをコラム１００内に注入してから所定の時間経過したか否かを判定する。所定の時間経過していれば、次のステップＳ２３においてオゾンガスのコラム１００内への注入を停止する。この時間は、コラム１００内の有機物質が多量存在する場合（例えばコラム１００内に新たに部品を収納した場合等）にはアンモニアガスを注入する時間よりも長くするようにしても良い。

次に、ステップＳ２４において、還元性ガスをコラム１００内に注入する。ここでは、還元性ガスとしてアンモニアガスを使用する。図５のステップＳ１２と同様に、アンモニアガスをコラム１００内に注入することによって、コンタミネーションの除去を行う。

次に、ステップＳ２５において、アンモニアガスをコラム１００内に注入してから所定の時間経過したか否かを判定する。所定の時間経過していれば、次のステップＳ２６においてアンモニアガスのコラム１００内への注入を停止する。

次に、ステップＳ２７において、ガスの注入を始めてから所定の時間経過したか否かを判定する。露光中継続してコラム１００内へアンモニアガス及びオゾンガスを注入する場合には、露光時間にあわせて設定する。また、コラム１００内のコンタミネーションが十分に除去できたか否かを判定してガスの注入を継続するか否かを決定するようにしてもよい。

ステップＳ２７において、所定の時間が経過したと判定したときは、本クリーニング処理は終了する。所定の時間が経過していないと判定したときは、ステップＳ２１に戻り、再びオゾンガスを注入して、クリーニング処理を継続する。クリーニング制御部２０９が切り換えスイッチＳＷを制御してオゾンガス供給装置で発生させたガスをコラム１００内に注入するようにする。

なお、上記処理の説明では、オゾンガス及びアンモニアガスの両方を使用していたが、コラム１００内の有機物質が少なくなった後は、オゾンガスの注入を停止して、アンモニアガスだけを注入するようにしてもよい。また、最初だけオゾンガスを注入して露光装置を運転したのち、装置停止まで還元性ガスだけで運転するようにしてもよい。

オゾンガスによるコンタミネーションの除去は、有機物質が多量に存在する場合に有効であるが、有機物質が少なくなった場合にはアンモニアガスだけでも十分にコンタミネーションの発生を抑制できるからである。

また、本実施形態では還元性ガスとしてアンモニアガスを使用しているが、他の還元性のガス、例えば、水素やヒドラジンを使用してもよい。

以上説明したように、本実施形態の電子ビーム露光装置のクリーニング方法では、コラム内に、オゾンガス及び還元性ガスを注入している。従って、コンタミネーションの堆積の程度とクリーニングの程度とが均衡するように、オゾンガス及び還元性ガスが注入されれば、試料上に例えばカーボン等のコンタミネーションの付着を抑制することが可能となる。また、還元性ガスの注入により、コラム内の耐酸化性を有しない各部品が酸化されることがなく、チャージアップによる電界が発生せず、ビームドリフトを防止することができる。よって、電子ビームによる露光を正確に行うことが可能となる。

Claims (4)

1. 電子銃から発生させた電子ビームでウエハステージに載置した試料上に所望のパターンを露光する電子ビーム露光装置において、
   前記電子銃及びウエハステージが収納されているコラム内に還元性ガスを注入する手段と、
   前記コラム内に前記還元性ガスの注入を所定の時間継続して行わせる制御手段と、
   前記コラム内にオゾンガスを注入する手段とを有し、
   前記制御手段は、前記コラム内に前記還元性ガスの注入と前記オゾンガスの注入を同時に所定の時間行わせることを特徴とする電子ビーム露光装置。
2. 前記還元性ガスは、アンモニアガス、水素、又はヒドラジンのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム露光装置。
3. 電子ビーム露光装置の電子銃及びウエハステージが収納されているコラム内に、還元性ガスを注入する工程と、オゾンガスを注入する工程とを含み、
   前記還元性ガスの注入と前記オゾンガスの注入を同時に所定の時間行うことを特徴とする電子ビーム露光装置のクリーニング方法。
4. 前記還元性ガスは、アンモニアガス、水素、又はヒドラジンのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム露光装置のクリーニング方法。

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