JP5340930B2 - マルチビーム荷電粒子光学システム - Google Patents

Description

本発明は、電子ビーム露光システム、走査電子顕微鏡および無走査電子顕微鏡等のような荷電粒子ビームシステムに関する。

本発明は、焦点を合わせた複数の光束（beamlet）を発生させ、荷電粒子ビーム露光において異なる複数の入射角を有する複数のビームの焦点を夫々合わせ、若しくはコマ収差および非点収差のような幾何的な光学収差を最小にするゼロ像面湾曲で装置に描画するためのマイクロレンズアレイに関し、複数の荷電粒子光束を発生させる電流制限開口と、平坦な像面に全ての光束の焦点を合わせるために前記電流制限開口とアライメントされたレンズアレイとを有する。本発明は、マルチ光束検査システムのような、特にマルチ光束マスクレスリソグラフィシステムのような、ターゲット距離を制限された発生源であることが望ましい発散ビームシステムにおいて、最小の光学収差で焦点を合わせた複数の光束を発生させる方法に関する問題を解決する。

マイクロエレクトロニクス、マイクロ加工および材料科学の発展は、荷電粒子ビームリソグラフィおよび検査において絶えず高まる空間分解能およびスループットを必要としている。通常の単一ビームシステムは、クーロン効果に起因するぼやけ（coulomb blur）と低いスループットとを生じる。マルチビーム、マルチコラム、マルチソースを特徴とするいくつかの荷電粒子ビームシステムが、相反する要望を解決するように開発中である。しかし、荷電粒子ビームシステムのスループットを高め、かつクーロン効果に起因するぼやけを避けるために、軸方向のビームのみならず、荷電粒子射出源から射出される発散ビームの軸方向から逸れた（off-axial）ビームの使用も必要とする大きな露光領域が望まれている。焦点を合わせた複数のビームを発生させることができる、即ち異なる複数の入射角を有する複数のビームの焦点を夫々合わせることができるレンズアレイを導入することによって、後に引用される本出願人の先行特許文献によって開示されるように、クーロン効果に起因するぼやけが避けられることができる。同時に、軸方向から逸れた光学収差の精密な制御が望ましい。

特開昭６０−３１２２５号公報、特開昭６０−３９８２８号公報およびJ. Vac. Sci. Technol. B 4(5), Sep/Oct 1986には、光学収差を低減した電子マトリックスレンズが開示されている。このレンズでは、電流制限開口の中心が、この開口と関連したレンズの光軸から最適な位置へとシフトされている。分離プレートで製造された電流制限開口の位置は、光軸に沿って対称的な仮想開口が、軸方向から逸れた複数のレンズに対して全ての光学収差が最小となる位置であるように、選択される。特開昭６０−４２８２５号公報は、補正マトリックスレンズを使用して焦点を変えることによる各レンズの像面湾曲の補正手段を開示している。しかし、非点収差は、入射角の増加に伴い支配的になり、３０ｍｒａｄよりも小さな最大入射角を必然的に制限する。従って、このシステムのスループットも制限される。このシステムのスループットは、許容されるレンズの充填率が小さいことによっても制限される。

本出願人の国際公開２００４／０８１９１０では、発散ブロードビームから、焦点を合わせた複数の光束を形成するレンズアレイが開示されている。この文献の図１０Ａは、レンズアレイの一例の概略を示しているが、電極の位置がビームに関連していなければならないことを示していない。光学収差を低減するために、特定の実施の形態では、軸方向から逸れた複数の光束が光軸に沿ってレンズを通ることができるように、レンズは発生源に対して凹形に形成されている。この解決策では、レンズプレートの曲率が好ましくない技術的な困難性を導いてしまう。また、全ての光束に対する像面が、発生源に対して凹面であるという欠点が含まれる。さらに、レンズアレイと空間フィルタとの間のアライメントに困難性があり、実際、この文献では、電流制限開口の構造体は平面であることが教示されている。

本発明の特定の目的は、上述の国際公開文献の後半に概念的に開示されたようなマイクロレンズ構造体を実現することである。

本発明のさらなる目的は、代わって、特に、上述の第１の先行特許文献に開示されたようなレンズ構造体に関する改良されたレンズ構造体を実現することである。

また、本発明の他の目的は、発散ビームに配置されたマイクロレンズに対して平坦な像面を形成することである。

本発明のさらなる目的は、実現されたレンズアレイに対する像の光学収差を最小にすることである。

本発明の他の目的は、少なくとも１つの発散荷電粒子ビームで、発生源から射出される荷電粒子ビームシステムの分解能を改良することである。

さらに、この発明の他の目的は、このような荷電粒子ビームシステムのスループットを改良することである。

さらに、この発明のさらなる他の目的は、ビームの均一性を制御することである。

これら目的の少なくとも一部を果すために、本発明は、請求項１に規定されるような荷電粒子光学システムに関する。本発明に係わるこの処理に関して、有効電界の高さは、像の光学収差の最適下限条件で、レンズ部分を通る光束を有効に有する可能性をかなり低減させるような、従来のマイクロレンズ構造体に関する多くの要因を減少させる。本発明に係われば、処理を十分に最適化することが可能であるが、これは、新たなレンズおよび有効電界のサイズのオーダ内の変化でレンズを寸法決めすることによって果されるであろう。即ち、このようなことによって、従来技術と効果的に全く異なり、従来技術で受ける処理よりも基本的な原理で、ここに説明されるような極めて小さなオーダ内に留まるであろう。

さらに、本発明は、荷電粒子ビームシステムにおいて異なる複数の荷電粒子光束を発生させるための、若しくは異なる複数の入射角を有する複数のビームの焦点を夫々合わせるための装置に関する。この装置は、
ａ） 発散荷電粒子ビームを複数の荷電粒子光束に分割するために、レンズアレイの前または後に位置された電流制限開口アレイと、
ｂ） 平面内に異なる複数の入射角を有する複数の光束の焦点を夫々合わせるための複数のレンズを有するレンズアレイとを具備し、
ｃ） 仮想開口が、光軸に沿って対称的であり、かつ例えば必ずしもではないが中心に配置されることによって生じる光学収差に関して、レンズ内に最適に位置されるように、前記電流制限開口は、特定の入射角を有する光束に対するレンズアレイのレンズとアライメントされている。

このようにして、単位面積当たりの十分な光束で、発生源からターゲット面に射出された発散電流を最大限に使用することによって、スループットを改良することが可能である。さらに、光束当たりの十分に大きな電流を有することは、各レンズに対する光学収差を最小にすることによって可能な本発明の基本的な見識および目的に従う。全体の光学収差を最小にすることによって、光束の開口角を大きくすることが可能となり、好ましくは電流を増加させる。また、光学収差および電流に対する複数の光束の均一性は、レンズアレイの複数のレンズのパラメータを調節することによって制御されることができる。

一実施の形態では、電流制限開口は、レンズアレイの各レンズとアライメントされている。本発明に係われば、好ましくは、電流制限開口は、最初または最後のレンズ電極と同じプレートに製造されているが、分離プレートに製造されていても良い。電流制限開口は、自由界領域（field free region）に配置されるが、直径、さらに一般的には電流制限開口の使用される表面積のサイズ、大きさおよび強度は、特に、レンズアレイの中心への距離の関数として、ビームの電流の均一性に対して変化することができる。

さらに詳しくは、レンズアレイは、数十マイクロメートルより小さな間隔である２つの平面電極からなる。２つの電極は、互いに関連してアライメントされている。２つの電極のボアの直径、一般的にはボアのサイズは、レンズの電界が代わって示された複数のレンズ開口、複数のレンズの孔に深く入り込むのを制限するように、電極の厚さと同じか、電極の厚さよりも小さい。円柱状の開口の特定の実施の形態では、レンズのサイズ、直径が、像面湾曲の補正のために、軸方向から逸れたレンズに対して大きくされている。

他の実施の形態では、レンズアレイは、複数のレンズの孔に面した少なくとも２つの、好ましくは３つのマクロ電極を有する単一の平面電極からなる。第１の電極は、開口レンズ電極と同じポテンシャルか、これよりも高いポテンシャルを有する。一方、第２の電極は、第１の電極よりも高いポテンシャルを有する。さらに、第３の電極は、第２の電極よりも低いポテンシャルを有する。開口レンズの直径は、レンズの電界が複数のレンズの孔に深く入り込むのを制限するように、レンズ電極の厚さよりも小さい。さらに詳しくは、複数のマクロ電極から入り込む電界を実現させることは、開口レンズの複数の孔にこの開口レンズによる効果を与え、開口レンズアレイの軸方向から逸れた開口レンズの強度は、開口レンズの前に中心のレンズよりも弱い電界を有することによって弱められる。このようにして、軸方向から逸れたレンズで比較的大きな焦点距離を使用することによって、像面湾曲が補正される、即ち像面が平面で与えられる。好ましくは、このレンズの直径は、像面湾曲の補正のために、軸方向から逸れたレンズに対して大きくされている。

さらなる他の実施の形態では、レンズアレイは、３つの平面電極を有し、開口角制限開口が、分離プレートに形成されている。前記３つの電極は、特定の入射角を有するビームの中心が各電極の中心を通るようにして、アライメントされている。好ましくは、例えば直径によって表されるこのレンズの孔の断面のサイズは、像面湾曲の補正のために、軸方向から逸れたレンズに対して大きく形成されている。

さらに詳しくは、特定の実施の形態に関係なく、複数のレンズの孔は、非点収差の補正のために、楕円形に形成されている。これに関連して、原理的には、実施の形態として説明される全ての特徴部分でなくても、または本明細書になくても、このような態様が組み合わせられ得ることが注意されなければならない。

レンズアレイの各形式に対して、異なるマイクロ加工プロセスの流れが、高い生産性および良いレンズ性能を果すように、ここに説明されていない詳細によって発達している。さらに、本発明は、以下の段落で規定されるような代わりの形態とすることもできる。

制限されたレンズの電界に対するマイクロレンズでは、２電極レンズの場合、２つの電極の間の間隔は、数十マイクロメートルよりも小さい。また、楕円形の場合、レンズのボアの直径は、レンズ電極の厚さよりも小さい。さらに、開口レンズアレイの場合、レンズの直径は、電極の厚さよりも小さい。このようにして、３次の光学収差、特にコマ収差および非点収差が、軸方向から逸れた複数の光束に対して最小にされるであろう。

軸方向から逸れた複数の光束に対して、物体の比較的大きな間隔による１次の像面湾曲は、レンズアレイの各レンズが同じ像面に光束の焦点を合わせるように、軸方向から逸れたレンズの複数の孔の半径を大きくすることによって補正される。

代わって、開口レンズアレイに対して、像面湾曲は、開口レンズアレイと同じポテンシャルか、これよりも高い第１のマクロ電極のポテンシャルで、レンズ開口に面した３つのマクロ電極を加えることによって補正されることができる。この構成は、開口レンズアレイの前に、曲線の等ポテンシャル面を導く。この等ポテンシャル面の曲率は、中心のレンズよりも軸方向から逸れたレンズに対して小さな開口レンズの強度を導き、このようにして、像面湾曲が補正されることができる。

上述の装置は、シフトされた複数の電流制限開口を有する開口レンズ、ＳＯＩウェハ（絶縁体の上にシリコンが設けられたウェハ）でできた２電極マイクロレンズアレイ、または２つのウェハの結合による２電極マイクロレンズアレイであることができる。

代わって、３電極レンズアレイが、複数の光束を発生させるために、または異なる複数の入射角を有する複数のビームの焦点を夫々合わせるために、使用されることができる。これらレンズ電極は、ビームの中心が各電極の中心を通るようにして曲げられている。像面湾曲は、レンズアレイの軸方向から逸れたレンズの半径を大きくすることによって補正されることができる。楕円レンズの複数の孔が、光学収差を補正するために使用されても良い。この場合、電流制限開口は、分離プレートで形成されている。

上述の複数の電流制限開口および最初または最後のレンズ電極は、１つのウェハでできており、光リソグラフィによってアライメントされている。上述の複数の電流制限開口は、レンズのボアの直径を電極の厚さよりも小さく限定することによって、自由界領域にある。電流制限開口の直径は、光束の電流の均一性に対して変化することができる。

本発明は、例として、本発明に係わる荷電粒子光学システムの以下の実施の形態によりさらに説明される。

図１は、レンズとビーム電流制限開口とを有するレンズシステムを通る荷電粒子、即ち光学ビームの概略図である。 図２は、２つのウェハの結合によって形成された２電極マイクロレンズと、シフトされた複数の開口とを示している。 図３は、ＳＯＩウェハでできた電極を有し、図２の実施の形態の代わりの実施の形態を示している。 図４は、シフトされた電流制限開口を有する２つの等しい組み合わせられた開口レンズを概略的に示している。 図５は、３つのマクロレンズと組み合わせた開口レンズアレイの実施の形態を示している。 図６は、図５の３つのマクロレンズと組み合わせた開口レンズアレイの実施の形態において、レンズアレイの位置の所で同じであると考えられる等ポテンシャル線を示している。 図７は、シフトされた複数の電極を有するマイクロアインツェルレンズを示している。 図８は、像面湾曲の補正手段を有するマイクロアインツェルレンズアレイを示している。 図９は、従来技術のレンズと本発明に係わるレンズとのサイズおよび構成の違いを示している。

全ての図において、対応する構造体、即ち少なくとも機能の同じ構成を有する部分は、同一の参照符号を付されている。

図１は、電流制限開口ＣＬＡとレンズ２とのアライメントを示している。この電流制限開口は、標準的にはこのような複数の開口ＣＬＡアレイの部分であり、開口プレートＡＰに含まれている。このレンズの電流制限開口ＣＬＡは、仮想開口ＶＡが、レンズ２の中心部に、かつこのレンズの光軸ＯＡに沿って対称的に位置されるように、荷電粒子ビームのようなビーム３に対して所定の入射角αである位置にある。ここで、中央、即ちレンズの中心は、レンズの幾何学的構成上の中心部を意味する。２電極レンズの場合には、レンズの中央は２つの電極の中間にあり、３電極レンズの場合には、レンズの中央は中心となる電極の中央にある。また、開口レンズの場合には、レンズの中央は開口の端面にある。さらに、この図は、像面ＩＰを示している。

図２並びに図３には、２電極レンズアレイの２つの例が、簡潔に示されたレンズとして、レンズ構造体５、６の形態で示されている。充填率が代表的には１０％である通常の荷電粒子レンズと比較して、これら２電極レンズの充填率は、コマ収差、非点収差および像面湾曲の著しい増加がなくて、８５％以上であることができる。これらレンズ構造体は、夫々開口プレートＡＰを有する。各開口プレートＡＰは、いわゆる組み込まれた開口レンズアレイを形成するように、ここでは１つの電極に組み込まれている。これらレンズ構造体では、２つの電極は互いにアライメントされている。これらレンズ構造体は、円柱状の複数の孔Ｈｌを示し、孔の直径ｄｌは、第１の電極Ｅ１の厚さＤｅよりも小さい。このような寸法の設定による効果は、図９の上側の図に示されるように、レンズの有効電界Ｅｆが、レンズの孔から出るのを、図９の下側の図に示されているように防ぐことである。前記電流制限開口ＣＬＡは、第１のレンズ電極上に形成され、電界が発生しない領域に配置されている。軸方向から逸れたレンズの孔Ｈｌの半径は、１次像面湾曲を補正するように大きくされており、驚くことに、この半径の変化は、１次像面湾曲を補正するのに十分である以上に、レンズの強度に大きな効果を与えることが明らかとなった。こうすることによって、レンズアレイによって形成される複数の像のサイズは、互いに等しく、さらなる光学収差を引き起こすこともない。

図４では、開口レンズの概略が示されており、電流制限開口ＣＬＡと複数のレンズの孔Ｈｌとを有する開口プレートＡＰは、ウェハの一部でできている。前記電流制限開口ＣＬＡは、前記仮想開口ＶＡが、電極Ｅの端面にあり、かつ光軸に沿って対称的である位置にある。レンズのボアの直径ｄｌは、関連したレンズの電界が複数のレンズの孔Ｈｌに深く入り込むのを制限するために、前記電極の厚さＤｅよりも小さい。図４の右側は、連続するレンズ開口または電極および電流制限開口アレイが、入射する光束の方向に対して逆向きである同様のバージョンを示している。

図５では、開口レンズアレイの一例として、開口レンズに面した３つのマクロ電極ＭＥ１、ＭＥ２並びにＭＥ３を有する、即ち、開口レンズアレイを通る全てのビームが、これらの中心部でマクロ電極ＭＥ１、ＭＥ２並びにＭＥ３を通るような、組み込まれた開口レンズアレイＩＡＬが示されている。第１の電極ＭＥ１は、開口レンズＩＡＬの所でポテンシャルＶ０と同じポテンシャルか、これよりも高いポテンシャルＶ１、即ちＶ０≦Ｖ１である。一方、第２の電極ＭＥ２は、Ｖ１より高いポテンシャルＶ２、即ちＶ２＞Ｖ１である。さらに、第３の電極ＭＥ３は、第２の電極ＭＥ２のポテンシャルＶ２よりも小さいポテンシャルＶ３であり、即ちＶ３≦Ｖ２である。また、図は、この代わりの実施の形態の等ポテンシャル線ＥＰＬを示している。ここでは、複数の開口レンズは、ボアの下端部に、またはレンズの孔Ｈｌに形成されている。互いに、および開口レンズＡＬ，中心開口レンズ、または比較的大きな実施の形態の場合であるようなレンズに局所的に近い等ポテンシャル線は、相対的に軸方向から逸れた開口レンズよりも強いことが、図から明らかである。従って、中心開口レンズは、軸方向から逸れたレンズよりも強く、このような現象が像面湾曲の補正に使用される。実際、軸方向から逸れたレンズの複数の孔の所で大きくされた焦点距離は、少なくともほぼ平坦であるように、通常は湾曲した像面を生じる。望ましくは、代わって付加的に、この像面湾曲も、円形の複数の開口で、軸方向から逸れた開口レンズＡＬに対して大きくした半径ｄｌで、大きくされたレンズサイズを使用して補正される。開口レンズアレイＩＡＬによって形成された像は、平坦な像面ＦＩＰに投射される。

図６は、比較的大きな逆の配置の機能上の等しい一例を示している。複数の電流制限開口が、適切に印加された電圧で、複数の光束３の主方向に対して、前記マクロレンズＭＥ１〜ＭＥ３から下向きに配置されている。図５の一例は、これら光束に複数のマクロレンズのコリメート効果を与え、この例では、この配置は、動作のゼロ強度モードおよびノンゼロ強度モードに設定されることができる。ここでは、ノンゼロモードが図示されており、これは、図５の配置の場合にあるように、対応する焦点を合わせる効果を与え、この電界は、電界の曲面補正として機能するように焦点を合わせた複数のビームを発生させるようにのみ適用される。光学収差は、レンズの屈折パワーに比例するので、従って、マクロレンズがゼロ強度モードで動作するとき、光学収差、特に像面湾曲および色偏向誤差は小さく、即ちゼロ強度のマクロレンズは、過度の光学収差を受けない。

さらに、図６は、より詳細に、前記３つのマクロレンズ構造体への等ポテンシャル線の効果と、マクロレンズＭＥ１〜ＭＥ３の電界効果とを示している。特に、図は、等ポテンシャル線が、最も中心に配置されたレンズの孔に互いにどのくらい近いのか、さらに、軸方向から逸れたレンズの孔の所で互いからどのくらい離れているのかを示している。

図７は、分離開口プレートＡＰに形成された電流制限開口ＣＬＡと、３つの電極Ｅｓ１〜Ｅｓ３とを有する３電極レンズを示している。この電流制限開口ＣＬＡは、仮想開口ＶＡが、中間電極の中心部にあり、かつ各レンズの光軸に沿って対称的であるようにして、３つの電極Ｅｓ１〜Ｅｓ３とアライメントされている。３つの電極Ｅ１〜Ｅ３は、ビームの中心が各電極の孔Ｈｌの中心を通過するようにして曲げられている。

図８には、像面湾曲を補正するように、軸方向から逸れたレンズに対して大きくされたレンズ半径を有する３電極レンズアレイが示されている。このレンズ構造体によって、各レンズの像は、平坦な像面に投射される。本発明に係われば、この処理に加えて、楕円形のレンズの孔Ｈｌが、残りの非点収差を補正するために使用されることができる。

図９は、図の上側部分に、本発明に係わる構造体と比較した、例えば上述の文献J. Vac. Sci. Technol. B 4(5), Sep/Oct 1986の従来技術のレンズ構造体のサイズおよび形態との違いを示している。また、図の下側部分は、円で囲まれた部分の拡大図である。後者から、レンズの孔Ｈｌの断面の最も大きな寸法ｄｌは、レンズ電極の厚さに等しいか、これよりも小さいことが明らかである。一方、レンズの電界は、電極の厚さ内に制限される。

上述のような概念および全ての関連する詳細から離れて、本発明は、当業者によって直接におよび明確に想到され得るような、以下の請求項で規定される全ての特徴部分および添付図面の全ての詳細に関する。以下の請求項では、上述の用語の意味に囚われるというよりも、図の構造体に対応するいかなる参照符号も、請求項のサポートの理由となり、上述の用語の意味を一例として含んでおり、本発明の対象内に含まれる。

Claims (15)

1. 発散荷電粒子ビームを発生させるための荷電粒子発生源と、
   夫々レンズを形成する複数のレンズ開口が設けられ、少なくとも２つの電極を有する静電レンズ構造体とを具備し、
   前記レンズ構造体は、前記発散荷電ビーム内に位置されており、また、
   前記２つの電極により発生される有効な電界は、前記レンズ開口を出ないように、隣接した２つの電極は、前記レンズ開口の直径よりも小さな相互間隔で設けられ、かつ前記レンズ開口の直径は、前記２つの電極の少なくとも一方の厚さよりも小さい、マルチビーム荷電粒子光学システム。
2. 前記２つの電極の間の相互間隔は、１ミリメートルよりも小さい請求項１のシステム。
3. 前記電極の間の相互間隔は、数十マイクロメートルよりも小さい請求項２のシステム。
4. 前記レンズ構造体は、平坦な像面に、複数の光束を収束するように、前記発散ビーム内に位置されている請求項１ないし３のいずれか１のシステム。
5. 前記レンズ構造体の電極の数は、２つである請求項１ないし４のいずれか１のシステム。
6. 電流制限開口を更に具備し、前記レンズ構造体は、全体の光学収差を最小にするような最適な位置に位置する仮想開口が、前記レンズの中心で前記電流制限開口により形成されるように、前記レンズに対してアライメントされている請求項１ないし５のいずれか１のシステム。
7. 前記仮想開口は、各レンズの端面に形成され、前記発散荷電ビームの光軸に沿って対称に位置する請求項１ないし６のいずれか１のシステム。
8. 前記レンズの電界に関するレンズ開口の直径は、前記電界の中心点に関連した前記レン
   ズ開口の間隔の関数である請求項１ないし７のいずれか１のシステム。
9. 前記レンズ構造体は、前記電流制限開口の位置の電流制限開口プレートと組み合わせられて
   おり、この電流制限開口の位置は、組み合わせたレンズ開口の軸方向の投射の制限内で、
   前記組み合わせた電極の中心点に関連したレンズ開口の間隔の関数である請求項６のシス
   テム。
10. 前記電流制限開口は、前記電極の前記中心から前記電流制限開口への大きくされた間隔
    で、関連した前記レンズ開口の中心に対して組み合わせた前記電極の中心点に向かってオ
    フセットされている請求項９のシステム。
11. 前記電流制限開口プレートは、前記レンズに組み込まれた構造体を形成している請求項
    １０のシステム。
12. 前記電流制限開口は、前記発散荷電粒子ビームを複数の荷電粒子光束に分割する請求項
    ９ないし１１のいずれか１のシステム。
13. 前記流制限開口プレートの複数の電流制限開口の少なくとも一部が、システム
    の複数の光束全体に亘って均一な電流分布を得るように配置されている請求項１２のシステム。
14. 電流制限開口の表面積の大きさが、システムの複数の光束に亘る均一な電流分布を得る
    ために、前記電流制限開口プレートの電流制限開口アレイの中心点とレンズ開口との間隔の関数である請求項１２もしくは１３のシステム。
15. 前記２つの電極は、絶縁体の上にシリコンが設けられたウェハでできている請求項１ないし１４のいずれか１のシステム。

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