JP5657460B2

JP5657460B2 - 電子ビーム描画装置

Info

Publication number: JP5657460B2
Application number: JP2011088058A
Authority: JP
Inventors: 亮舩越; 仁嗣櫻井
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2031-04-12
Also published as: JP2012222223A

Description

本発明は、磁場レンズの内部にダイナミックフォーカス用レンズを組み込んだ電磁場レンズを備えた電子ビーム描画装置に関する。

電子ビーム描画装置は材料表面に塗布したレジスト表面を電子ビームで走査し、任意図形のパターンを描画する装置である。近年、半導体デバイスの微細化に伴い、高い描画精度が要求されている。

図４は、高い描画精度を実現するために提案されている電子ビーム描画装置の構成例を示す図である。図４において、１は電子銃であり、電子銃１から放出された電子ビーム２は電子光学系３を介して描画材料７上の所望の位置に細く集束されて照射される。電子光学系３は、静的な磁場レンズ４と、動的な電場レンズ(静電レンズ)５と、偏向器６から構成されている。前記磁場レンズ４は、磁極間隙の位置に磁場が形成され、その磁場の中心位置０に中心を合わせるようにして電場レンズ５が配置される。

８は電場レンズ５の強度を制御する電場レンズ制御回路、１０は前記描画材料７を載せて移動するステージである。１１は描画装置全体を制御する制御装置であり、電場レンズ制御回路８、前記磁場レンズ４を制御する磁場レンズ制御回路１２、前記偏向器６を制御する偏向器制御回路１３、前記ステージ１０の移動を制御するステージ駆動制御回路１４にてそれぞれ制御する。

前記電場レンズ５は、詳細を図５(ａ)に示すように、円筒状の電極が電子ビーム２の軸上に沿って３段に重ねられた、一般にアインツェルレンズ（Einzel Lens）と呼ばれる構造を有している。図５(ａ)において、電場レンズ５は、上段電極５ａと中間電極５ｂと下段電極５ｃとから構成され、磁場レンズ４の内側に形成される磁場の中心位置０に中間電極５ｂの中心を合わせるようにして配置される。

前記上段電極５ａと前記下段電極５ｃは接地電位とされ、前記中間電極５ｂに電圧を印加することにより、図５(ｂ)に示されるような中間電極を中心とする電場が形成され、印加電圧を変化させることにより、レンズ強度を変化させることができる。

前記中間電極５ｂには、電場レンズ制御回路８から制御信号が供給され、この制御信号により電場レンズ５のレンズ強度が、偏向器６による照射位置の変化に応じて動的に変化される。

このように構成された電子ビーム描画装置における描画作業は、以下のように行われる。先ず、ステージ駆動制御回路１４は制御装置１１からの指令に基づいてステージ位置信号を作成して、描画材料７上の所望の描画フィールド９の中心が電子光学系３の電子光学軸上に来るようにステージ１０の位置を制御する。

次に、前記制御装置１１からの指令により前記磁場レンズ制御回路１２は磁場レンズ制御信号を作成し、電子ビーム２が描画材料７上に結像(フォーカス)されるように前記磁場レンズ４を制御する。同時に、前記制御装置１１からの指令により偏向器制御回路１３は偏向信号を作成し前記偏向器６に供給するので、電子ビームは、前記制御装置１１から指令された描画材料上の位置に照射される。この時、電場レンズ制御回路８は、前記制御装置１１からの指令により、電子ビームの偏向量に応じて合焦点位置を補正するように電場レンズを制御する制御信号を作成し電場レンズ５の中間電極５ｂに送る。これにより、描画フィールド内で、電子ビームの偏向量に応じて電場レンズ強度が調整されるので、電子ビームは描画フィールド内のどの位置でもフォーカスずれを起こすことなく結像されることになり、描画精度の向上が図られる。

しかも、電場レンズ５は、磁場レンズ４よりも高速応答が可能であるため、描画速度が高まるにつれて偏向器６による照射位置の変更が高速に行われるようになっても、それに追従して高速でダイナミックフォーカスを行うことができる。

US Patent４,７０１,６２０ US Patent４,２４５,１５９

さて、前述のような構成を採用した電子ビーム描画装置において、電子ビームが偏向信号によって指定された位置に照射されないことがあることが判明した。これは、描画精度が低下する要因となる。

本発明者は、検討を重ねた結果、電子ビームの位置ずれの主な原因が、電場レンズを構成する中間電極５ｂ内に蓄積されたイオンガスによる不正偏向にあることを見出した。以下、このような電子ビームの位置ずれ発生のメカニズムについて説明する。

図５(ａ)に示すように、電場レンズ５の中間電極５ｂに印加される電圧は、偏向器６による偏向量がゼロで電子ビーム２が直進して描画対象フィールド９の中心に照射される時を基準として０Ｖに設定される。この時の電場レンズのレンズ強度はゼロであり、電子ビームは、磁場レンズ４により描画対象フィールド９の中心にフォーカスされる。

そして、電子ビーム２が描画フィールド中心から描画フィールドの端部側に偏向器６により偏向照射される場合には、電子ビームの経路が中心に照射される時よりも長くなり材料に到達する前にフォーカスしてしまう。これを防ぐため、中間電極５ｂに正の電圧が印加される。この電圧印加により電場レンズには凹レンズ場が形成され、それによって電子ビームのフォーカス位置が前方に移動し、材料に到達するところでフォーカスさせることが可能となる。電子ビームが描画材料上の描画フィールドの端部付近に照射される場合に経路が最大になるので、電場レンズ５の中間電極５ｂに印加される正電圧も最大となる。

このように、偏向量に応じてフォーカスを補正する電圧を中間電極５ｂに印加することによりダイナミックフォーカスを行うことができるが、中間電極５ｂに電圧が印加された時の電場レンズ５の軸上電位ポテンシャル分布は、図５(ｂ)に示すようになる。すなわち、中間電極５ｂの内部で正の高い電位ピークＶpを示し、上段電極５ａ及び下段電極５ｃに向かって０電位に近づく。このような軸上電位分布を示す電場レンズ５内では、上段電極５ａと中間電極５ｂとの間の空間と、中間電極５ｂと下段電極５ｃとの間の空間に電位差が生じる。

この円筒型の中間電極５ｂの一部カットモデルを図６(ａ)に示し、該電極５bの内部に生成される電位ポテンシャルを図６(ｂ)に示す。

図６(ｂ)から分かるように、中間電極５ｂ内部の電位ポテンシャルは、電極中央部付近で高くなる。中間電極５bの内部に負電荷を有するイオンガス２０が存在した場合、イオンガス２０が電極外に出るには電極両端の開口部を通るしかないが、電極両端の出入口付近での電位差はイオンガス２０に対して電位の壁２１として働く。

このことは、電子ビームを描画対象フィールドの端部にフォーカスし、偏向時のフォーカスずれを中間電極５ｂに負電圧を印加して凸レンズで補正する場合、正電荷を有するイオンガスに対しても同様である。

一方、中間電極５ｂは、磁場レンズ４がつくる磁場の中心位置に配置されているため、円筒形の中間電極５ｂの中央部分に、円筒の軸方向に並行な磁場が存在し、加えて中間電極の両端部に電位の壁が発生した場合、このような系は、図７に示されるようなリング電極Ｒと一対のエンドキャップ電極ＥＣと磁場Ｂから構成されるイオントラップに近似することができる。

すなわち、円筒形ではあるが中間電極５ｂがリング電極Ｒに相当し、前記電位の壁２１が一対のエンドキャップ電極ＥＣに相当し、磁場が磁場Ｂに相当する。このため、図８に示すように、磁場レンズ４の発生する磁場に重なるように配置される中間電極５bの内部に電荷を有するイオンガス２０が存在した場合、イオンガス２０は、中間電極５ｂの中央部分にトラップされることになる。イオンガスは、残留ガスと電子ビーム２との直接の衝突、あるいは、電子ビーム２が電子光学系を通過する際に照射される絞りなどの部材から発生する反射電子や２次電子などとの衝突により電子ビームの経路に沿って継続的に発生されており、中間電極５ｂ内でも発生する。この中間電極５ｂ内で発生したイオンガスは、中間電極５ｂに電圧が印加されていなければ、あるいは印加されても短時間であれば両端部分から外部に拡散し、中間電極５ｂ内部にとどまることはない。

しかしながら、描画フィールドの端付近にパターンを描画するため、電子ビームが端付近に継続して照射されると、中間電極５ｂへの電圧印加が長引くことになる。そのため、上述したイオントラップ動作の継続によりイオンガスが中間電極５ｂの中央部に集中的に滞留し、その電荷により中間電極５ｂ内を通過する電子ビーム２が不正偏向されることになる。

図９は、中間電極５ｂへ最大電圧を継続的に印加した場合の、印加時間［ｓ］と電子ビームの位置ずれ量［nm］との関係を表す図である。電圧印加開始から0.1秒で100nm程度の位置ずれが発生しており、これはnmオーダーの精度で微細描画を行う電子ビーム描画装置においては、異常描画の原因となり得る。

本発明はこのような課題に基づいてなされた新規な電子ビーム描画装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本願における第１の発明は、電子ビームを発生する電子ビーム源と、該電子ビームを描画材料上に集束させるための磁場を発生する磁場レンズと、該磁場レンズ内に配置され、電子ビームの描画材料上への集束状態を変化させるための電場レンズであって、前記電子ビームが内部を通過する円筒型の中間電極と、該中間電極の上流側に配置される上段電極と、該中間電極の下流側に配置される下段電極とから構成される電場レンズとを備えることを特徴とする電子ビーム描画装置において、前記磁場レンズが形成する磁場の中心に合わせて前記中間電極が配置され、且つ該中間電極は、少なくとも一方の端部側が延長されており、前記磁場レンズが形成する磁場の最高強度の１５％以下となる位置に該端部が位置することにより、前記磁場レンズが形成する磁場と該端部位置に形成される電位の壁とによりイオントラップが形成されないことを特徴とする。また、本願における第２の発明は、電子ビームを発生する電子ビーム源と、該電子ビームを描画材料上に集束させるための磁場を発生する磁場レンズと、該磁場レンズ内に配置され、電子ビームの描画材料上への集束状態を変化させるための電場レンズであって、前記電子ビームが内部を通過する円筒型の中間電極と、該中間電極の上流側に配置される上段電極と、該中間電極の下流側に配置される下段電極とから構成される電場レンズとを備えた電子ビーム描画装置において、前記磁場レンズが形成する磁場の中心に合わせて前記中間電極が配置され、且つ該中間電極内の前記磁場レンズが形成する磁場の中心となる位置に、電子ビームの通過を制限する絞りが該中間電極と一体に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、磁場レンズ内における電場レンズを構成する中間電極の長さ及び配置を工夫したり、電場レンズの中間電極の内部の中央に絞りを設け、電場レンズ内部でイオンガスの蓄積を阻止させるようにしたので、描画材料の描画フィールドの端付近のパターンを描画する時に発生する電子ビームの位置ずれ防止することができる。

本発明の実施の形態１における電磁場レンズの部分の構成を示す図である。本発明における中間電極５ｂ´へ電圧を継続的に印加した場合の、印加時間と一次電子ビームの位置ずれ量との関係を示す図である。図３(ａ)は本発明の実施の形態２における磁場レンズと電場レンズの部分の構成を示す図、図３(ｂ)は中間電極５ｂ″の形状を説明するための図である。従来例における電磁場レンズを備えた電子ビーム描画装置の構成例を示す図である。図５(ａ)は電場レンズの構成を示す図、図５(ｂ)は電場レンズが生成する電位ポテンシャルを示す図である。図６(ａ)は中間電極５ｂの一部カットモデルを示す図、図６(ｂ)は中間電極５bの内部に生成される電位ポテンシャルを示す図である。リング電極Ｒと一対のエンドキャップ電極ＥＣと磁場Ｂから構成されるイオントラップを説明するための図である。従来例における電磁場レンズの部分の構成を示す図である。従来例における中間電極５ｂへ電圧を継続的に印加した場合の、印加時間と一次電子ビームの位置ずれ量との関係を表す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態１は、前記検討に基づき、従来例の構成に加えて、磁場レンズ内における電場レンズを構成する中間電極の長さおよび配置を工夫することにより、電場レンズ内部でイオンガスの蓄積を阻止させるようにしたものである。

図１は本実施の形態１における電磁場レンズの部分の構成を示す図である。図１において、磁場レンズ４内には、電場レンズ５′が磁極間隙に形成される磁場の位置に合わせて配置される。電場レンズ５′は、上段電極５aと中間電極５b′と下段電極５cとから構成され、中間電極５b′が磁場の最大強度となる部分にかかるように配置されることは、従来例と変わっていない。図８の従来例の構成と異なるのは、中間電極５b′が長くなっていることであり、その結果、中間電極５b′は、上端部が従来例よりも上方に位置するようになっている。上段電極５aも、中間電極５b′が上方に延長された分上方に移動している。

このような構成を採用すると、電場レンズ５′の中間電極５b′の長さを延長した分だけ、中間電極５b′の上端側の電位の壁２１′の位置が上方に移動し、中間電極５b′内部の電位ポテンシャルが広がる。併せて、上端位置における磁場の強度は、従来の場合に比べて大幅に低下する。そのため、電位の壁２１′と磁場の双方に囲まれてイオンがトラップされる空間が無くなり、中間電極５b′内でイオンガス２０が比較的自由に移動分散することができるようになる。このため、イオンガスは中間電極５b′の上端部の部分から外部に散逸するので、中間電極５b′の内部にイオンガスが蓄積することがない。その結果、電子ビームが描画フィールドの端付近に継続して照射され中間電極５ｂ´への電圧印加が長引いた場合であっても、一次電子ビームの位置ずれを防止することができる。

図２は、実施の形態１について、図９と同様に中間電極へ最大電圧を継続的に印加した場合の、印加時間［ｓ］と電子ビームの位置ずれ量［nm］との関係を表す図である。図９に比べて、印加時間が長くなっても電子ビームの位置ずれ量が小さくとどまり増加しないことが分かる。

なお、上記例では、従来に比べて中間電極５b′を上方に延長したが、下方に延長するようにしても同じ効果が得られ、場合によっては、上方にも下方にも延長するようにしても良い。

発明者の検討によれば、中間電極５b′の端部における磁場の強度は、磁場の最大値の１５％以下であれば、イオンをトラップする場が中間電極内に実質的に形成されない。従って、中間電極５b′は、磁場の最大強度となる部分にかかるように配置され、且つ、上端、下端の内の少なくとも一方が、磁場の最大値の１５％以下の強度を示す位置に届くような長さを持つことが好ましい。
（実施の形態２）
本実施の形態２に係る発明は、電場レンズの中間電極の内部の中央に絞りを設け、荷電粒子が捕捉される空間を制限し、電場レンズ内部でイオンガスの蓄積を阻止させるようにしたものである。図３(ａ)は本実施の形態２における電磁場レンズの部分の構成を示す図である。図３(ａ)において、磁場レンズ４内には、電場レンズ５″が磁極間隙に形成される磁場の位置に合わせて配置される。電場レンズ５″は、上段電極５aと中間電極５b″と下段電極５cとから構成され、中間電極５b″が磁場の最大強度となる部分にかかるように配置されることは、実施の形態１と変わっていない。実施の形態１と異なるのは、図３(ｂ)に示すように中間電極５b″の中央部を細く形成し、その部分に電子ビームの通過を制限する絞り３０を設けた点である。中間電極５b″は、この絞り３０が、磁場レンズ４が形成する磁場の中心に位置するように配置される。

このような構成とすれば、ダイナミックフォーカスが動作しているとき、電場レンズ５″の中間電極５b″内部の絞り３０の付近では、前述した電位の壁と磁場レンズ４による磁場によってイオンをトラップする空間が形成される。しかし、この空間は絞り３０により極めて狭い範囲に限られるため、イオンガスの蓄積量は減少し、結果的にこの絞り部分を通過する電子ビームに与える不正偏向の影響は極めて小さい。

１…電子銃、２…電子ビーム、３…電子光学系、４…磁場レンズ、５，５′，５″…電場レンズ、５a…上段電極、５b，５b′，５b″…中間電極、５c…下段電極、６…偏向器、
７…描画材料、８…電場レンズ制御回路、９…描画フィールド、１０…ステージ、１１…制御装置、１２…磁場レンズ制御回路、１３…偏向器制御回路、１４…ステージ駆動制御回路、２０…イオンガス、２１…電位の壁、３０…絞り

Claims

電子ビームを発生する電子ビーム源と、該電子ビームを描画材料上に集束させるための磁場を発生する磁場レンズと、該磁場レンズ内に配置され、電子ビームの描画材料上への集束状態を変化させるための電場レンズであって、前記電子ビームが内部を通過する円筒型の中間電極と、該中間電極の上流側に配置される上段電極と、該中間電極の下流側に配置される下段電極とから構成される電場レンズとを備えた電子ビーム描画装置において、前記磁場レンズが形成する磁場の中心に合わせて前記中間電極が配置され、且つ該中間電極は、少なくとも一方の端部側が延長されており、前記磁場レンズが形成する磁場の最高強度の１５％以下となる位置に該端部が位置することにより、前記磁場レンズが形成する磁場と該端部位置に形成される電位の壁とによりイオントラップが形成されないことを特徴とする電子ビーム描画装置。
電子ビームを発生する電子ビーム源と、該電子ビームを描画材料上に集束させるための磁場を発生する磁場レンズと、該磁場レンズ内に配置され、電子ビームの描画材料上への集束状態を変化させるための電場レンズであって、前記電子ビームが内部を通過する円筒型の中間電極と、該中間電極の上流側に配置される上段電極と、該中間電極の下流側に配置される下段電極とから構成される電場レンズとを備えた電子ビーム描画装置において、前記磁場レンズが形成する磁場の中心に合わせて前記中間電極が配置され、且つ該中間電極内の前記磁場レンズが形成する磁場の中心となる位置に、電子ビームの通過を制限する絞りが該中間電極と一体に設けられていることを特徴とする電子ビーム描画装置。
前記上段電極と下段電極は接地電位とされると共に、前記中間電極に電子ビームの集束状態を調整するための電圧が印加されることを特徴とする請求項１又は２記載の電子ビーム描画装置。