JP6779847B2 - 荷電粒子装置、荷電粒子描画装置および荷電粒子ビーム制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、荷電粒子装置、荷電粒子描画装置および荷電粒子ビーム制御方法に関する。

電子ビーム等の荷電粒子ビームを用いた描画装置は、本質的に優れた解像性能を有するため、高集積の半導体製造プロセス等で用いられている。この種の描画装置では、試料面に荷電粒子ビームを照射して試料面にパターンを形成する。その際、試料面に荷電粒子ビームを照射する照射時間は、試料面の電流密度が大きい程短くなり、描画のスループットを向上させることができる。

試料面の電流密度を大きくするには、荷電粒子ビームを高温にしなければならない。しかしながら、カソードを高温に設定すると、カソードの材料の蒸発が促進され、描画中にカソードの先端形状が変化して、カソードの寿命が短くなってしまう。

このように、描画のスループットを向上させると、カソードの寿命が短くなる傾向にあるが、カソードの寿命が短くなる要因は、他にもある。電子ビームが電流制限アパーチャなどに衝突するとガスが放出され、このガスが二次電子や散乱電子によりイオン化され、そのイオンがカソードに衝突してカソードの消耗を促進させてしまう。

特開２００１−３１２９８６号公報

本発明が解決しようとする課題は、カソードの長寿命化を図ることができる荷電粒子装置、荷電粒子描画装置および荷電粒子ビーム制御方法を提供するものである。

本実施形態による荷電粒子装置は、荷電粒子ビームを出射するカソードと、前記カソードから出射された荷電粒子ビームを試料面方向に進行させるアノードと、前記アノードを通過した荷電粒子ビームのうち、所定の位置および形状の開口部を通過した荷電粒子ビームを試料面方向に進行させるアパーチャと、前記アノードと前記アパーチャとの間に配置され、前記アパーチャに荷電粒子ビームが衝突することにより発生される所定の極性のイオンと反発し合う極性の第１電位に設定される第１電極と、を備える。

一実施形態による荷電粒子装置の概略的なブロック図。 本実施形態における電子銃から電流制限アパーチャまでの構成を拡大した図。 一比較例における電子銃から電流制限アパーチャまでの構成を拡大した図。 図２Ａにおけるアノードと電流制限アパーチャとの間の電界を模式的に示す図。 図２Ｂにおけるアノードと電流制限アパーチャとの間の電界を模式的に示す図。 図２Ａに更に正イオン捕集用電極５２を追加した図。

以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

以下では、荷電粒子装置の一例として電子ビーム描画装置について主に説明するが、本実施形態による荷電粒子装置は、電子ビーム描画装置に限定されるものではなく、描画後のパターンを検査する検査装置などにも適用可能である。

図１は一実施形態による荷電粒子装置１の概略的なブロック図である。図１の荷電粒子装置１は、具体的には電子ビーム描画装置２である。図１の電子ビーム描画装置２は、描画部３と制御部４とを備えている。描画部３は、試料に所望のパターンを描画するものである。制御部４は描画部３を制御する。

描画部３は、電子鏡筒５と、描画室６とを有する。電子鏡筒５の内部には、電子銃７と、電流制限アパーチャ５１と、照明レンズ８と、ブランキング偏向器９と、ブランキングアパーチャ１０と、第１成形アパーチャ１１と、成形レンズ１２と、成形偏向器１３と、第２成形アパーチャ１４と、縮小レンズ１５と、対物レンズ１６と、副偏向器１７と、主偏向器１８とが設けられている。描画室６の内部には、移動可能に配置されたＸＹステージ１９が設けられている。ＸＹステージ１９には、照射される電子ビームの電流を測定するためのビーム吸収電極（ファラデーカップ）２０が設けられている。ＸＹステージ１９上には、描画対象となる試料が載置されている。試料は、半導体ウエハにパターンを転写する露光用のマスク基板などである。半導体ウエハを試料として用いて、半導体ウエハに直接パターンを描画してもよい。

電子銃７は、カソード２１と、アノード２２と、リターディング電極２５とを有する。カソード２１は、エミッタ２３とウェネルト電極２４を有する。アノード２２は接地されている。アノード電極２２とウェネルト電極２４間には加速電圧−５０ｋＶが印加されている。

リターディング電極２５は、アノード２２よりも電流制限アパーチャ５１側に配置されている。すなわち、リターディング電極２５は、アノード２２と電流制限アパーチャ５１との間に設けられている。リターディング電極２５は、後述するように、電流制限アパーチャ５１に電子ビームが衝突することにより発生したイオン３０がカソード２１側に引き寄せられるのを防止するために設けられている。

電流制限アパーチャ５１は、アノード２２を通過した電子ビームの散乱を抑制させるために設けられている。アノード２２を通過した電子ビームは、電流制限アパーチャ５１の開口部を通過して、ブランキング偏向器９に導かれる。

制御部４は、電子銃電源部３１と描画制御部３２を有する。電子銃電源部３１は、定電流源３３と、可変電圧源３４と、電流計３５と、電圧計３６と、駆動制御部３７とを有する。定電流源３３は、エミッタ２３の両極に所定の加熱電流を流す。可変電圧源３４は、エミッタ２３の両極の中間電圧ノードとウェネルト電極２４との間に所定のバイアス電圧（ウェネルト電圧）を印加する。可変電圧源３４の一端側には、直流電圧源３８を介して、電流計３５が接続されている。電流計３５は、カソード２１に流れるエミッション電流を計測する。また、可変電圧源３４には電圧計３６が並列接続されている。電圧計３６は、上述したバイアス電圧（ウェネルト電圧）を計測する。駆動制御部３７は、電流計３５と電圧計３６の計測結果をモニタするとともに、描画制御部３２の出力信号に基づいて、可変電圧源３４を制御する。

描画制御部３２は、電流密度測定部４１とＰＩＤ制御部４２を有する。電流密度測定部４１は、試料面の電流密度を測定する。ＰＩＤ制御部４２は、電流密度測定部４１で測定した試料面の電流密度に基づいて、エミッション電流の目標値を演算する。演算された目標値は駆動制御部３７に送られる。駆動制御部３７は、ＰＩＤ制御部４２から受け取った目標値に基づき可変電圧源３４を制御する。より具体的には、駆動制御部３７は、目標値に基づいてバイアス電圧を帰還制御する。

次に、図１の電子鏡筒５および描画室６内の動作を説明する。電子銃７から出射された電子ビームは、照明レンズ８により、第１成形アパーチャ１１の全体に照明される。第１成形アパーチャ１１には、矩形の孔が設けられている。よって、電子ビームは、第１成形アパーチャ１１により、矩形形状の第１アパーチャ像に成形される。第１成形アパーチャ１１を通過した第１アパーチャ像の電子ビームは、成形レンズ１２により第２成形アパーチャ１４上に投影される。第２成形アパーチャ１４上での第１アパーチャ像の位置は、成形偏向器１３により偏向制御され、ビーム形状と寸法を変化させることができる。その結果、電子ビームは成形される。第２成形アパーチャ１４を通過した第２アパーチャ像の電子ビームは、縮小レンズ１５で縮小され、対物レンズ１６により焦点を合わせて、主偏向器１８と副偏向器１７により偏向される。その結果、連続移動するＸＹステージ１９上の試料の位置に照射される。

また、試料上の電子ビームが所望の照射量を試料に入射させる照射時間に達した場合、ブランキング制御が行われる。ブランキング制御は、試料上に必要以上に電子ビームが照射されないように、例えば静電型のブランキング偏向器９で電子ビームを偏向するとともに、ブランキングアパーチャ１０で電子ビームをカットする。これにより、電子ビームが試料面上に到達しなくなる。ブランキング偏向器９の偏向電圧は、描画制御部３２によって制御される。また、電子鏡筒５内と描画室６内は、不図示の真空ポンプにより、大気圧よりも低い圧力に維持されている。

図２Ａ及び図２Ｂは電子銃７から電流制限アパーチャ５１までの構成を拡大した図である。図２Ａは本実施形態の構成を示しているのに対して、図２Ｂは一比較例の構成を示している。また、図３は図２Ａにおけるアノード２２と電流制限アパーチャ５１との間の電界を模式的に示す図、図４は図２Ｂにおけるアノード２２と電流制限アパーチャ５１との間の電界を模式的に示す図である。図３及び図４に示された複数の細線は等電位線を表しており、等電位線の垂直方向が電界の方向である。

図２Ｂは図２Ａからリターディング電極２５を省略した一比較例を示している。図２Ａと図２Ｂでは、ウェネルト電極２４の電位を−５０ｋＶ、アノード２２の電位を０Ｖ、電流制限アパーチャ５１の電位を０Ｖとしている。ウェネルト電極２４よりもアノード２２と電流制限アパーチャ５１は高い電位に設定されているため、ウェネルト電極２４を出射した電子ビームは、アノード２２を通って電流制限アパーチャ５１の方向に向かう。電流制限アパーチャ５１は、開口部の径が小さいため、電子ビームの多くは電流制限アパーチャ５１の開口部以外の部分に衝突する。この衝突により、ガスが発生するとともに、二次電子や散乱電子が生じる。ガスは、例えば酸素や水蒸気である。このガスは、二次電子や散乱電子により、イオン３０に分解される。イオン３０には正イオン３０と負イオンがあるが、正イオン３０は、図４に示されるような浸み出した加速電界によりエミッタ側に引き寄せられる。すなわち、アノード２２から電流制限アパーチャ５１の近傍までの広範囲にわたって電界が存在するため、電流制限アパーチャ５１に電子ビームが衝突することにより発生したイオンのうち正イオン３０は、電界に沿ってエミッタ２３側に引き寄せられる。そのため、エミッタに衝突してエミッタを損傷してしまうおそれがある。

これに対して、図２Ａに示す本実施形態の場合、アノード２２と電流制限アパーチャ５１の間にリターディング電極２５が配置されており、このリターディング電極２５は正電位に設定されているため、電流制限アパーチャ５１に電子イオン３０が衝突して発生した正イオン３０はリターディング電極２５と反発し合う。したがって、正イオン３０はエミッタ２３側に引き寄せられなくなる。これにより、エミッタ２３に正イオン３０が衝突しなくなり、カソード２１を長寿命化することができる。

このように、リターディング電極２５の電位をウェネルト電極２４の電位とは逆極性とすることで、ウェネルト電極２４の電位とは逆極性のイオン３０がリターディング電極２５に近づくことを防止でき、結果として、このイオン３０がウェネルト電極２４に引き寄せられるのを防止できる。

これに対して、図３の場合には、電界はリターディング電極２５とグランド電極２６との間に閉じ込められているので、リターディング電極２５とグランド電極２６の間にしか電界は存在せず、しかも電界の向きが図４とは逆になる。よって、正イオン３０は電界の向きと反発し合うことになり、正イオン３０がエミッタ２３側に引き寄せられることはない。

本実施形態では、図２Ａに示すように、リターディング電極２５と電流制限アパーチャ５１との間に、接地電位に設定されるグランド電極２６を配置しているが、このグランド電極２６は必須の部材ではなく、省略してもよい。後述するように、グランド電極２６を設けることで、リターディング電極２５により発生される電界をリターディング電極２５とグランド電極２６との間に閉じ込めることができ、より高い正イオンの遮蔽効果が得られる。

また、グランド電極２６は、必ずしも接地電位に設定される必要はないが、アノード２２と同じ電位に設定するのが望ましい。よって、アノード２２が接地電位以外の電位に設定される場合には、グランド電極２６もアノード２２と同じ電位に設定し、かつリターディング電極２５はアノード２２電位よりも例えば２０Ｖ高い電位に設定するのが望ましい。

なお、電流制限アパーチャ５１に電子ビームが衝突することにより発生したイオンの中には、負イオンも含まれている可能性があるが、負イオンはウェネルト電極２４が負電位であることから、そもそもエミッタ２３側に引き寄せられるおそれはない。よって、正イオン３０がエミッタ２３側に引き寄せられないような対策だけを行えばよい。

図５は図２Ａに更に正イオン捕集用電極５２を追加したものである。正イオン捕集用電極５２は、例えば、リターディング電極２５と電流制限アパーチャ５１との間に配置されている。より具体的な一例としては、正イオン捕集用電極５２は、リターディング電極２５と電流制限アパーチャ５１との間の電流制限アパーチャ５２の近傍に配置されている。

図５では、電流制限アパーチャ５１の近傍に円環状の正イオン捕集用電極５２を配置した例を示している。なお、正イオン捕集用電極５２の配置場所と形状は任意である。また、複数の正イオン捕集用電極５２をリターディング電極２５の近傍に配置してもよい。

正イオン捕集用電極５２は、リターディング電極２５の電位の極性とは逆極性の電位に設定される。図５では、正イオン捕集用電極５２を負電位（例えば−２０Ｖ）に設定する例を示している。電流制限アパーチャ５１に電子ビームが衝突することにより発生したイオン３０のうち正イオン３０は、正イオン捕集用電極５２が負電位に設定されていることから正イオン捕集用電極５２に引き寄せられ、結果として、エミッタ２３側に正イオン３０が引き寄せられなくなる。

本実施形態では、正イオン捕集用電極５２をリターディング電極２５と併用することを想定している。これにより、リターディング電極２５だけでは防止できなかったエミッタ２３側に引き寄せられる正イオン３０を、正イオン捕集用電極５２にて捕集することができ、エミッタ２３側に引き寄せられる正イオン３０の数をさらに削減でき、正イオン３０の衝突によるカソード２１の損傷をより確実に防止できる。

このように、本実施形態では、アノード２２と電流制限アパーチャ５１との間にリターディング電極２５を設けて、リターディング電極２５を正の電位に設定するため、電流制限アパーチャ５１に電子ビームが衝突することにより発生した正イオン３０がリターディング電極２５と反発し合うことから、正イオン３０がエミッタ２３側に引き寄せられなくなる。これにより、電流制限アパーチャ５１に電子ビームが衝突することにより発生した正イオン３０がカソード２１に引き寄せられなくなり、正イオン３０の衝突によるカソード２１の損傷を防止できることから、カソード２１の長寿命化を図ることができる。

また、リターディング電極２５と電流制限アパーチャ５１との間にグランド電極２６を設けて、グランド電極２６をアノード２２と同じ電位に設定することにより、リターディング電極２５によって発生する電界をリターディング電極２５とグランド電極２６との間に閉じ込めることができ、リターディング電極２５が本来の電子ビームの進行を妨げなくなる。

さらに、リターディング電極２５と電流制限アパーチャ５１との間に正イオン捕集用電極５２を設けて、この電極を負電位に設定することにより、リターディング電極２５だけでは防げなかったエミッタ２３側に向かう正イオン３０の少なくとも一部を正イオン捕集用電極５２にて捕集することができ、カソード２１にイオン３０が衝突する頻度をさらに低減でき、さらなるカソード２１の長寿命化を図れる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 荷電粒子装置、２ 電子ビーム描画装置、３ 描画部、４ 制御部、５ 電子鏡筒、６ 描画室、７ 電子銃、８ 照明レンズ、９ ブランキング偏向器、１０ ブランキングアパーチャ、１１ 第１整形アパーチャ、１２ 成形レンズ、１３ 成形偏向器、１４ 第２成形アパーチャ、１５ 縮小レンズ、１６ 対物レンズ、１７ 副偏向器、１８ 主偏向器、１９ ＸＹステージ、２０ ビーム吸収電極、２１ カソード、２２ アノード、２３ エミッタ、２４ ウェネルト電極、２５ リターディング電極、２６ グランド電極、３０ 正イオン、３１ 電子銃電源部、３２ 描画制御部、３３ 定電流源、３４ 可変電圧源、３５ 電流計、３６ 電圧計、３７ 駆動制御部、４１ 電流密度測定部、４２ ＰＩＤ制御部、５１ 電流制限アパーチャ、５２ 正イオン捕集用電極

Claims (5)

1. 荷電粒子ビームを出射するカソードと、
   前記カソードから出射された荷電粒子ビームを試料面方向に進行させるアノードと、
   前記アノードを通過した荷電粒子ビームのうち、所定の位置および形状の開口部を通過した荷電粒子ビームを試料面方向に進行させるアパーチャと、
   前記アノードと前記アパーチャとの間に配置され、前記アパーチャに荷電粒子ビームが衝突することにより発生される所定の極性のイオンと反発し合う極性の第１電位に設定される第１電極と、を備え、
   前記アノードは接地電位に設定される、荷電粒子装置。
2. 荷電粒子ビームを出射するカソードと、
   前記カソードから出射された荷電粒子ビームを試料面方向に進行させるアノードと、
   前記アノードを通過した荷電粒子ビームのうち、所定の位置および形状の開口部を通過した荷電粒子ビームを試料面方向に進行させるアパーチャと、
   前記アノードと前記アパーチャとの間に配置され、前記アパーチャに荷電粒子ビームが衝突することにより発生される所定の極性のイオンと反発し合う極性の第１電位に設定される第１電極と、を備え、
   前記第１電極よりも試料面側に前記第１電極に対向して配置され、前記アノードと同じ電位に設定される第２電極を備える、荷電粒子装置。
3. 荷電粒子ビームを出射するカソードと、
   前記カソードから出射された荷電粒子ビームを試料面方向に進行させるアノードと、
   前記アノードを通過した荷電粒子ビームのうち、所定の位置および形状の開口部を通過した荷電粒子ビームを試料面方向に進行させるアパーチャと、
   前記アノードと前記アパーチャとの間に配置され、前記アパーチャに荷電粒子ビームが衝突することにより発生される所定の極性のイオンと反発し合う極性の第１電位に設定される第１電極と、を備え、
   前記アパーチャの周囲に配置され、前記イオンを捕集する第３電極を備える、荷電粒子装置。
4. 前記第１電位は、前記カソードの電位の極性とは逆の極性である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の荷電粒子装置。
5. 荷電粒子ビームを出射するカソードと、
   前記カソードから出射された荷電粒子ビームを試料面方向に進行させるアノードと、
   前記アノードを通過した荷電粒子ビームのうち、所定の位置および形状の開口部を通過した荷電粒子ビームを試料面方向に進行させるアパーチャと、
   前記アノードと前記アパーチャとの間に配置され、前記アパーチャに荷電粒子ビームが衝突することにより発生される所定の極性のイオンと反発し合う極性の所定電位に設定される第１電極と、
   前記アパーチャを通過した荷電粒子ビームを試料面に照射させて描画を行う描画制御部と、を備え、
   前記アノードは接地電位に設定される、荷電粒子描画装置。

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