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

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 Download PDF

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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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