JPH06163371A

JPH06163371A - 電子線描画装置

Info

Publication number: JPH06163371A
Application number: JP43A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Hayata; 康成早田; Yoshinori Nakayama; 義則中山; Hidetoshi Sato; 秀寿佐藤; Hiroyuki Ito; 博之伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-11-18
Filing date: 1992-11-18
Publication date: 1994-06-10

Abstract

(57)【要約】【目的】可変成形ビーム方式または一括図形照射方式
の電子線描画装置において、高精度な加工を可能にした
電子線成形アパーチァにより、高集積半導体素子の製造
に使用できる高解像度、高スループットの電子線描画装
置を実現する。【構成】電子源９より放射された電子線１０を、第１
および第２アパーチァ１１、１６によって任意の形状に
成形し、縮小レンズ１８、対物レンズ２０によってウェ
ハ２１上に結像させ図形描画を行うが、アパーチァ１
１、１６を電子線１０が十分に透過可能な程度に薄く
し、かつ、アパーチァ１１、１６の下方に孔径の小さい
対物絞り１９を設け、アパーチァ１１、１６の基板を透
過した散乱電子１７を遮断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の製造に用
いられる電子線描画装置に係り、特に、可変成形ビーム
方式、あるいは一括図形照射方式において、高精細な成
形アパーチァを有し、高解像度の図形描画を可能にする
電子線描画装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高スループットの電子線描画装置とし
て、２段の成形アパーチァにより電子線を任意のサイズ
の矩形に成形し露光する可変成形ビーム方式の電子線描
画装置と、描画すべき図形そのものの形状の開口部を有
する成形アパーチァにより電子線を成形して一括図形照
射する方式の装置とがある。この他に、大面積の図形転
写マスクに均一の電子線を照射し、一度に大面積の図形
露光を行う電子線投射型リソグラフィ装置もある。

【０００３】ところで近年、半導体素子の高集積化に伴
い、０．１μｍオーダの極めて微細な図形の描画が必要
になりつつある。したがって、上記の電子線描画装置に
おいて、電子線を成形するアパーチァは必然的に高精細
なものとなり、かつ高精度の加工技術が要求されてい
る。

【０００４】これらの成形アパーチァとして、従来は、
電子線を完全に遮断できる厚さの基板に、必要な形状の
開口部を設けたものが用いられていた。その一例とし
て、たとえば、バキュームサイエンスアンドテク
ノロジ、Ｂ８巻、６号、１１／１２月、１９９０年、１
８３６〜１８４０頁が挙げられる。

【０００５】これに対して、最近、電子線投射型リソグ
ラフィ装置の図形転写マスクとして、電子線に対して比
較的透明な薄膜を支持体として、その上に電子線を大き
く散乱させる重金属で図形を形成したマスクも報告され
ている。この場合は、薄膜を透過した電子線で図形露光
が行われ、重金属部との電子線散乱の違いによって図形
コントラストが作り出されている。これに関しては、バ
キュームサイエンスアンドテクノロジ、Ｂ９巻、６
号、１１／１２月、１９９１年、２９９６〜２９９９頁
に記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記のように、
近年の半導体素子高集積化に伴う高精細な成形アパーチ
ァの要求から、種々の問題が生じつつある。

【０００７】まず、上記の第一の従来技術の厚い基板に
開口部を設ける成形アパーチァでは、たとえば基板材料
としてシリコンを用いた場合、基板の厚さは２０μｍ以
上が必要である。この基板に数μｍ幅の図形を精度よく
孔あけ加工することは、極めて難しい。それに、厚い基
板部では、照射電子線のエネルギーのほぼ１００％が熱
となりアパーチァを加熱するので、アパーチァ自身の耐
久性の問題やその他に、熱膨脹によるアパーチァの位置
ドリフトなどの問題が生じている。特に、最近は用いる
電子線の加速電圧が次第に高くなる傾向にあるため、ア
パーチァ基板の厚さは、むしろ厚くなる方向であり、以
上の問題は増々深刻なものとなりつつある。

【０００８】一方、上記の第二の従来技術である電子線
投射型リソグラフィ装置用の薄膜支持体による図形転写
マスクでは、入射電子線の殆ど１００％はマスクを透過
してゆくため、発熱の問題は軽減されている。しかし、
この場合にも次のような問題が生じる。まず、露光図形
に対応する部分にも薄膜が存在するため電子線に散乱が
生じ、図形部分と図形でない部分との間で明瞭なコント
ラストをつけることが難しい。また、電子線は必ず薄膜
部分を透過するので、この膜による電子線の散乱、吸収
により、電子流密度の低下が生じる。さらに、この薄膜
を透過の際に多少のエネルギー損失を蒙るので、透過電
子線にはエネルギーの幅が生じ、これが色収差となって
投射図形の解像度を低下させる。

【０００９】本発明は、これらの課題を解決するために
なされたもので、可変成形ビーム方式または一括図形照
射方式の電子線描画装置において、高精度の加工が可能
な成形アパーチァにより、高集積半導体素子の製造を可
能にする高解像度、高スループットの電子線描画装置を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、本発明では、まず、成形アパーチァの基板の厚さ
を用いた電子線の飛程よりも十分に薄くし、これに描画
図形に応じた開口部を設ける。具体的には、上記基板の
厚さを電子線の飛程の１／２よりも薄くして、大部分の
電子を透過させる。しかし透過電子にできるだけ大きい
散乱角を与えるために、厚さは、電子の平均自由行程
（電子が物質中で散乱されることなく通過できる距離）
の１０倍以上にする。

【００１１】次に、成形アパーチァの基板部を透過した
電子は描画の妨害要因となるので、これらの電子を露光
するウェハなどの試料面に到達させないために、基板部
を透過した電子を鏡体内で遮断する機構を設ける。その
第一は、図１に示すように、アパーチァ２の下方、開口
部を通過した電子線の焦点面に、孔径の小さい制限絞り
５を設け、開口部を通過した電子線のみを通過させ、基
板部で散乱された電子３は絞り板で取り除く。第二は鏡
体内に、図２に示すように、たとえばＥ×Ｂ型のエネル
ギーフィルタ２６を設け、これにより、エネルギーの一
部を失った減速電子６を制限絞り５によって取除く。

【００１２】また、上記の電子線描画装置では、より高
い解像度を得るために、電子源９として、輝度が高く、
かつ、エネルギー分布のシャープな熱電界放出型電子
銃、あるいはショットキ放出型電子銃を用いる。

【００１３】

【作用】上記の電子線描画装置では、成形アパーチァに
電子線の飛程よりも十分に薄い基板を用いるが、これに
より、まず、アパーチァ基板の電子線照射による加熱を
大幅に低減することができる。電子の物質中でのエネル
ギー損失は電子の飛程附近で最も大きくなるので、アパ
ーチァ基板の厚さを電子の飛程の１／２にすると、アパ
ーチァへのエネルギー堆積量は、照射電子線の約１／４
になる。アパーチァを薄くすると熱伝導は低下するが、
エネルギーの堆積の方がより大きく低下するため、基板
を薄くする程、発熱の問題は緩和される。

【００１４】次に、アパーチァの開口部の加工精度は、
基板の厚さが薄くなるほど高くなる。たとえば、アパー
チァの加工精度が基板の厚さに反比例すると仮定する
と、厚さを１／２にすれば精度は２倍に向上し、描画の
解像度も向上する。いま、アパーチァ基板の材料をシリ
コンとすると、厚さが２０μｍのとき、アパーチァの加
工精度による描画の解像度（ライン＆スペース・パター
ンの解像限界で定義する）は約０．１μｍである。これ
に対して、厚さが８μｍの場合は０．０５μｍ、２μｍ
では０．０３μｍとなる。また、従来は成形アパーチァ
の基板材料として、タングステンやモリブデンなどの金
属は用いられていなかった。それは、金属の場合、加工
精度が著しく低かったためである。しかし本発明によ
り、より薄い材料が用いられるようになると、上記のよ
うな金属でも十分に精度が出せるようになり、使用可能
になる。つまり、基板を薄くすることにより、材料選択
の幅が拡がったことになる。

【００１５】しかし、このようにアパーチァ基板を薄く
すると、基板部に照射された電子線の大部分は基板を透
過してゆく。したがって、これらの透過電子をウェハな
どの試料面に到達させないように、電子光学通路の途中
で遮断する必要がある。ところで、基板部を透過した電
子は基板内部で大きな角度で散乱され、かつ、可成りの
量のエネルギーを失う。したがって、これらの性質を利
用することにより、アパーチァ開口部を通過した電子線
と区別をすることができる。

【００１６】その第一は、図１に示したように、電子線
通路に孔径の小さい制限絞り５を設けることである。ア
パーチァ２の開口部を通過した電子線１は焦点を結んで
全て絞り孔を素通りするのに対して、基板部で大きな角
度で散乱された電子３は絞り面上に拡がり、吸収されて
しまう。その第二は、図２に示したように、エネルギー
フィルタ２６を用いることである。図２はエネルギーフ
ィルタ２６としてＥ×Ｂ方式を用いた場合で、これによ
り、アパーチァ２の基板部を透過する際にエネルギーの
一部分を失った減速電子６は進路が曲げられ、やはり制
限絞り５によって吸収されてしまう。

【００１７】こうしてアパーチァ基板部を透過した電子
は殆ど全て除去され、実際にウェハなどの試料面上に露
光される電子は、成形アパーチァの開口部を通過した電
子線に限られる。このため、露光電子はアパーチァによ
り全く散乱もエネルギー損失も受けていないので、アパ
ーチァによる解像度低下は全く生じない。これが本発明
の、従来技術その二の薄膜を支持体とするマスクに対す
る著しい優位性である。

【００１８】また、電子線描画装置の電子源に熱電界放
出型電子銃やショットキ放出型電子銃を用いると、通常
の熱電子銃に比べて、輝度が数桁も高く、かつエネルギ
ー幅は数分の１程度も狭いので、成形アパーチァの面で
の入射電子線の照射角を極めて小さくすることができ、
かつ、エネルギーフィルタ面でのエネルギー分解能が上
昇するので、アパーチァの開口部を通過した電子線と、
基板部で散乱され、エネルギーを失った電子との分別
が、一層確度の高いものになる。

【００１９】

【実施例】

〔実施例１〕図３に、本発明に係る電子線描画装置の第
一の実施例の構成図を示す。

【００２０】まず、電子源９より放射された電子線１０
は第１アパーチァ１１を照射し、２個の転写レンズ１
３、１５、および成形偏向器１４により、第１アパーチ
ァ１１の像を第２アパーチァ１６の上に形成する。第２
アパーチァ１６の開口部の形状は、可変成形ビーム方式
の電子線描画装置では矩形であり、一括図形照射方式の
場合には、描画図形に見合った種々の形状をしている。
次に、第２アパーチァ１６の開口部を通過した電子線
は、縮小レンズ１８により対物絞り１９の位置に焦点を
結び、対物絞り１９の小孔を通過して、対物レンズ２０
によりウェハ２１上に第２アパーチァ１６の縮小像を形
成する。縮小率は１／２５である。

【００２１】ここで第１および第２アパーチァ１１、１
６の基板の材料はシリコンであり、また、電子線の加速
電圧は５０ｋＶである。シリコン内での５０ｋＶ電子の
飛程は約２０μｍであるため、本実施例では基板の厚さ
を８μｍとした。厚さ８μｍのシリコンの加工精度は約
０．２５μｍであるから、ウェハ２１上では０．０１μ
ｍとなる。このため、実際に、０．０５μｍのライン＆
スペース・パターンをレジスト上に良好に形成すること
ができた。また、さらにアパーチァ１６の基板厚さを１
μｍにまで薄くしたところ、０．０３μｍのライン＆ス
ペース・パターンまで形成することができた。

【００２２】ところで、シリコン中での５０ｋＶ電子の
平均自由行程は約０．０４μｍであるから、アパーチァ
基板の厚さが１μｍあれば十分に電子を散乱することが
できる。また、１μｍの厚さでは、電子のエネルギー損
失は小さく、電子光学系内の側壁に電子が衝突するなど
の不測の事態も生じ難く良好である。したがって、アパ
ーチァ基板の厚さは、電子の平均自由行程の１０倍から
１００倍程度が最適である。ただし、１μｍ厚さのアパ
ーチァでは機械的強度が十分ではないので、図４に示し
たように、シリコン基板２３の所々に厚いリブ２４を設
ける。

【００２３】上記のアパーチァ基板にはシリコンを用い
たが、本発明によれば、それ以外の材料も使うこともで
きる。例えばタングステンの場合、加工精度を出すため
には厚さは１μｍ以下でなければならず、従来は用いら
れていなかった。しかし、５０ｋＶの電子のタングステ
ン内での飛程は約３μｍであるから、本発明によれば
０．５μｍ以下でも使えるので、精度的にも十分とな
り、材料選択の枠が大きく広がったことになる。

【００２４】ところで、本実施例では、アパーチァ１６
基板部からの散乱電子１７を、開口部を通過した電子線
と、対物絞り１９によって分別している。したがって、
対物絞り１９の孔径はできるだけ小さくする必要があ
り、このため、対物絞り１９と対物レンズ２０を事前に
正確に軸合わせしておく必要がある。したがって、対物
絞り１９は鏡体外から軸調整ができるように、可動絞り
とすることが有効である。また、可動絞りを用いれば１
個の絞り板に複数個の絞り孔を設けることができるの
で、種々の成形アパーチァに対応して絞り孔を選択する
ことができる。例えば、薄いアパーチァ基板の場合には
散乱電子の散乱角が小さいので、孔径の小さい絞りを用
いる、などの工夫ができる。

【００２５】また、本実施例の電子光学系の縮小率は１
／２５であるから、アパーチァ１６の開口部を通過する
電子線の照射角は１〜２×１０~⁴ rad．と小さく、これ
に対して基板部で散乱された電子の散乱角は１０~³〜１
０~¹ rad．と大きいので、所望の孔径の対物絞り１９を
用いることにより、容易に両者の分別が可能である。例
えば、基板厚さが１μmのアパーチャを用い、対物絞り
により＜５×１０~⁴ radの電子のみを通過させたとこ
ろ、１０⁴：１のコントラストを得ることができた。

【００２６】〔実施例２〕図５に、本発明に係る電子線
描画装置の第二の実施例の構成を示す。

【００２７】装置構成の殆ど大部分は実施例１のものと
同じであるが、本実施例では、第２アパーチァ１６の下
に、Ｅ×Ｂ型のエネルギーフィルタ２６が挿入されてい
る。Ｅ×Ｂ型のエネルギーフィルタの大略は、図２に示
したように、静電偏向器７、電磁偏向器８と制限絞り５
とから構成されている。ところで、アパーチァ１６の基
板部を透過した電子は、基板内でエネルギーを失うため
に減速し、この減速電子２５は上記のエネルギーフィル
タ２６により偏向され、除去される。通常、Ｅ×Ｂ型エ
ネルギーフィルタ２６は減速電子２５を遮断する制限絞
り５を有しているが、本実施例の構成では、さらに下方
にある対物絞り１９を兼用させることもできる。

【００２８】また、この他にエネルギーフィルタとして
は、静電レンズ方式のもの、電磁セクタ方式のもの、電
磁偏向方式のものなど、いずれの方式のものも使用可能
であるが、実際にウェハ２１上に露光される電子線が軌
道を曲げられずに直進できる意味で、Ｅ×Ｂ型のエネル
ギーフィルタが最も使い易い。

【００２９】一方、電子源９には、一般には熱電子銃が
用いられている。しかし、熱電子銃は放出電子のエネル
ギー幅が広く、色収差の原因になる。従来の成形アパー
チァではアパーチァの加工精度が低く、これが描画装置
の解像度を制限していたので、上記の色収差は余り問題
になっていなかった。しかし、本発明の結果、加工精度
の向上により０．０１μｍレベルの描画が可能となった
ため、今度は逆に、色収差が解像度の大きな制限要因と
なってきた。そのために、偏向フィールドを小さくする
などの制約が生じる。この問題を解決するために、電子
銃としてはエネルギー幅の狭い電界放出型電子銃、熱電
界放出型電子銃、あるいはショットキ放出型電子銃を用
いるとよい。特にショットキ放出型電子銃は輝度も高
く、かつ、長時間の安定性にも優れているので、描画装
置に適している。本実施例では、ＺｒＯ／Ｗショットキ
放出型電子銃を用い、２ｍｍ角フィールドの描画をした
結果、０．０３μｍのパターンを安定に描画することが
できた。

【００３０】なお、以上の実施例において、成形アパー
チァ、エネルギーフィルタ、制限絞りなど、種々の方式
の組合せが可能である。また、電子銃の加速電圧も５０
ｋＶに限らないので、それぞれの加速電圧での飛程や平
均自由行程に合わせて、成形アパーチァの厚さや電子光
学系の選択をする。それにより全く同様の効果が期待で
きる。また、いずれの成形アパーチァも、１５μＡまで
の電子照射において何ら変化はなく、３ケ月以上の連続
使用が可能であった。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る可変
成形ビーム方式または一括図形照射方式の電子線描画装
置において、電子線の成形アパーチァを電子の飛程より
も十分に薄くすることにより、電子照射によるアパーチ
ァの発熱を減少させ、かつ、アパーチァ自身の加工精度
を向上させることができ、今後の半導体素子の一層の高
集積化に対応できる高精度の電子線描画装置が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】アパーチァからの散乱電子を制限絞りにより遮
断する概念図である。

【図２】アパーチァからの減速電子をエネルギーフィル
タにより遮断する概念図である。

【図３】実施例１における電子線描画装置の構成図であ
る。

【図４】実施例１における１μｍ厚さのアパーチァの断
面構造図である。

【図５】実施例２における電子線描画装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

１…電子源２…アパーチァ３…散乱電子４…電磁レンズ５…制限絞り６…減速電子７…静電偏向器８…電磁偏向器９…電子源１０…電子線１１…第１アパーチァ１２…散乱電子１３…第１転写レンズ１４…成形偏向器１５…第２転写レンズ１６…第２アパーチァ１７…散乱電子１８…縮小レンズ１９…対物絞り２０…対物レンズ２１…ウェハ２３…シリコン基板２４…リブ２５…減速電子２６…Ｅ×Ｂエネルギーフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤博之茨城県勝田市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可変成形ビーム方式または一括図形照射方
式の電子線描画装置において、電子線の成形アパーチァ
を電子線の飛程よりも薄い基板に開口部を設けた構造と
し、上記成形アパーチァより下方の電子光学系内に、上
記成形アパーチァの基板部を透過し、散乱された電子を
遮断する機構を設けたことを特徴とする電子線描画装
置。
【請求項２】上記成形アパーチァの基板の厚さを、用い
た電子線の飛程の１／２よりも薄く、上記電子線の平均
自由行程の１０倍よりも厚くしたことを特徴とする請求
項１に記載の電子線描画装置。
【請求項３】上記基板部を透過し、散乱された電子を遮
断する機構として、上記成形アパーチァの開口部を通過
した電子線の焦点面に、小孔を有する絞りを設けたこと
を特徴とする請求項１または２に記載の電子線描画装
置。
【請求項４】上記基板部を透過し、散乱された電子を遮
断する機構が、上記電子光学系内に設けられたエネルギ
ーフィルタ作用を有する電子光学素子であることを特徴
とする請求項１または２に記載の電子線描画装置。
【請求項５】電子放射源として、熱電界放出型電子銃、
またはショットキ放出型電子銃を用いたことを特徴とす
る請求項１、２、３または４に記載の電子線描画装置。