JPH0732108B2 - 電子線露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の対象 本発明は集積回路の製造等に使用される成形電子ビーム
を用いる電子線露光装置に関する。

従来技術 近年、集積回路のパターンを高速，高精度に描画するた
めに、可変成形電子線露光装置（以下、単に「露光装
置」という。）が使用されるようになった（例えば、J.
Vac.Sci.Jechnol.,15（３）,May/June 1978,pp.887〜89
0参照）。第１図は、この露光装置の原理を説明する図
である。図において、１は電子線源であり、2,3は矩形
状孔を有するマスク、4,5は成形レンズである。また、
７は偏向器、９は対物レンズ、そして10はウエハ等の試
料面である。

前記２つの成形レンズ4,5により、マスク２上の矩形が
マスク３上に結像され、これとマスク３上の矩形状孔と
の共通部分として、露光用矩形ビーム６を形成する。こ
の矩形ビーム６の大きさは、前記成形レンズ4,5の間に
設けられた偏向器７により調節することができる。前記
矩形ビーム６は縮小レンズ8,対物レンズ９により、試料
面10上に縮小結像される。この縮小矩形ビームは、対物
レンズ９内の偏向器11により試料面10上で位置を移動さ
せ、任意の図形を描くことができる。

第２図は、図形描画の様子を示す図であり、第２図
（Ａ）は前記露光装置が理想的に動作した場合を示すも
のである。21は偏向器11による偏向範囲、22は偏向方
向、23は描画図形、24は矩形ビームである。このように
矩形ビーム24の方向と、偏向方向22とが合致している
と、図の如く矩形ビームを順次接続して所望の図形を正
確に描画することができる。

しかしながら、矩形ビーム24の辺の方向と偏向方向（走
査方向）22とを合致させることは、一般に容易ではな
い。これらの方向が合致していない場合、描画される図
形は第２図（Ｂ）に示すようになる。図から明らかな如
く、前記２つの方向が一致しない場合、描画図形25は矩
形間の接続不整が生じ、図形の寸法精度が低下したり境
界がなめらかでなくなつたりする。

従来、上記矩形ビームの方向を偏向方向と一致させるに
は、前記矩形マスク2,3を機械的に回転させていた。し
かしながら、この方法では、回転軸の中心をビームの光
学軸の中心や矩形孔に一致させることはできないため、
試料面10上に達するビームが、途中にあるビーム軸決定
アパーチヤで切られ、矩形ビームの電流密度が不均一に
なるという欠点があつた。また、この方法は、非常な熟
練者が長時間をかけなければ達成できないという重大な
欠点があつた。

また、上述の如く、矩形マスク2,3を機械的に回転させ
る代わりに、縮小レンズ８により矩形ビームを回転させ
ることも考えられるが、この方法には、電子線源１の像
が対物レンズ９の前にあるアパーチャ上で大きく移動
し、ビームが遮られるという別の欠点がある。

以下、上述の欠点について詳細に説明する。

まず、第５図により、電子線源１の像について説明す
る。第５図には、実線で矩形マスク２上の１点（図で
は、代表点として軸上の１点をとった）からの電子線像
が、破線で電子線源１の電子線像が、それぞれ示されて
いる。図からも明らかな如く、電子線源１の電子線像
は、成形レンズ4,5の間に、像14として形成される。こ
れを物点として、成形レンズ５により、15で示される位
置に拡大像が、更に、これを物点として、更に拡大され
た像16が、対物アパーチャ13上に形成される。

この場合の拡大率は、可変成形像６の試料面10上への縮
小率を1/Mとすると、ほぼＭ倍である。このような状態
で、縮小レンズ８の励磁をわずかに変化させることによ
り矩形ビームを回転すると、電子線源１の電子線像に、
第６図に示す如き変化が生ずる。

第６図は、矩形ビーム６（矩形マスク３の位置と一致す
る）の電子線像と、前述の15で示される位置に形成され
る電子線源１の拡大電子線像（矢印で示す）とを示して
いる。通常、電子線源１の拡大像の位置は、縮小レンズ
８の光軸17から離れた位置にある。これを仮に、矢印の
先端Ａとする。なお、上述の、電子線源１の拡大像の位
置Ａが、縮小レンズ８の光軸17から離れた位置にくる理
由は、電子線源1,成形レンズ４および5,縮小レンズ８の
光軸を、工作精度上、完全に一致させることができず、
通常、100μｍ程度ずれるためである。また、上述の電
子線源１の拡大像の位置は、縮小レンズ８の焦点位置の
若干外側になるが、これは、縮小レンズ８により、電子
線源１の拡大像を対物アパーチャ13上に結像させるため
には、矢印で示された拡大像を実像（物点）とする必要
があるためである（縮小レンズ８の焦点位置の内側にあ
ると虚像になる）。

第６図（ａ）は、最初に矩形ビーム６の焦点を合わせた
状態を示すものとする。このとき、上述の点Ａは、対物
アパーチャ13の中心にあるように軸調整がなされてお
り、図のＡ′の位置にくる。そして、この状態で描画し
た際に第２図（Ｂ）に示す如く描画されたとする。

ところで、一般に、電子ビームは磁場中を通過するとき
回転作用を受ける。この場合の回転角θは、次の式で表
わされる。

ここで、e,m₀はそれぞれ電子の電荷と質量、Ｖは加速電
圧、また、Ｂ（ｚ）は電子の進行方向の磁場強度であ
る。

磁場が、ソレノイドコイル（以下、「ソレノイドレン
ズ」という）によるものの場合、前記回転角θは、 と表わされる。

ここで、Ｉはソレノイドを流れる電流、Ｎはコイル巻線
数、また、Ｅは電子のエネルギーでeV単位である。

のとき、θは略1radである。

ここで、話を第６図の説明に戻して、矩形ビームの回転
を、偏向方向に一致させるために、縮小レンズ８を若干
強励磁（第６図（ｂ）に示す）したときと、若干弱励磁
（第６図（ｃ）に示す）したときに、上述の電子線源１
の拡大像Ａ″およびＡの位置がどう変化するかを、考
える。

第６図（ａ）に示した状態で、縮小レンズ８の焦点距離
をｆ、電子線源１の拡大像Ａの位置を縮小レンズ８の中
心からｆ＋Δとする。ここで、ｆ＋Δ＝ａ、縮小レンズ
８と対物アパーチャ13間の距離をｂとすると、 なる関係が成立する。これから、Ａ点の、レンズ８によ
る拡大像の位置は、第６図（ａ）に示すＡ′から第６図
（ｂ）に示すＡ″に移り、その倍率ｍは、 となる。すなわち、縮小レンズ８の焦点距離ｆを少し変
化させると、Δはもともと小さな値なので、ｍは大きく
変化することになる。

従って、第６図（ｂ）では、電子線源１の拡大像Ａ″の
位置は、対物アパーチャ13の中心を大きく外れる。この
ため、対物アパーチャ13を通過する電子ビーム量は、第
６図（ａ）に示した状態に比べて、大きく減少すること
になる。なお、第６図（ｃ）に示した場合も同様であ
る。

上述の、第６図（ｂ）に示す状態では、対物アパーチャ
13を通過する電子ビーム量が、第６図（ａ）に示した状
態に比べて、大きく減少する理由について、第７図およ
び第８図を用いて、以下、詳細に説明する。

第６図（ａ）〜（ｃ）に示した電子線源１の拡大像Ａの
更に拡大された像を、それぞれ、Ａ′,A″,Aとする。
また、Ａ点からの全ビームが、第７図に示した電子線1
8,19の中に放出されるものとする。

第６図（ａ）に示した状態では、電子線18,19は縮小レ
ンズ８を通過後、それぞれ、40,41で示される如く進
む。この状態で、アパーチャ13の中心にＡ′が来るよう
に、光軸調整が行われているわけである。

ここで、矩形ビームを回転させるために、縮小レンズ８
を、第６図（ｂ）に示す如く少し強励磁にすると、縮小
レンズ８の焦点は第７図で「より強励磁の時の焦点」と
書かれている位置（少し内側）に移動する。これにより
電子線18,19は二点鎖線42,43で示される如く進むことに
なる。このため、電子線源１の拡大像Ａの更に拡大され
た像はＡ″の位置に生ずるが、その延長線はＢ点でボケ
た像を形成し、上述の電子線の一方42が、アパーチャ13
にかかる状態になる。これは、Ｂ点で電子線が一部遮ら
れることに対応している。

矩形ビームを上と逆回転させるために、縮小レンズ８
を、第６図（ｃ）に示す如く少し弱励磁にした場合に
も、逆方向に同様のずれが発生し、Ｂ点でビームが一部
遮られる。なお、第７図では、作図の都合上、電子線1
8,19と同42,43とが同一平面上に描かれているが、実際
には、光軸の周りに回転していることは言うまでもな
い。

また、第７図中の電子線源１の拡大像Ａの更に拡大され
た像Ａ′とＢ点との距離Ｘは、ほぼ、 となる（第８図参照）。

ここで、δは焦点距離の変化量、はＡ点から光軸まで
の距離を示している。なお、b/fは通常10〜20程度、
は1mm程度なので、δを100μm,f＝10mmとすると、上述
の電子線のアパーチャ13上での移動量（Ｘ）は、100〜2
00μｍ程度となる。アパーチャ13の径は500μｍ程度な
ので、上記移動量（Ｘ）では、矩形ビームの電流密度が
10％以上減少することになり、露光ムラ等の原因とな
る。

上述の如き理由で、縮小レンズ８を若干強励磁または弱
励磁することにより、矩形ビームを微小角度回転補正し
た場合にも、前述の、矩形マスク2,3を機械的に回転さ
せる方法と同様に、矩形ビームの電流密度が不均一にな
るという欠点が現われることになり、好ましくない。

なお、特公昭57−41815号公報には、２枚の縮小レンズ
を組み合わせたダブルギャップレンズを用いて、矩形ビ
ーム回転時の角度調整装置が開示されているが、この装
置においても、明確な記載はないが、上述の如き、倍率
ｍが大きく変化することによる弊害、つまり、矩形ビー
ムの電流密度が不均一になるという欠点が現われること
は明らかである。

発明の目的 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、従来の露光装置における上述の如き欠
点を除去し、成形ビームの電流密度の均一性を損うこと
なく、成形ビームの方向を容易に調整可能とした露光装
置を提供することにある。

発明の総括的説明 本発明の上記目的は、電子線発生手段からの電子線照射
を受ける多角形状孔を有するマスクおよび該マスクの多
角形状孔を通過した電子線を被露光物上に縮小結像する
縮小電子レンズを有する電子線露光装置において、前記
マスクと前記被露光物との間に電子線ビーム回転調整用
ソレノイドレンズを配置し、該ソレノイドレンズの焦点
距離Ｆを、前記マスクと前記縮小電子レンズとの間の距
離Ｌの５倍以上に選定してなることを特徴とする電子線
露光装置により達成される。

発明の実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第３図は本発明の一実施例を示すものである。本装置
は、第１図に示した装置の第２の成形アパーチヤ（以
下、単に「アパーチヤ」という。）３と縮小レンズ８と
の間の空間に、ソレノイドレンズ12を設けたものであ
る。他の符号１〜11は第１図に示したと同じ構成要素を
示している。なお、上記第２の成形アパーチヤ３と縮小
レンズ８との間の空間は、アパーチヤを縮小するために
かなり距離を置くのが一般的であり、前記ソレノイドレ
ンズ12を配することは容易である。

第３図に示す如くソレノイドレンズ12を配して、該ソレ
ノイドレンズ12の励磁を増加させると矩形ビームの回転
角を増加させることができるし、励磁方向を逆転するこ
とにより矩形ビームの回転方向を逆転させることも可能
である。

前記ソレノイドレンズ12の励磁の制御を他のレンズ制御
と同じコントローラから行えるようにしておけば、オペ
レータが容易に操作することができる。

なお、ソレノイドレンズ12は、電子ビームに対して回転
作用のみならず焦点作用をも有するので、ソレノイドレ
ンズ12の焦点距離に以下の如き制限条件が存在する。第
１の条件は、ソレノイドレンズを励磁して矩形ビームを
回転させた場合に、焦点の位置が大きくずれないこと、
また、第２の条件はソレノイドレンズを働かせることに
より生ずるビームの軸ずれが許容誤差内であることであ
る。

以下、これらの条件について定量的に検討する。第４図
にソレノイドレンズ部前後の電子軌道の詳細を示した。

まず、第１の条件について考える。前記アパーチヤで成
形された矩形ビーム６は、縮小レンズ８により点31に縮
小結像される。このときの縮小率を1/Mとする。ソレノ
イドレンズを動作させると結像点がΔｚだけずれる。

このΔｚは次のように表わされる。

ここで、l₁はアパーチヤからソレノイドレンズ中心まで
の距離、Ｆはソレノイドレンズの焦点距離である。

式（３）から明らかな如く、Δｚを小さくするために
は、l₁は小さいこと、F,Mは大きいことが必要である。
実際問題として、ソレノイドレンズはアパーチヤと縮小
レンズの略中間に置かれるので ここで、Ｌはアパーチヤと縮小レンズとの距離となり、
また、ＦとＬの間には なる関係がある。L,M,Δｚに現実的な値を代入すると
（Ｌ＝10〜20cm,M＝10〜20,Δｚ＝10〜20μｍ）、 となる。

次に、第２の条件について考える。ソレノイドレンズを
働かせることにより生ずるビームの軸ずれは、ソレノイ
ドレンズの中心がアパーチヤと縮小レンズとを結ぶ軸と
一致していないことから生ずるものである。このずれ量
をｈとする。電子線源のクロスオーバの像は、縮小レン
ズ８の前焦点の近傍32に結像され、その大きさはクロス
オーバ径と同程度である。ソレノイドレンズを動作させ
ることにより生ずる、前記クロスオーバ像の軸に垂直方
向の偏位Δｒは次式で表わされる。

式（６）から明らかな如く、Δｒを小さくするにはl₂が
小さいこと（これは、Δｚを小さくするのと逆方向であ
る。）、ｈが小さいこと、Ｆは大きいことが必要であ
る。実際問題として、 と考えると、 となる。ここで、ｈは製作上の誤差から0.1mm以下にす
ることは困難であり、Δｒとしてはクロスオーバ径10μ
ｍ程度しか許容できない。従つて となる。式（５）と（８）からソレノイドレンズの焦点
距離Ｆは、前記アパーチヤと縮小レンズとの間の距離Ｌ
の５倍以上が必要であることがわかる。Ｌは通常20cm程
度であるのでＦは1m以上となる。

回転調整のため、θが５°程度必要とすると、励磁は 程度で十分で、このとき焦点距離を1m以上とすることは
ソレノイドレンズを用いることで容易に達成可能であ
る。なお、上記実施例に示したソレノイドレンズは、回
転レンズ，ソレノイドコイル，回転コイル等とも呼ばれ
ることがある。

上記実施例においては、縮小レンズが１段の場合を例に
挙げたが、縮小率を大きくする必要がある場合等、複数
個の縮小レンズを用いることがある。このような場合、
前記ソレノイドレンズを置く位置としては、任意の縮小
レンズ間であつても良い。すなわち、前記アパーチヤと
最終段の縮小レンズとの間に置くことが可能である。

また、上記実施例では矩形成形ビーム露光装置を例に挙
げたが、成形ビームの形状は矩形に限られるものでない
ことは言うまでもない。

発明の効果 以上述べた如く、本発明によれば、電子線発生手段から
の電子線照射を受ける多角形状孔を有するマスクおよび
該マスクの多角形状孔を縮小結像する電子レンズ系を有
する露光装置において、前記マスクと最終段の電子レン
ズとの間に電子線ビーム回転調整用ソレノイドコイルを
配置したので、成形ビームの電流密度の均一性を損うこ
となく、成形ビームの方向を容易に調整可能な露光装置
を実現できるという顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は露光装置の原理を示す図、第２図（Ａ），
（Ｂ）は矩形ビームと描画図形の関連を示す図、第３図
は本発明の一実施例である露光装置を示す図、第４図は
ソレノイドレンズを動作させたときの電子軌道を示す
図、第５図〜第８図は、本発明の原理を説明する図であ
る。 1:電子線源、2,3:マスク、4,5:成形レンズ、6:成形ビー
ム、7:偏向器、8:縮小レンズ、9:対物レンズ、10:試料
面、11:偏向器、12:ソレノイドレンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松坂 尚 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−73938（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−41815（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子線発生手段からの電子線照射を受ける
   多角形状孔を有するマスクおよび該マスクの多角形状孔
   を通過した電子線を被露光物上に縮小結像する縮小電子
   レンズを有する電子線露光装置において、前記マスクと
   前記被露光物との間に電子線ビーム回転調整用ソレノイ
   ドレンズを配置し、該ソレノイドレンズの焦点距離Ｆ
   を、前記マスクと前記縮小電子レンズとの間の距離Ｌの
   ５倍以上に選定してなることを特徴とする電子線露光装
   置。