JPH0877957A

JPH0877957A - 荷電粒子投射装置

Info

Publication number: JPH0877957A
Application number: JP6212376A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Kawanami; 義実川浪; Yuichi Madokoro; 祐一間所; Kaoru Umemura; 馨梅村; Yasunari Hayata; 康成早田; Katsuhiro Kuroda; 勝広黒田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-09-06
Filing date: 1994-09-06
Publication date: 1996-03-22
Anticipated expiration: 2018-03-24
Also published as: JP3390541B2

Abstract

(57)【要約】【目的】試料に投射したマスクの像歪みを口径比の５次
まで実質的に消去する手段を備えた荷電粒子投射装置を
得る。【構成】照射レンズ１０によりイオンビームをマスク４
に照射するとともに、１段のみ設けた投射レンズ２０の
ほぼ中心に収束するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンや電子を用いた
荷電粒子投射装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子投射装置は、イオンや電子の荷
電粒子ビームで照明したマスク上のパタンを、レンズで
縮小し試料上に投射する装置である。上記荷電粒子照射
により試料に生じる物理的または化学的な変化を利用し
て、試料上に微細なパタンの加工を行う。従来例として
は、イオンでマスクのパタンを試料に投射するイオン投
射リソグラフィ装置が特開平２−６５１１７号が公知例
１として開示されており、また、電子投射リソグラフィ
装置がジャパニーズ・ジャーナル・オブ・ジャーナル・
オブ・アプライド・フィジクス（Ｊpn．Ｊ．Ａppl．Ｐh
ys．）Ｖol．１９（１９８０）Ｓuppl．１９−１，pp５
１−５５により公知例２として挙げられる。

【０００３】荷電粒子投射装置においては、加工のスル
ープットを向上させるために、できるだけ大きなマスク
が使えることを要求される。これは複数の小さなマスク
を交換する作業が増えるとスループットが低下するから
である。また、荷電粒子投射装置においては、試料上に
おけるマスクの像の歪みをできるだけ小さくすることが
求められる。ところが、これらは相反する要求である。
すなわち、マスクを投射するためのレンズ（軸対称の電
磁レンズまたは静電レンズ）は除去できない大きな幾何
収差を持ち、マスクを大きくするとそのレンズの軸外部
分を使用するので、投射したマスクの像は周辺部に行く
ほど大きく歪む（像位置がずれる）からである。一方、
上記レンズの大きさは現状では直径数十cｍくらいが技
術的に限度である。

【０００４】ここで、レンズの口径（またはレンズの厚
み）に対するマスクの大きさ（またはマスクを透過した
ビームがレンズを通る部分の大きさ）の比を口径比Ｂ
（Ｂは１より十分小さい）とすると、投射した像の歪み
（像の端で生じる像ずれの大きさ）はＢのｎ乗（ｎは正
の奇数）に比例する量で表される。単純な１段レンズで
は３次（ｎ＝３）の歪みが最低次数の歪みである。図２
にＢとＢのｎ乗との関係をグラフに示す。この図から判
ることは、もし何らかの方法で実質的に低次の歪みを消
去することができれば、一定の像歪みの許容値のもとで
より大きなマスクが使えることである。上記公知例１お
よび２では、いずれも２段の投射レンズを用い、試料上
に投射されるマスクの像の３次歪みを実質的に消去する
工夫を行っている。前者は試料の高さを収束面に対して
少し上にずらす方法を用い、また後者ではマスクに照射
するビームを少し細くしてマスク上を走査し、その走査
に連動して投射レンズ群の強度を変える方法を用いてい
る。これらの方法によって、単純な１段の投射レンズを
使うシステムよりは大きなマスクを使うことはできる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では試料に投射したマスクの像には、まだ５次
の歪みが残っており、このためあまり大きなマスクを使
うことはできない。

【０００６】本発明は、試料に投射したマスクの像歪み
を、口径比の５次まで実質的に消去できる手段を備えた
荷電粒子投射装置を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、荷電粒子源
と、荷電粒子を透過する貫通孔または穴を備えたマスク
を保持するマスクステージと、試料を保持して微動する
試料ステージと、上記荷電粒子源より荷電粒子ビームを
引き出し上記マスクに照射する照射光学系と、上記マス
クを透過した荷電粒子ビームを上記試料上の任意位置に
照射して、上記マスクの像を上記試料上に投射する投射
光学系と、上記荷電粒子ビームを遮断する手段とを有す
る荷電粒子投射装置において、上記投射光学系は１段の
みの投射レンズを備え、かつ、上記照射光学系が荷電粒
子ビームを上記投射レンズのほぼ中心に集束させる照射
レンズを備えたことにより達成される。

【０００８】また、上記投射光学系が荷電粒子ビームを
マスク上で走査する走査偏向系を備えるとともに、上記
走査偏向系の偏向中心が上記荷電粒子ビームのクロスオ
ーバにあることにより達成され、あるいは上記走査偏向
系が上記荷電粒子ビームを走査するのと連動して、上記
荷電粒子ビームの集束状態を補正するダイナミック補正
手段を、上記照射光学系に備えることにより達成され
る。

【０００９】また、ダイナミック補正手段が、非点補正
器と集束補正レンズとを備えることにより、または２段
以上の偏向補正器を備えることにより達成され、投射レ
ンズが３枚電極の静電レンズであることにより達成され
る。あるいはまた、上記荷電粒子ビームがイオンビーム
であって、上記マスクに照射する上記荷電粒子ビームの
加速電圧が１〜２０kＶであり、上記試料上に照射する
上記荷電粒子ビームの加速電圧が１〜５０kＶであるこ
とにより達成される。

【００１０】すなわち、上記課題を解決するためには、
つぎに示すような改良を行う。（１）照射光学系に照射
レンズを設け、この照射レンズでマスクに荷電粒子ビー
ムを照射するとともに、マスクの前方に上記荷電粒子ビ
ームの収束点を作るように動作させる。（２）投射光学
系には投射レンズを１段のみ設け、この照射レンズの収
束点が上記投射レンズのほぼ中心になるように配置す
る。（３）照射光学系にマスク上で荷電粒子ビームを走
査する走査偏向器を設ける。（４）上記走査と連動し
て、上記照射レンズの収束点の位置ずれを補正する手段
を設ける。

【００１１】

【作用】上記（１）および（２）の手段によって、投射
レンズの軸外を使用しないので、試料上における像歪み
は僅かしか残らない。正確には、投射レンズが照射光学
系の３次幾何収差で生じる上記収束点の広がりによって
間接点に僅かな像歪みを生じる。ここでは、照射光学系
（照射レンズや走査偏向器）の大きさがマスクの大きさ
を間接的に制限し、上記像歪みは口径比（照射光学系の
口径対マスクの大きさ）の９（＝３×３）次が最低次に
なる。すなわち、口径比の９次未満の像歪みは実質的に
消去される。また、投射レンズを上記収束点の広がりに
対して十分大きくすれば、像歪みの絶対値も小さくな
る。

【００１２】さらに、上記（３）および（４）の手段に
よって、照射光学系の幾何収差を補正し僅かに残った試
料上の像歪みがさらに小さくなる。正確には荷電粒子ビ
ームの走査と連動して照射光学系の最低次の３次幾何収
差を、軸外の部分ごとに部分的に補正することによって
（５次幾何収差は残る）、投射レンズが間接的に発生す
る像歪みは上記口径比の１５（＝５×３）次が最低次に
なる。すなわち、口径比の１５次未満の像歪みは実質的
に消去される。

【００１３】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は本発明による荷電粒子投射装置の第１実施例
を示す構成図、図２はマスク対レンズ口径比と像歪みと
の関係を模式的に表す図、図３は本発明の第２実施例を
示す構成図である。

【００１４】第１実施例図１に示す第１実施例は、イオン投射リソグラフィ装置
である。荷電粒子としてイオンを使用する本装置は、イ
オン源１（ガリウムの液体金属イオン源）より引き出さ
れたイオンビーム２は、照射光学系３によりマスク４に
照射される（加速電圧は１０kＶ）。マスク４はマスク
ステージ５に保持されており、マスク４にはパタンをも
つ貫通孔が設けられている。マスクを透過したイオンビ
ーム２は投射光学系６により試料７に照射される（加速
電圧は１０kＶ）。投射光学系６はマスク４の像を試料
７上に縮小率８分の１に縮小して投射する。試料７は試
料ステージ８に移動可能に保持されている。

【００１５】照射光学系３は照射レンズ１０（３枚電極
の静電レンズ）と、レンズ１１（２枚電極の静電レン
ズ）と、制限アパチャー１２とで構成されている。レン
ズ１１はイオンビーム２を必要十分な強度で引き出すも
ので、不要なビームは制御アパチャー１２で制限してい
る。イオンビーム２の電流は約２００ｎＡである。照射
レンズ１０はイオン源の像を約１倍で結像するようにイ
オンビーム２を収束しながら、マスク４に照射してい
る。照射レンズ１０の中心とイオン源１の距離は約７０
０ｍｍである。照射レンズ１０は加速モードのアインツ
エルレンズをなしており、その両端の電極は接地され、
中心電極は約−２６kＶに保たれている。照射レンズ１
０の厚みは５００ｍｍで直径は６００ｍｍである。ここ
で一度に投射可能なマスク４の大きさは２５ｍｍ角であ
る。

【００１６】投射光学系６は投射レンズ２０（３枚電極
の静電レンズ）と、ブランキング偏向器２１（２極の静
電偏向器）と、ブランキングアパチャー２２とで構成さ
れている。イオンビーム２はブランキング偏向器２１に
よってブランキングアパチャー２２上で偏向されること
により試料７から遮断される。投射レンズ２０はマスク
４の像を試料７上に８分の１倍で結像するようにイオン
ビーム２を収束する。投射レンズ２０の中心とマスク４
との距離は約６００ｍｍである。投射レンズ２０に加速
モードのアインツエルレンズをなしており、その両端の
電極は接地され、中心電極は約−３９kＶに保たれてい
る。（ただし、倍率補正のために投射レンズ２０の最終
段の電極と試料７は同電位に保たれ、接地電位より数Ｖ
変えられるようにしてある。）投射レンズ２０の厚みは
１００ｍｍ、直径は１５０ｍｍである。

【００１７】本実施例で特徴的なことは、投射光学系６
に１段のみの投射レンズ２０を設けるとともに、照射光
学系３に照射レンズ１０を設けて、マスク４を透過した
イオンビーム２を投射レンズ２０のほぼ中心に集束させ
ることにある。これにより、試料７上に投射されたマス
ク４の像には口径比の９次未満の歪みが実質的に消去さ
れる。像歪みの許容値を一定にすると、図２からわかる
ように、従来の５次の像歪みがある場合に比べて倍程度
の大きさのマスクが使えることになる。実際に試料７上
に投射した２５ｍｍ角のマスク４の像は、その端で像歪
み（ずれ）が約０.５μｍ、像ぼけが０.３μｍと非常に
小さいものであった。ここで、投射レンズ２０と照射レ
ンズ１０との強度調整の一つの方法を示す。格子状にマ
ークパタンを配置したマスク４を用意し、まず、投射レ
ンズ２０の強度をいくつか変えて、レジストを塗った試
料７を露光および現像して中心のマークパタンの像ぼけ
を計測する。このぼけが最小になるように投射レンズ２
０の強度を設定する。つぎに、照射レンズ１０の強度を
いくつか変えて、レジストを塗った試料７を露光し現像
してマークパタン全体の像分布を計測する。このマーク
パタンの像分布が中心近傍で樽型と糸巻き型の中間にな
るように、照射レンズ強度を設定する。

【００１８】本実施例によれば投射されたマスクの像の
歪みが微小になるので、加工精度が向上するという効果
がある。また、加工精度を従来のままにすると、マスク
を倍程度の大きさにできるので、加工のスループットを
約４倍にできる効果がある。なお、本実施例では投射レ
ンズ２０に３枚電極の静電レンズを使っているが、３枚
電極は試料７へのイオンビーム２の加速電圧が５０kＶ
位までの低い場合に十分なレンズ作用を得るために有効
なものである。２枚電極の静電レンズでも４枚以上の電
極の静電レンズでも同様な作用が行えるが、３枚以上の
電極をもつ静電レンズでは各電極の電位配分を少し変え
ることによって、レンズ主面をずらしレンズ倍率を補正
できる利点がある。

【００１９】第２実施例本発明によるイオン投射リソグラフィ装置の第２実施例
を図３により説明する。イオン源１（ガリウムの液体金
属イオン源）より引き出されたイオンビーム２は、照射
光学系３′によりマスク４に照射される（加速電圧は１
０kＶ）。マスク４はマスクステージ５に保持されてい
る。マスク４にはパタンをもつ貫通孔が設けられてい
る。マスク４を透過したイオンビーム２は投射光学系
６′により試料７に照射される（加速電圧は２０k
Ｖ）。投射光学系６′はマスク４の像を試料７上に縮小
率８分の１に縮小して投射する。試料７は試料ステージ
８に移動可能に保持されている。

【００２０】照射光学系３′は照射レンズ１０（３枚電
極の静電レンズ）とレンズ１１′（３枚電極の静電レン
ズ）と、制限アパチャー１２と、Ｅ×Ｂ質量分離器１４
と、アライメント偏向器１５と、ブランキング偏向器２
１′（２極の静電偏向器）とブランキングアパチャー２
２′と、走査偏向系３０とで構成されている。レンズ１
１′（３枚電極静電レンズ）はイオンビーム２を必要十
分な強度で引き出し、イオンビーム２のクロスオーバ１
３を形成している。イオンビーム２の不要な分は制限ア
パチャー１２で制限している。イオンビーム２はブラン
キング偏向器２１′によってブランキングアパチャー２
２′上で偏向されることにより試料７から遮断される。
また、イオンビーム２のうち不要なイオン種成分はＥ×
Ｂ質量分離器１４により質量分離アパチャーを兼ねたブ
ランキングアパチャー２２′上で偏向されることにより
試料７から遮断される。なお、Ｅ×Ｂ質量分離器１４は
イオンビーム２のクロスオーバ１３をその中心に配置し
ており色収差の発生を抑えている。アライメント偏向器
１５はイオンビーム２を偏向して、イオンビーム２の軸
が照射レンズ１０と投射レンズ２０の中心軸を通るよう
にする。なお、質量分離器と、ブランキング偏向器、ブ
ランキングアパチャーとを照射光学系３′内に設けたの
はイオンビーム２の照射によるマスク４の劣化を抑える
ためであって、これらを投射光学系６′内に設けても作
用は変らない。照射レンズ１０は第１実施例と同じもの
を使用した。

【００２１】投射光学系６′は、投射レンズ２０（３枚
電極の静電レンズ）と、位置補正偏向器２３（８極の静
電偏向器）と、制限アパチャー２４と、回転補正器２５
（電磁コイル）で構成されている。位置補正偏向器２３
はマスク４を透過したイオンビーム２を試料７上で偏向
することによってマスク４の像位置を補正する。制限ア
パチャー２４は装置内で散乱したイオンビームなどを除
去する。回転補正器２５はレンズ強度が無視できる電磁
レンズで、マスク４を透過したイオンビーム２を回転さ
せて試料７上におけるマスク４の像回転を補正する。投
射レンズ２０は第１実施例と同じものを使用したが、イ
オンビーム２を１０kＶから２０kＶに加速するために、
両端の電圧を非対称にしてある。

【００２２】本実施例で第１に特徴的なことは、投射光
学系６′に投射レンズ２０（３枚電極の静電レンズ）を
１段のみ設けるとともに、照射光学系３′に照射レンズ
１０（３枚電極の静電レンズ）を設けて、イオンビーム
２を投射レンズ２０のほぼ中心に収束させることにあ
る。これによって、試料７上での像歪みがレンズ口径比
の９次未満は消去される。本実施例の第２の特徴的なこ
とは、イオンビーム２のクロスオーバ１３に偏向中心を
もつ走査偏向系３０によりイオンビーム２をマスク４上
で走査することである。これにより、イオンビーム２の
強度分布に左右されずにマスク４上でのイオン照射分布
を一様にすることが可能になる。走査偏向系３０は非点
補正器を兼ねた主走査偏向器３１（８極の静電偏向器）
と副走査偏向器３２（８極の静電偏向器）からなり、そ
の合成偏向中心がクロスオーバ１３になるように偏向の
強度比を設定している。Ｅ×Ｂ質量分離器１４がない場
合には、走査偏向器を１段にしてその中心をクロスオー
バ１３においてもよい。本実施例で第３の特徴的なこと
は、イオンビーム２の走査偏向系３０によるマスク４上
での走査と連動して、照射光学系３′によるイオンビー
ム２の収束状態を補正（ダイナミック補正）することに
ある。照射レンズ１０の軸外にイオンビーム２を通す
と、そこでは３次幾何収差のために軸外方向に少しレン
ズ作用が強く働くので、イオンビーム２の収束点が投射
レンズ２０に対して少し外側にずれる。そこで、非点補
正器３１の強度を上げるとともに、照射レンズ１０の強
度を少し下げることによって、上記収束点のずれを補正
する。なお照射レンズ１０の強度を調整する代わりに、
レンズ１１′の強度を変えても同様の作用ができる。こ
れにより、試料７上に投射されたマスク４の像に口径比
の１５次未満の歪みが実質的に消去できる。像歪みの許
容値を一定にすると図２から判るように、従来の５次の
像歪みがある場合と比べて３倍程度の大きさのマスクが
使えることになる。さらには、上記走査に合わせて走査
偏向系３０の偏向強度比を変えて上記収束点の横方向の
ずれも補正すると、試料７上でのマスク４の像ぼけがさ
らに改善される。実際に全てのダイナミック補正を行っ
た状態で、試料７上に投射した４０ｍｍ角のマスク４の
像は、その端で像歪み（ずれ）が約０.４μｍ、像ぼけ
が０.５μｍと非常に小さいものであった。ここで、投
射レンズ２０と照射レンズ１０との強度調整の一つの方
法を示す。基本的な方法は第１実施例と記載したものと
同じであるが、つぎに示す点をそれぞれ変更する。すな
わち、（１）試料として検出マークを一つ備えたものを
用意する。（２）イオンビームをマスク上の特定のマー
クだけを照射するように走査偏向系を調整する（この間
は走査しない）。（３）試料７上の検出マークを上記マ
スク４上の特定マークに対応する位置になるように試料
ステージ８を移動する。（４）イオンビーム２を位置補
正偏向器でライン状に走査し、図示されていない２次電
子検出器でイオン照射によりマークから発生する信号を
捕える。（５）上記信号をマークの露光像の代わりとし
て、そのぼけや位置ずれを判断する。上記のようにすれ
ば、第１実施例のようにレジストの露光や現像の作業を
伴わずに実時間で投射レンズ２０と照射レンズ１０との
強度調整ができる。

【００２３】本実施例によれば、投射されたマスクの像
の歪みが微小になるので、加工精度を向上させる効果が
ある。また、加工精度を従来のままにすると、マスクを
３倍程度の大きさにできるので、加工のスループットを
約９倍にできるという効果がある。なお、本実施例では
走査偏向系を照射レンズの前段に配置したが、これを逆
転することもできる。この場合、走査偏向系の口径を大
きくする必要があるが、上記実施例と同様の効果があ
る。この場合の走査偏向系３０の偏向中心になるイオン
ビーム２のクロスオーバは投射レンズ２０の中心であ
る。また、照射光学系３′内にクロスオーバ１３を作ら
なくても試料像の歪みの改善には同様の効果がある。こ
の場合の走査偏向系３０の偏向中心になるイオンビーム
２のクロスオーバはイオン源１の仮想ソースである。

【００２４】上記各実施例では、イオン投射装置の例を
示したが、本発明は電子投射装置にも同様に適用でき
る。その場合は、静電レンズや静電偏向器を電磁レンズ
や電磁偏向器に置き換えることが可能である。

【００２５】

【発明の効果】上記のように本発明による荷電粒子投射
装置は、荷電粒子源と、荷電粒子を透過する貫通孔また
は穴を備えたマスクを保持するマスクステージと、試料
を保持して微動する試料ステージと、上記荷電粒子源よ
り荷電粒子ビームを引き出し上記マスクに照射する照射
光学系と、上記マスクを透過した荷電粒子ビームを上記
試料の任意位置に照射して、上記マスクの像を上記試料
上に投射する投射光学系と、上記荷電粒子ビームを遮断
する手段とを有する荷電粒子投射装置において、上記投
射光学系は投射レンズを１段のみ備え、かつ、上記照射
光学系が荷電粒子ビームを上記投射レンズのほぼ中心に
集束させる照射レンズを備えたことにより、試料上に投
射されるマスクの像歪みを微小にできるので、試料を高
精度に加工できるという効果があるとともに、大きなマ
スクが使えるので加工のスループットを向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例としてイオン投射リソグラ
フィ装置の構成を示す図である。

【図２】マスク対レンズ口径比と像歪みとの関係を示す
図である。

【図３】本発明の第２実施例としてイオン投射リソグラ
フィ装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１…荷電粒子源３，３′…照射光学系４…マスク５…マスクステージ６，６′…投射光学系７…試料８…試料ステージ１０…照射レンズ２０…投射レンズ２２，２２′…非点補正器

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/027 (72)発明者早田康成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 (72)発明者黒田勝広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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子源と、荷電粒子を透過する貫通孔
または穴を備えたマスクを保持するマスクステージと、
試料を保持して微動する試料ステージと、上記荷電粒子
源より荷電粒子ビームを引き出し上記マスクに照射する
照射光学系と、上記マスクを透過した荷電粒子ビームを
上記試料の任意位置に照射して、上記マスクの像を上記
試料上に投射する投射光学系と、上記荷電粒子ビームを
遮断する手段とを有する荷電粒子投射装置において、上
記投射光学系は投射レンズを１段のみ備え、かつ、上記
照射光学系が荷電粒子ビームを上記投射レンズのほぼ中
心に集束させる照射レンズを備えたことを特徴とする荷
電粒子投射装置。
【請求項２】上記照射光学系は、上記荷電粒子ビームを
マスク上で走査する走査偏向系を備えるとともに、上記
走査偏向系の偏向中心が上記荷電粒子ビームのクロスオ
ーバにあることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子投
射装置。
【請求項３】上記照射光学系は、上記走査偏向系が上記
荷電粒子ビームを走査するのと連動して、上記荷電粒子
ビームの集束状態を補正するダイナミック補正手段を備
えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の荷
電粒子投射装置。
【請求項４】上記ダイナミック補正手段は、非点補正器
と集束補正レンズとを備えたことを特徴とする請求項３
記載の荷電粒子投射装置。
【請求項５】上記ダイナミック補正手段は、２段以上の
偏向補正器を備えたことを特徴とする請求項３または請
求項４記載の荷電粒子投射装置。
【請求項６】上記投射レンズは、３枚電極の静電レンズ
であることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子投射装
置。
【請求項７】上記荷電粒子ビームは、イオンビームであ
り、上記マスクに照射する上記荷電粒子ビームの加速電
圧が１〜２０kＶであり、上記試料上に照射する上記荷
電粒子ビームの加速電圧が１〜５０kＶであることを特
徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の荷電
粒子投射装置。