JPS6142129A - 荷電ビ−ム露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［技術分野Ｊ 本発明は、半導体素子製作のため、電子ビームやイオン
ビームなどの荷電ビームを用いてバタン描画を高速にお
こなう荷電ビーム露光装置に関するものである。 〔従来技術Ｊ 従来、半導体素子製造工場におけるバタン描画としては
、光を用いたマスクバタン転写によるウェハへのバタン
描画が主であり、一部には荷電ビームによりウェハに直
接にバタン描画が行われていた。しかし、もっともバタ
ン転写回数の少ないダイナミックＲＡＭを製造する典型
的な規模の工場を想定しても、１工場に２台の露光装置
を設置した場合には、バタン転写装置の生産性は２００
ウ工ハ／時　以上が必要とされる。ところが、現在、光
を用いる転写装置で最小バタン幅が１〜１．５ｐｍ程度
゛のバタン描画を行う際の生産性は５０ウ工ハ／時　程
度と低い。 最近は集積回路のバタンの微細化は更に進む傾向にある
。パタン輻１ｕＬｍ以下の微細バタンを光で転写するこ
とは困難であり、このような微細バタンは荷電ビームの
ウェハ直接描画で可能となる。しかし、たとえば最小パ
タン幅０．５ル腸のダイナミックＲＡＭを製造する場合
、従来の荷電ビーム露光装置の生産性はほぼｌ゛ウエハ
フ時たとえば、　Ｍ、Ｆｕｊｉｎａｍｉ　　ｅｔ　　ａ
ｌ、、”Ｖａｒａｉａｂｌｅ　　５ｈａｐｅｄｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ　　ｂｅａｍ　　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ　　
ｓｙｓｔｅｍ　　ＥＢ５５”、」。 Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、、ＩＪＩ、１０８７
　（１９８１）Ｉテあり、しかもまた、従来の荷電ビー
ム露光装置では、バタンの微細化とともにバタン寸法の
おおよそ２乗に比例する形で生産性が低下する。 すなわち、従来の荷電ビーム露光装置は、ビームの照射
回数がバタン寸法のおおよそ２乗に逆比例して増大する
という欠点を持っていた。 そこで、これから将来にかけてのバタンの微細化の傾向
を考慮して、最小バタン幅が０．２５　＃Ｌ■のダイナ
ミックＲＡ）Ｉを荷電ビーム露光装置を用いて生産しよ
うとした場合には、従来の荷電ビーム露光装置の照射回
数をおおよそｌ／８００に低下させる必要がある。 さらにまた、従来の露光装置では、いずれにおいてもウ
ェハを１枚ずつ処理していたため、１時間に２００枚以
上のウェハを処理しようとしても。 ウェハの試料移動台（ステージ）への試料のローディン
グ動作や高精度のバタン描画に必須にウェハマークやチ
ップマークの検出動作の回数が増大し、そのためのむだ
時間が増す、したがって、たとえ純粋な露光時間が短縮
されたとしても、このむだ時間のために、生産性を十分
に向上させることができないという欠点を持っていた。

【目的】

そこで、本発明の目的は、荷電ビームによりウェハに直
接にバタンを描画するにあたって、最小パタン幅０．５
〜０．２５ｇ腸の微細な半導体素子のバタン描画を生産
工場において実現させる。ようにした荷電ビーム露光装
置を提供することにある。 本発明の他の目的は、適切に小型化した複数の電子光学
系を、複数の荷電ビームを同時に発生できる電子銃と組
合せた荷電ビーム露光装置を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、複数のウェハを搭載して同
時にバタン描画をすることによって生産性を大幅に向上
させた荷電ビーム露光装置を提供することにある。 ［発明の構成１ かかる目的を達成するために、本発明では、荷電ビーム
軌道を用いて試料面上にバタンを描画する荷電ビーム露
光装置において、荷電ビーム軌道と直交する面上におい
て細長い開口部を有する第１静電レンズを少なくとも一
段以上有し、直交する面と平行な面上において、第１静
電レンズの細長い開口部と交差する方向に細長い開口部
を有する第２静電レンズを少なくとも一段以上有し、第
１ｉＦｌよび第２静電レンズにそれぞれ印加する電圧に
より、第１および第２静電レンズから出射する荷電ビー
ムのビーム断面形状を制御するようにしたことを特徴と
する特 ［実施例Ｊ 以下に図面を参照して、本発明の詳細な説明する。 以下では、荷電ビームとして電子ビームを用いる場合に
ついて本発明を説明するが、本発明はこれにのみ限られ
ず、イオンビームなとも含めた荷電ビームによる露光装
置に適用できるものであることは勿論である。 第１図は本発明電子ビーム露光装置の全体の構成の一例
を示す、かかる本発明の露光装置は、第１図において、
上から、真空排気ポンプ１１、複数電子光学系室１２）
試料室１３より構成される。複数電子光学系室には、電
子ビームを発生する電子銃部１２−１、その電子ビーム
を成形する静電レンズ系１２−２）その成形されたビー
ムを加速し、縮小し、縮小された電子ビームを投影する
対物レンズ系１２−３およびその出射電子ビームを偏向
する偏向器１２−４を有し、偏向器１２−４によって偏
向された電子ビームをウェハ２０の面上に投影する。こ
れら電子光学系には複数のビーム軌道軸１４が形成され
る。 試料室１３は複数のウェハ２ｏを搭載できる１台のｘＹ
ステージ１５、ＸＹステージ１５の移動量を高精度に測
定するレーザ測長器１６およびＸＹステージの駆動部１
７、除振台１８および試料室真空排気ポンプ１３より構
成される。 レーザ測長器１６はレーザ光源１Ｂ−１，干渉器１６−
２および反射鏡１６−３から成り、干渉器１８−２と反
射鏡１６−３との間のレーザ光路１６−４は主に真空内
に設定されている。 ｘＹステージ１７の駆動部はモータ１７−１と、このモ
ータ１７−１に結合された送りネジ１７−２から成り、
レーザ測長器１Ｂによるレーザ測長情報をもとに計算機
（図示せず）により制御される。 以下に複数電子光学系室１２の詳細について説明する。 電子銃部１２−１は、第２Ａ図および第２Ｂ図に示すよ
うに、複数個（本例では５０×２個）の電界放出形電子
銃２１を同一平面上でマトリクス状に配置している。電
子銃２１はチップの形態であり、ここより電子が放出さ
れる。チップ２１は支持リング２２で支持されている。 これらリング２２を支持板２３に取付け、さらに支持板
２３に取付けた端子２４よりチップ２１に負電圧が印加
される。 電子銃部１２−１から放出された電子は静電レンズ系１
２−２で引き出され、成形され、さらに次の対物レンズ
系１２−３によって加速、縮小、投影される。 さらに、偏向器１２−４で偏向される。 第３Ａ図に、かかるレンズ系１２−２の断面図を示す、
ここで、ビーム軌道１４に対応して、複数個の電子光学
系３１が格子状に配置されている。電子光学系３１にお
いて、３２は成形アパーチャであり、これは引き出し電
極３３上に交換可能に設置されている。成形アパーチャ
３２の７パーチヤ像は電極板３８−１〜３６−４と３７
−１〜３７−４とから成る４段静電レンズの形態の成形
レンズ系３４で可変成形された像３５となる。 この成形レンズ系３４の構成例を第３Ｂ図〜＃！３Ｄ図
に示す、第３Ｂ図および第３Ｃ図は、それぞれＸ方向お
よびＹ方向から見た図であり、第３１１図は試料側から
２方向に見た図である。各静電レンズはＸおよびＹ方向
にそれぞれ細長い４種類の電極板３８−１〜３６−４お
よび３７−１〜３７−４より成る。ここで電極３８−１
〜３６−４は図示の如く、Ｙ方向に長い開口部を形成し
ている。そのため、Ｙ方向の電界はほぼ一様となって、
これら電極板３６−１〜３６−４はＸ方向に対してのみ
レンズ作用を有するために、電極板３Ｇ−１と３６−２
との間に電圧Ｖｘ、１　、および電極板３６−３と３８
−４との間に電圧ｖ！、２をそれぞれ印加することで成
形アパーチャ像のＸ方向の寸法を所望の値にできる。 なお、レンズ電極を、電極板３Ｂ−１および３６−２と
３６−３および３６−４との２段構成としたのは、倍率
を変えても結像位置（Ｚ方向）が変わらないようにする
ためである。 つぎに、電極３７−１〜３７−４はＸ方向に長い開口部
を形成しているため、上記の説明と同様の作用をＹ方向
において及ぼすため、成形アパーチャ像のＹ方向の寸法
を所望の値にできる。 以上に述べたレンズ電極の作用は通常の光学系における
シリンドリカルレンズの作用に相当する、たとえば、第
４＾図示のシリンドリカルレンズ３６０は電極板３８−
１〜３６−４の構成する静電レンズに対応し、入射光ビ
ーム３８１のＸ方向の寸法を所望値にして、光ビーム３
６２を取り出す、第４Ｂ図示のシリンドリカルレンズ３
７０は電極板３７−１〜３７−４の構成する静電レンズ
に対応し、入射光ビーム３７１のＹ方向の寸法を所望値
にして、光ビーム３７２を取り出す。 電極板３８−１〜３６−４と３７−１〜３７−４とによ
る２つの静電レンズを組合せることは、第４Ｃ図示のよ
うに、２つのシリンドリカルレンズ３６０　と３７０　
とを組合せることに相当し、これによって入射光ビーム
３８１　をｘ８よびＹ方向に所望の寸法にして光ビーム
３８２を得ることができる０以上のようにして、本発明
では、ＸおよびＹ方向の寸法を可変にして、可変成形ビ
ームを実現する。 さらに、ビームのブランキング動作は第３Ｄ図に示して
いるように電極板３８−２と３７−２にそれぞれ逆符号
の電圧−Ｖ！、２および−ｖｙ、２を印加してビームを
大きく偏向させることによって行う、すなわち、本例で
は可変成形電子光学部分がブランキングも兼ね備えてい
る。 以上のようにして成形系３４で形成された成形像３５は
下段の３段静電レンズより成る投影系３８で加速、縮小
されてウェハ２０に向けて投影され、さらに偏向器Ｉ２
−４によって偏向される。なお、投影系３８のように、
２ないし３段電極で加速収束ができることは、たとえば
に、Ｋｕｒｏｄａ　ａｔ　ａｔ、による“↑ｈｒｅｅ−
ａｎｏｄｅ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ　１ｅｎｓ　ｓ
ｙｓｔｅｍ　ｆｏｒｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｅｍｉｓｓｉ
ｏｎ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏ
３ｃｏｐｅ”　　、　　Ｊ、Ａ、Ｐ、、Ｖｏｌ、４５．
Ｎｏ、５．Ｍｎ２　１９７４゜などにあるように公知の
事実である。なお本例では、投影レンズ３８の各段、す
なわち加速段、縮小段および投影段はそれぞれ１枚のみ
の電極板３８−１〜３８−３で構成しており、この電極
板にビーム軌道に応じて開口部を複数個形成している。 その結果、複数ビーム軌道にかかわらず構造が簡単であ
り、印加電源としての増幅器も１個でよい。 第５Ａ図および第５Ｂ図にビーム軌道１４に対応した偏
向器】２−４の配置を示す、４１と４２および４３と４
４はそれぞれＹおよびＸ方向に延在する偏向器支持部材
である。これら支持部材４１〜４４は格子状に配置され
ており、その各格子点に偏向器４７を配置する。各偏向
器４７には反射電子検出器４５を取付けて、ウェハ２０
から反射されて偏向器４７の方に戻る電子を検出する。 かかる偏向器を試料側から見た拡大図を第５ｃ図および
第５Ｄ図に示す、ここで４７−１から４７−４はそれぞ
れ±Ｘ、±Ｙの各偏向器であり、円柱状の中空部の中心
近傍を電子ビームが通るようにして、かかる偏向器４７
を構成する。偏向器４７の試料側には反射電子検出器４
５を配置して、マーク検出等を行う、１個の反射電子検
出器４５は±Ｘ、±Ｙの各方向において分割された単位
検出素子４５−１−４５−４より構成しているため、段
差マークの信号を高ＳＮ比で検出できる。その検出信号
は第５Ｄ図に示すように偏向器４７．７ｔ〜４７−４お
よび偏向支持部材４１−４４の内部にそれぞれ設置され
た信号線４Ｂより外部に取り出されるため、この信号線
４Ｂを流れる電流が発生する磁界および信号線４Ｂの被
膜絶縁材部での電子のチャージアップ現象がビーム軌道
に悪影響を及ぼすことはない、また、各偏向器への信号
線４８も反射電子用信号線４６と同じ箇所に同様にして
配設する。その結果、これらの信号電流および信号線４
８の被膜絶縁材がビーム軌道等に悪影響を及ぼすことも
ない。 以上で、本発明の構成を述べたが、これまで述べてきた
ことより、電子光学系として動作させる場合に、ビーム
偏向動作を除く、ビームの成形、加速、縮小、投影の各
動作は電圧を共通に印加して実現できる。すなわち、電
圧印加用の増幅器および電源は１つでよい。 つぎに、本発明の目的であるバタン描画動作の説明をす
る。 第６図において、複数のビーム軌道軸の各々に対応した
単位描画領域５１が試料（ウェハ）　２０−ヒに設定さ
れている。なお、単位領域の縦、横の寸法はビーム軌道
軸間隔に等しいか、ややそれを上回っているように設定
しておく、同図の黒丸５６はビーム照射位置を示してい
る。この単位描画領域５１は１つ以上のチップ５３を含
む、単位描画領域５１の各々は全く同形とする。したが
って、チップマーク５４の検出動作とそれに引き続くチ
ップバタン描画動作とは単位描ａｉｍ城５１のそれぞれ
において、全く同じタイミングかつ同じ動作で実行する
ことができる。すなわち、最初に単位領域の総てのチッ
プマークに対して、各ビーム軌道軸の直下にチップマー
ク５４を位置させてマーク検出を行う。 このマーク検出情報をもとに偏向器４７を個別に制御し
て、単位描画領域５１のすべてのチップの歪（変形）を
補正しながらバタン描画することが可能となる。 このような状態で、ビーム軌道軸が第６図の太線の矢印
５５に沿って移動するようにＸＹステー＆１５（第１図
）を連続的に移動させながらバタン描画を行う、第６図
の例では３往復をすることで単位描画領域５１内のバタ
ン描画が完了する。ビーム照射は単位描画領域５１毎に
同時に行っているので、この時点ですべての試料（ウェ
ハ）２０のすべての領域での描画が完了している。 ［効果１ 本発明では、照射時間を大幅に短縮できるので、生産性
を飛躍的に向上させることができる。 すなわち、可変成形ど一層を用いているため、照射回数
を従来のスポットビーム方式や固定成形ビーム方式に比
べて大幅に低減できる。また、成形ビームの寸法を小さ
くした場合には、それに応じて電流密度が向上するため
、その分だけ実照射時間を短縮できる。これにより、従
来の可変成形ビーム露光装置（例えば上述したＥＨ１１
）に比して照射時間を１７８に短縮すことが期待できる
。これに加えて、電子銃を縦５０×横２の計１００　（
Ｉｆママトリクス状配置して同時にウェハを照射するよ
うにすると、全体として照射時間は従来装置の約１／８
００　となる。 第２に、１００本のビーム軸を用いていることから１回
路系のビーム偏向整定のための待ち時間の総和も１／１
００に低減できる。 第３に、複数のチップマーク検出を同時に行うことによ
り、マーク検出回数も従来装置の１／１００に低減でき
る。従って、たとえば、従来装置では２００枚のウェハ
にｌＯ■霧角チップを描く場合、マーク検出回数は約４
０．０００回必要であり、１個のマーク検出時間を０．
２秒とした場合に８，０００秒を要していたが、本発明
よれば８０秒で済む。 第４に、複数枚のウェハをＸＹステージに同時に設置で
きるので、ウェハをＸＹステージに設置する時間の短縮
が可能となる。従来装置では１枚のウェハを設置する時
間は１５秒程度必要であり。 ２００枚の処理には３，０００秒を要していた０本発明
によれば、ＸＹステージには、４インチウェハでは、−
例として９枚同時に設置できるため、設置時間は１１８
、すなわち約３４０秒でよい。 以上より１本発明の装置では、たとえば従来の装置の８
００倍などのように大幅に生産性を向上させることがで
き、電子ビームによるウェｌ＼直接描画方式を用いて、
半導体工場において採算性よく半導体の生産を行うこと
が可能となる。 さらにまた、ウェハは年々大口径化する傾向にあるが、
本発明ではＸＹステージをウェハの設置領域が大きいも
のとすることによって、大口径ウェハに問題無く対処で
きるという長所がある。 また、静電レンズ１段を１枚の電極板で構成しているた
め、複数のビームを発生できるにもかかわらず、電子光
学系の構成は単純であり、装置の低価格化が図れるとと
もに、誤差要因が減少するため、高精度な描画を実現で
きる。さらに、成形部においてブランキングをも行うよ
うにすることができ、これによれば電子光学系の構成を
一層単純化することができる。 また、複数ビームを同時に連続移動させることにより、
生産性を損なうことなく偏向領域を小さくできるため、
偏向用ＯＡコンバータ／増増器器低価格化を図ることが
できるという長所を持つ、さらに、　ＸＹステージの試
料設置領域が大きいにもかかわらず、可動範囲はビーム
軸間程度と小さくてよいから、その可動機構も低価格と
なるという長所を有している。偏向量が小さくてもよい
という効果は電子光学系にも及ぶ、すなわち、回路系の
高速化が図れるため、主副２段偏向構成が不要で、１段
の偏向器でよい、そのため電子光学系の構成が単純とな
るという長所を持つ。 さらにまた、本発明によれば、ステージ関連のむだ時間
も大幅に低減できる。チップバタン描画動作において、
ステージの方向変換の際には、第５図に示すようにステ
ージにステップアンドリピート動作が必要である０本発
明ではこの動作回数を低減するために、たとえばビーム
軌道を縦５０、横２の５０×２の配列とし、試料（ウェ
ハ）を縦９、横１の配列でステージ上に搭載することも
できる。この場合、ビーム軌道をｌ０ＸＩ（ｌの配列と
した場合に比較して、ステージむだ時間を１７５に低減
できる。このことはまた、電子光学系の偏向量をさらに
小さくしても生産性の低下を招かないことにつながる。 以上に加うるに、複数の電子ビームを制御する際に、偏
向用の増幅器以外は同一の増幅器で成形、縮小および投
影することが可能であり、これにより装置価格を低下さ
せることが可能であなお、本発明は、荷電ビームとして
電子ビームを用いる場合に、電子ビーム露光装置への適
用の他に、複数の電子ビームを用いる走査形電子顕微鏡
（以下、ＳＥＸという）としても適用可能である。その
際、このＳＥＸを半導体素子機能の評価装置としてのス
トロボＳＥＷとして、あるいは半導体素子のバタン評価
用の寸法測定器や座標測定器として用いることも可能で
ある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明荷電ビーム露光装置の一例としての電子
ビーム露光装置の全体の構成を示す線図、 第２Ａ図および第２Ｂ図は電子銃部の一例を示す。 それぞ′れ平面図および断面図、 第３Ａ図は成形レンズ系の構成の一例を示す断面図、 第３Ｂ図および第３Ｃ図は成形レンズ系を構成する電極
板の配置例を示す断面図、 第３Ｄ図はこれら電極板を試料側から見た平面図、 第４Ａ図〜第４Ｃ図は本発明における成形レンズ系の説
明図、 第５Ａ図および第５Ｂ図は偏向器の配置を示す、それぞ
れ、断面図およびトＢ線から矢視した平面図、 ｗ４５Ｇおよび８５０図は１個の偏向器を拡大して示す
、それぞれ、平面図および断面図、 ｗ４６図は本発明におけるバタン描画動作を説明するた
めの図である。 １１・・・真空排気ポンプ、 １２・・・複数電子光学系室、 １２−１・・・電子銃部、 １２−２・・・成形レンズ系、 １２−３・・・投影レンズ系、 １２−４・・・偏向器、 １３・・・試料室、 １４・・・ビーム軌道軸、 １５・・・ｘＹステージ、 １Ｂ・・・レーザ測長器、 １トド・・レーザ光源、 １６−２・・・干渉器部、 １６−３・・・反射鏡、 １６−４・・・レーザ光路、 １７・・・ＸＹステージ駆動部、 １８・・・除振台、 １８・・・試料室真空排気ポンプ。 ２０・・・試料（ウェハ）、 ２１・・・電子銃チップ、 ２２・・・チップ支持リング、 ２３・・・支持板、 ２４・・・電極端子、 ３１・・・電子光学系単体、 ３２・・・成形アパーチャ、 ３３・・・引き出し電極、 ３４・・・成形レンズ系、 ３５・・・可変成形像、 ３６−１〜３８−４・・・Ｘ方向成形レンズ用電極板、
３７−１〜３７−４・・・Ｙ方向成形レンズ用電極板、
３８・・・投影レンズ系、 ３８−１・・・加速用電極板、 ３８−２・・・縮小用電極板。 ３８−３・・・投影用電極板、 ４１〜４４・・・偏向器支持部、 ４５・・・反射電子検出器、 ４５−１−４５−４・・・単位検出素子、４８・・・信
号線、 ４７・・・偏向器。 ４７−１〜４７−４・・・±Ｘ、±Ｙの各静電偏向器、
４Ｂ・・・信号線、 ５１・・・単位描画領域、 ５３・・・チップ、 ５４・・・チップマーク、 ５５・・・ビーム軌道軸の試料面上の経路、５６・・・
ビーム照射位置、 ３８０．３７０・・・シリンドリカルレンズ、３８１．
３７１，３８１・・・入射光ビーム、３８２．３７２，
３８２・・・出射光ビーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）荷電ビーム軌道を用いて試料面上にパタンを描画す
   る荷電ビーム露光装置において、前記荷電ビーム軌道と
   直交する面上において細長い開口部を有する第１静電レ
   ンズを少なくとも一段以上有し、前記直交する面と平行
   な面上において、前記第１静電レンズの前記細長い開口
   部と交差する方向に細長い開口部を有する第２静電レン
   ズを少なくとも一段以上有し、前記第１および第２静電
   レンズにそれぞれ印加する電圧により、当該第１および
   第２静電レンズから出射する荷電ビームのビーム断面形
   状を制御するようにしたことを特徴とする荷電ビーム露
   光装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の荷電ビーム露光装置に
   おいて、前記細長い開口部を有する第１および第２静電
   レンズの各々を互いに平行に配置した少なくとも２つの
   電極部材で構成したことを特徴とする荷電ビーム露光装
   置。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項に記載の荷電ビ
   ーム露光装置において、前記第１および第２静電レンズ
   のうちの、一方あるいは双方にブランキング電圧を印加
   可能となしたことを特徴とする荷電ビーム露光装置。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかの項
   に記載の荷電ビーム露光装置において、前記荷電ビーム
   の軌道を複数個設け、前記第１および第２静電レンズの
   各細長い開口を該開口が前記複数個の荷電ビーム軌道を
   通過させ得るように配置したことを特徴とする荷電ビー
   ム露光装置。