JP4446685B2

JP4446685B2 - 荷電粒子線発生方法、電子線露光方法および電子線近接露光方法、ならびに荷電粒子線装置、電子線露光装置および電子線近接露光装置

Info

Publication number: JP4446685B2
Application number: JP2003149345A
Authority: JP
Inventors: 幸里川村; 春生笠原; 直行中村; 憲一関
Original assignee: Holon Co Ltd
Current assignee: Holon Co Ltd
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: JP2004356204A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線（電子ビーム）などの荷電粒子線を発生させる荷電粒子線装置および荷電粒子線の発生方法に関する。より具体的には、前記荷電粒子線として電子ビームを利用する電子顕微鏡、半導体集積回路などの製造工程で使用される微細パターンを露光する電子線露光装置、および露光パターンを有するマスクを半導体ウエハなどの試料の表面に近接して配置し、マスクを通過した電子ビームで露光を行う電子ビーム近接露光装置などの電子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積化のニーズに伴い、回路パターンの一層の微細化が要望されている。現在、微細化の限界を規定しているのは主として露光装置であり、電子ビーム直接描画装置やＸ線露光装置などの新しい方式の露光装置が開発されている。
【０００３】
最近では新しい方式の露光装置として、量産レベルで超微細加工用に使用可能な電子ビーム近接露光装置が開示されている（例えば特許文献１、およびこれに対応する日本国特許出願の特許文献２）。
【０００４】
図８は、特許文献１に開示された電子ビーム近接露光装置の基本構成を示す図である。この図を参照して、従来の電子ビーム近接露光装置について簡単に説明する。
図示するように、電子光学鏡筒（カラム）１０内には、電子ビーム１５を発生する電子ビーム源１４と整形アパチャ１６と電子ビーム１５を平行ビームにする照射レンズ１８とを有する電子銃１２、対となる主偏向器２２、２４と、対となる副偏向器５１、５２とを含み、電子ビームを光軸に平行に走査する走査手段２１、露光するパターンに対応する開口を有するマスク３０、および表面にレジスト層４２が形成された試料（半導体ウエハ）４０が設けられている。電子光学鏡筒１０内は、電子ビーム１５を発生させ、および鏡筒内に存在するガスによる試料４０へのコンタミネーションを避けるために高真空状態に保たれる。
マスク３０は、厚い外縁部３４内の中央に開口の形成された薄膜部３２を有しており、試料４０は表面がマスク３０に近接するように配置される。この状態で、マスクに垂直に電子ビームを照射すると、マスクの開口を通過した電子ビームが試料４０の表面のレジスト層４２に照射される。
【０００５】
電子ビーム１５は、走査手段２１により偏向されて、図９（ａ）に示すようにマスク３０の薄膜部３２上を走査して全面にわたって露光する。ここに電子ビーム１５の露光量は、単位面積当たりに照射される電流量と照射時間との積（μＡ・ｔ／ｃｍ２）により定義される。電子ビーム近接露光装置においては、電子ビームは２ＫｅＶ程度の低いエネルギーで加速されており、これにより試料４０からレジスト層４２への電子の後方散乱を抑えて、近接効果の発生を抑制する。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第5,831,272号公報（全体）
【特許文献２】
日本特許第2951947号公報（全体）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電子ビーム露光装置においてその露光時間を短縮しスループットを上げるためには、電子ビーム１５による露光量を増大させる必要がある。そのためには、上述の露光量の定義から分かるように電子ビーム１５の電流量を増大させなければならない。一方で電子ビーム近接露光装置では、近接効果の発生を抑制するために電子ビームのエネルギーを低く保つ必要がある。したがって、電子ビーム１５の電子速度を上げずに電子密度を増大させることにより電流を増大させる。これは、電子ビーム１５が形成するクロスオーバの位置を整形アパチャ１６に近付けて整形アパチャ１６を通過する電子量を増大させる等の方法により可能である。
【０００８】
しかし、電子ビーム１５中の電子密度を増加させると、電子どうしに働く空間電荷効果が強くなり、電子ビーム１５に生じる拡散の度合いが強まる。この結果、電子ビーム１５の非平行性が強くなる。
【０００９】
一方で、マスク薄膜部３２は薄くかつ大きく形成されることが要求される。その結果、応力を適切に調節したとしても、図９（ｂ）に示すようにマスク薄膜部３２は自重による微少なたわみを生じる。マスク薄膜部３２のたわみは、その中央部の開口３６の位置と周辺部の開口３８の位置とで、試料４０との間隔（ギャップ）の相違を生じさせる（通常Ｄｃ＜Ｄｏ）。
【００１０】
したがって電子ビーム１５の非平行性が強くなると、中央部と周辺部とにおける各開口３６、３８を通過する電子ビーム１５のボケ方の相違が大きくなる。その結果として、開口３６、３８を通過した電子ビームの照射によるエネルギー蓄積量分布の相違が大きくなり、露光されるパターンの線幅にばらつきが大きくなる。
【００１１】
この線幅のばらつきは非常に微少ではあるが、半導体集積回路の高集積化に伴い、線幅のばらつきの許容範囲も厳しくなっている。例えば、現状の６５ｎｍノードの半導体集積回路では許される許容範囲は６．５ｎｍ以内とされる。しかも、等倍露光を行う電子ビーム近接露光装置の場合では、マスク不均一などの理由により生じる露光線幅への影響が大きい。したがって、上述の電子ビームの非平行性は可能な限り修正する必要がある。
【００１２】
本発明の目的は、電子ビーム露光装置において、スループット向上を図るために電子ビーム中の電子密度を増加させて露光速度を上げても、空間電荷効果による電子ビームの拡散を抑制して電子ビームを集束させることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、実験を重ねた結果、電子光学鏡筒内に微量のガスを存在させ真空度をある程度低下させると、その中で発生する電子ビームが集束してビーム平行度が改善されることを発見した。
これは、電子光学鏡筒内に存在するガスの分子が電子ビームとの衝突によって電離し、そのうち陽イオンが、電子ビームの負電荷によって電子光学鏡筒内のビーム軸中心付近の空間に引き寄せられる一方、陰イオンが、電子ビームの負電荷によって電子光学鏡筒内の周辺付近の空間に押し出されるために、ビーム軸中心から径方向に発散する電界が電子光学鏡筒内に生じ、このために電子ビームを集束させる力が生じるためと推測される。ただし、本現象に対する本質的な理由は、まだ解明には至っていない。
【００１４】
本発明は上述の知見に基づいてなされたもので、本発明に係る荷電粒子線発生方法は、上記目的を達成するために高真空状態に保たれた電子光学鏡筒（カラム）や試料室（チャンバ）等からなるハウジング内に、ガスを導入し真空度を低下させることにより、前記電子ビームを集束することとする。
【００１５】
また、本発明に係る荷電粒子線装置は、ハウジング内にガスを導入し真空度を低下させる荷電粒子線集束手段を備えることとする。
【００１６】
上述のようにハウジング内の真空度を低下させて電子ビームの集束を図ることにより、電子ビームの平行度の悪化を抑えつつ電子ビーム電流の増大を図ることが可能となり、もって電子ビーム露光装置の露光時間の短縮、スループットの増大に資する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。以下、荷電粒子線装置として電子線近接露光装置に関する実施例を例示して、説明を行うが、本発明による荷電粒子発生方法および荷電粒子線装置は、これに限定されるものではなく、より一般的な電子線露光装置や、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡等の他の電子線装置にも適用可能である。
図１に、本発明の第１実施例に係る電子ビーム近接露光装置の基本構成を示す。基本構成は、図８に示した構成及び上記の文献１に開示された構成に類似した構成を有するので、図８と同一の機能部分には同一の参照番号を付して表す。
図示するように、電子ビーム近接露光装置１の電子光学鏡筒（カラム）１０には、電子ビーム１５を発生する電子銃１４、電子ビーム１５の強度を制御する電子ビーム強度制御部６２、電子ビーム１５を平行ビームにする照射レンズ１８、主偏向器２０、および副偏向器５０、主偏光器２０および副偏光器５０を制御する偏光器制御部６０が設けられる。なお、主偏向器２０と副偏向器５０は、それぞれ１つの偏向器として示してあるが、実際には図８に示したようにそれぞれ２段構成になっている。真空試料室（チャンバ）８には、試料（半導体ウエハ）４０をウエハチャック４４により保持して移動するウエハステージ４６が設けられている。なお、ウエハステージ４６は、少なくとも電子ビーム光軸に垂直なＸＹ平面において移動可能である。
【００１８】
さらに、電子ビーム近接露光装置１は、カラム１０内およびチャンバ８内を高真空状態に減圧するための減圧手段８０および排気バルブ６０、ならびにカラム１０内およびチャンバ８内に微量のガスを導入するための電子ビーム集束手段９０、ガス導入部９２、減圧手段８０とガス導入部９２とを制御する制御部９１、カラム１０内およびチャンバ８内の真空度を検出する真空度センサー７２、ガス導入バルブ６２およびガス貯蔵部６４を備える。
【００１９】
図２に、本発明に係る電子ビーム近接露光方法のフローチャートを示す。
減圧手段８０は、電子ビーム近接露光装置１が電子ビーム源１４から電子ビーム１５を発生させる前に、図示しない排気ポンプを制御し、バルブ６０を開閉制御して、カラム１０内およびチャンバ８内のガスを排気して、高真空状態となるまで減圧する（Ｓ１０１）。
そして、電子ビーム源１４が電子ビーム１５を発生させる（Ｓ１０３）。電子ビーム１５が所望の電子ビーム電流に至ったら、電子ビーム集束手段９０内の制御部９４は、ガス導入部９２によってガス導入バルブ６２を開閉制御して、ガス貯蔵部６４に蓄えられたガスをカラム１０内およびチャンバ８内に導入し、および／または減圧手段８０を制御してバルブ６０を開閉制御して、カラム１０内およびチャンバ８内を高真空状態から低下させ、真空度センサー７２により検出されるカラム１０内およびチャンバ８内の真空度が所望の真空度となるように調整する（Ｓ１０５、Ｓ１０７）。
その後、電子ビーム１５によりマスク３０のパターンを試料４０に転写を行うが、その際に発生するガス等の影響によりカラム１０内およびチャンバ８内の真空度が変動しても前記所望の真空度を保つように、制御部９４は、減圧手段８０および／またはガス導入部９２を制御し、減圧ポンプの引き量および／または導入ガス流量を調整して、試料４０へのパターン転写が終了するまで（Ｓ１０９）、カラム１０内およびチャンバ８内の真空度を調整する（Ｓ１０５、Ｓ１０７）。
【００２０】
カラム１０内およびチャンバ８内に導入するガスとしては、電子ビーム１５を集束するだけであれば、どのような種類のものも使用することができる。しかしながらカラム１０内およびチャンバ８内にハイドロカーボン系のガスが存在すると、このガスと電子ビームとが反応して試料４０やマスク３０上にコンタミネーションが発生するので、導入するガスはこのようなコンタミネーションが発生しないガスを選択することが好適である。
【００２１】
さらに好適には、ステップＳ１０１による高真空状態において残留する残留ガスに含まれる、または露光するレジスト層４０からの蒸発により発生するハイドロカーボン系のガスを低減するために、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）、オゾン（Ｏ_３）等の反応性ガスを選択して導入することとしてもよい。
【００２２】
図３および図４に、カラム１０内およびチャンバ８内にガスを導入し、電子ビーム１５を発生させた場合の実験結果を示す。図３および図４は、ある電子ビーム放射状態において、カラム１０内およびチャンバ８内に窒素（Ｎ_２）ガスを導入して、それぞれ異なる真空度とした場合における電子ビーム１５の強度分布を示す。ここに、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ真空度を１．２×１０^−４Ｐａ、６．８×１０^−４Ｐａ、１．７×１０^−３Ｐａおよび４．９×１０^−３Ｐａとした場合を示す。
図示するとおり、真空度が１．２×１０^−４〜４．９×１０^−３Ｐａの範囲において、導入するＮ_２ガスを増加して真空度を低下させるにしたがい、電気ビーム１５は強度分布の先鋭度が増し、真空度４．９×１０^−３Ｐａのときに最も集束する。
【００２３】
図５に、本発明の第２実施例に係る電子ビーム近接露光装置の構成を示す。第２実施例に係る電子ビーム近接露光装置は、上述の第１実施例に係る電子ビーム近接露光装置に加え、電子ビーム１５の集束度を検出する集束度検出部９６と、検出した電子ビーム集束度に基づいて、カラム１０内およびチャンバ８内に導入するガスの導入量を制御するガス導入量制御部９８とを備える。
【００２４】
図６に、第２実施例に係る電子ビーム近接露光装置１に適用される、本発明の電子ビーム近接露光方法のフローチャートを示す。
減圧手段８０が、カラム１０内およびチャンバ８内を高真空状態に減圧した後（Ｓ１１１）、電子ビーム源１４が電子ビーム１５を発生させる（Ｓ１１３）。そして、電子ビーム１５が所望の電子ビーム電流に至ったら、電子ビーム集束手段９０は、ガス導入部９２によりガスをカラム１０内およびチャンバ８内に導入し、所定の真空度まで低下させる（Ｓ１１５）。
集束度検出部９６は、カラム１０内またはチャンバ８内に設けられた電子ビーム強度センサ７０によって電子ビーム１５の集束度を検出し、電子ビーム集束手段９０内の制御部９４に出力する（Ｓ１１７）。制御部９４は、ガス導入部９２およびガス導入量制御部９８により、電子ビーム１５が所望の電子ビーム集束度となるまで、導入するガスの導入量を調整する（Ｓ１１９、Ｓ１２１）。
【００２５】
図７に電子ビーム強度センサ７０の一例を示す。図７（ａ）は、ウエハステージ４６上に設けられた電子ビーム強度センサ７０の斜視図であり、図７（ｂ）は、電子ビーム強度センサ７０の断面図である。図示するように電子ビーム強度センサ７０は、電子受入口７４を有するアパチャ板７２を上面に備える。アパチャ板７２の下には、電子受入口７４を通過した電子ビームを検出するファラデーカップのような電子検出器７６を設ける。
【００２６】
以下、例示した電子ビームセンサ７０を使用した電子ビーム１５の集束度検出方法について概説する。電子ビームセンサ７０が、電子ビーム１５を横切って移動するとき（図７（ｃ）参照）、電子検出器７６により検出される電子量は、図７（ｄ）のように変化する。この検出信号をセンサ移動量によって微分することにより、集束度検出部９６は、電子ビーム１５の集束度に応じて変化する電子ビーム強度のプロファイル信号を取得することができる（図７（ｅ）参照）。集束度検出部９６は、このプロファイル信号の最大値、しきい値強度に対する分布幅等を検出することにより、電子ビーム１５の集束度を決定する。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係る荷電粒子発生方法および荷電粒子装置によって、電子ビーム中の電子密度を増加させても、空間電荷効果による電子ビームの拡散を抑制して、電子ビームを集束することができる。これにより例えば本方法および装置を電子ビーム露光装置に適用する場合には、露光に使用する電子ビームの集束を図り、電子ビームの平行度の悪化を抑えつつ電子ビーム電流の増大を図ることが可能となり、露光時間の短縮、スループットの増大に資する。また、例えば本方法および装置を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等に適用する場合には、電子ビーム径を小さくすることが可能となり、このため分解能、限界測定距離、精度の向上に資する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る電子ビーム近接露光装置の基本構成を示す図である。
【図２】本発明に係る電子ビーム近接露光方法のフローチャート（その１）である。
【図３】カラムおよびチャンバ内にガスを導入した場合の実験結果を示す電子ビーム強度分布図（その１）である。
【図４】カラムおよびチャンバ内にガスを導入した場合の実験結果を示す電子ビーム強度分布図（その２）である。
【図５】本発明の第２実施例に係る電子ビーム近接露光装置の基本構成を示す図である。
【図６】本発明に係る電子ビーム近接露光方法のフローチャート（その２）である。
【図７】電子ビーム強度センサ７０の一例を説明する図である。
【図８】従来の電子ビーム近接露光装置の基本構成を示す図である。
【図９】（ａ）は電子ビーム近接露光装置の電子ビーム１５の走査方法、（ｂ）は、マスクたわみと非平行電子ビームにより生じる露光幅の相違を説明する図である。
【符号の説明】
１…電子ビーム近接露光装置
８…試料室（チャンバ）
１０…電子光学鏡筒（カラム）
１４…電子ビーム源
１５…電子ビーム
３０…マスク
４０…試料（半導体ウエハ）
６０…排気バルブ
６２…ガス導入バルブ
６４…ガス貯蔵部
７０…電子ビーム強度センサ
８０…減圧手段
９０…電子ビーム集束手段
９２…ガス導入部
９４…制御部
９６…集束度検出部
９８…ガス導入量制御部

Claims

所定加速電圧で加速された荷電粒子線を覆うハウジング内の真空度を低下させることにより、前記荷電粒子線を集束して当該荷電粒子線の強度分布の先鋭度を増すことを特徴とする荷電粒子線発生方法。
前記ハウジング内を減圧した後、前記ハウジング内にガスを導入して前記ハウジング内の真空度を低下させることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線発生方法。
導入される前記ガスは、反応性ガスであることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子線発生方法。
前記荷電粒子線の集束度を検出し、検出した前記集束度に基づき前記ガスの導入量を制御することを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子線発生方法。
前記荷電粒子線は、電子線であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の荷電粒子線発生方法。
電子線源から発生した前記電子線で試料を露光する電子線露光方法であって、
請求項５に記載の荷電粒子線発生方法により、前記電子線を集束することを特徴とする電子線露光方法。
露光するパターンに対応するマスクを、試料の表面に近接して配置し、電子線源から発生した前記電子線を前記マスクに照射して、前記マスクを通過した前記電子線で、前記試料の表面に前記パターンを露光する電子線近接露光方法であって、
請求項５に記載の荷電粒子線発生方法により、前記電子線を集束することを特徴とする電子線近接露光方法。
荷電粒子線を発生して所定加速電圧で加速する荷電粒子源と、
前記荷電粒子源と該荷電粒子源から発生する荷電粒子線とを覆うハウジングと、
前記ハウジング内の真空度を低下させることにより、前記荷電粒子線を集束して当該荷電粒子線の強度分布の先鋭度を増す荷電粒子線収束手段と
を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
前記ハウジング内を減圧排気する減圧手段を備え、
前記荷電粒子線集束手段は、前記ハウジング内にガスを導入するガス導入部を備えることを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子線装置。
導入される前記ガスは、反応性ガスであることを特徴とする請求項９に記載の荷電粒子線装置。
前記荷電粒子線集束手段は、前記荷電粒子線の集束度を検出する集束度検出部および前記ガスの導入量を制御するガス導入量制御部とを備えることを特徴とする請求項９に記載の荷電粒子線装置。
前記荷電粒子線は、電子線であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の荷電粒子線装置。
前記荷電粒子源である電子線源から発生した前記電子線により、前記ハウジング内に配置された試料を露光する電子線露光装置であって、
請求項１２に記載の荷電粒子線装置を備えることを特徴とする電子線露光装置。
前記試料の表面に近接して配置され、露光するパターンに対応するマスクを備え、前記電子線を前記マスクに照射して、前記マスクを通過した前記電子線で、前記試料の表面に前記パターンを露光する電子線近接露光方法であって、
請求項１２に記載の荷電粒子線装置を備えることを特徴とする電子線近接露光装置。