JP7192254B2

JP7192254B2 - マルチ荷電粒子ビーム描画装置及びその調整方法

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Publication number: JP7192254B2
Application number: JP2018105030A
Authority: JP
Inventors: 慎祐西村; 宗博小笠原; 博文森田
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: JP2019212680A

Description

本発明は、マルチ荷電粒子ビーム描画装置及びその調整方法に関する。

ＬＳＩの高集積化に伴い、半導体デバイスに要求される回路線幅は年々微細化されてきている。半導体デバイスへ所望の回路パターンを形成するためには、縮小投影型露光装置を用いて、石英上に形成された高精度の原画パターンをウェーハ上に縮小転写する手法が採用されている。高精度の原画パターンは、電子ビーム描画装置によって描画され、所謂、電子ビームリソグラフィ技術が用いられている。

例えば、マルチビームを使った描画装置がある。１本の電子ビームで描画する場合に比べて、マルチビームを用いることで一度に多くのビームを照射できるのでスループットを大幅に向上させることができる。マルチビーム方式の描画装置では、例えば、電子銃から放出された電子ビームを複数の開口を持ったアパーチャアレイに通してマルチビームを形成し、各々、ブランキング制御され、遮蔽されなかった各ビームが光学系で縮小され、偏向器で偏向され試料上の所望の位置へと照射される。

マルチビーム描画では、スループットを向上させるために多数本のビームが必要となる。しかし、マルチビームを形成したり、ブランキング制御を行ったりする機構について、ビーム間ピッチの縮小化には限界がある。ビーム本数が多くなると、マルチビーム全体の像のサイズが大きくなるため、高い縮小倍率の電子光学系が必要となる。また、遮蔽された各ビームは、クロスオーバ位置に設けられるブランキングアパーチャで遮蔽されるが、照明系のクロスオーバ収差を適正化するために、クロスオーバまでの距離を大きくする必要がある。そのため、描画装置の電子ビームカラムを高くし、光学系を長くする必要がある。

しかし、光学系を長くすることにより、クーロン効果によるビームぼけが大きくなる。また、描画装置を設置するクリーンルーム等の大きさにより、電子ビームカラムの高さ寸法に制限がある。そのため、従来、複数段の対物レンズを配置することで、縮小倍率を大きくしていた。しかし、縮小倍率を大きくすると、試料面に結像される、マルチビームを成形したアパーチャ像の結像歪みが大きくなるという問題があった。

特開２０１７－１９９７５８号公報特開２００２－３４３２９５号公報特開２００２－３５３１２２号公報特開２００２－１８４３３６号公報特開２００１－３３２４７３号公報特開平１１－６７６４２号公報

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、クロスオーバ収差を適正化すると共に、アパーチャ像の結像歪みを抑えるマルチ荷電粒子ビーム描画装置及びその調整方法を提供することを課題とする。

本発明の一態様によるマルチ荷電粒子ビーム描画装置は、荷電粒子ビームを放出する放出部と、複数の第１開口部が形成され、前記複数の第１開口部を含む領域に前記荷電粒子ビームの照射を受け、前記荷電粒子ビームが前記複数の第１開口部を通過することによりマルチビームを形成すると共にマルチビームを成形する成形アパーチャアレイ基板と、前記複数の第１開口部を通過したマルチビームのうち、それぞれ対応するビームが通過する複数の第２開口部が形成され、各第２開口部にビームのブランキング偏向を行うブランカが設けられたブランキングアパーチャアレイ機構と、前記マルチビームが通過する第３開口部が設けられ、前記ブランカによってビームＯＦＦの状態になるように偏向されたビームを遮蔽する制限アパーチャ基板と、前記荷電粒子ビームを屈折させ、前記成形アパーチャアレイ基板に該荷電粒子ビームを照明する照明レンズと、前記制限アパーチャ基板よりもビーム進行方向の上流側に配置された複数段のレンズを有し、前記マルチビームのアパーチャ像を描画対象基板の表面に結像する対物レンズと、前記ブランキングアパーチャアレイ機構と前記対物レンズとの間に設けられ、前記アパーチャ像の結像歪みを補正する歪調整レンズと、前記照明レンズの励磁を制御し、前記マルチビームのクロスオーバ位置を調整して、前記アパーチャ像の結像歪みを補正する制御部と、を備えるものである。

本発明の一態様による荷電粒子ビーム描画装置において、前記照明レンズの励磁を制御し、前記マルチビームのクロスオーバ位置を調整して、前記アパーチャ像の結像歪みを補正する。

本発明の一態様による荷電粒子ビーム描画装置において、前記歪調整レンズは前記照明レンズの磁場内に配置されており、前記照明レンズの磁場強度のピークをＨ、前記成形アパーチャアレイ基板の位置での前記歪調整レンズによる磁場強度をｈとした場合、ｈ／Ｈ≧０．０５となる。

本発明の一態様による荷電粒子ビーム描画装置において、前記歪調整レンズは複数設けられる。

本発明の一態様によるマルチ荷電粒子ビーム描画装置の調整方法は、本発明のマルチ荷電粒子ビーム描画装置の調整方法であって、前記歪調整レンズを用いて前記アパーチャ像の結像歪み量を調整する工程と、前記照明レンズを用いて前記マルチビームがクロスオーバを形成する位置を制御して前記アパーチャ像の結像歪み量を調整する工程と、を前記結像歪み量が所定値以下になるまで交互に繰り返し行うものである。

本発明によれば、縮小倍率を大きくし、かつアパーチャ像の結像歪みを抑えることができる。

本発明の実施形態に係る描画装置の概略構成図である。成形アパーチャアレイ基板の平面図である。同実施形態に係る描画装置の調整方法を説明するフローチャートである。ＯＮビームの切り替え例を示す図である。（ａ）（ｂ）は歪んだアパーチャ像の例を示す図である。歪調整レンズの励磁とアパーチャ像の結像歪み量との関係を示すグラフである。歪み量を所定値以下にしたアパーチャ像の例を示す図である。レンズ磁場の例を示す図である。クロスオーバ位置と歪み量との関係の例を示すグラフである。レンズ磁場の例を示す図である。

以下、実施の形態では、荷電粒子ビームの一例として、電子ビームを用いた構成について説明する。但し、荷電粒子ビームは、電子ビームに限るものではなく、イオンビーム等の荷電粒子を用いたビームでも構わない。

図１は、本発明の実施形態に係るマルチビーム描画装置の概略構成図である。図１に示すように、マルチビーム描画装置は、描画部Ｗと制御部Ｃを備えている。描画部Ｗは、電子鏡筒１０２と描画室１０３を備えている。電子鏡筒１０２内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４、歪調整レンズ２０５、制限アパーチャ基板２０６、偏向器２０８、及び対物レンズ２１０が配置されている。

対物レンズ２１０は複数段の電磁レンズからなり、図１に示す例では電磁レンズ２１２，２１４，２１６を有する。電磁レンズ２１２，２１４は、制限アパーチャ基板２０６よりも上方（ビーム進行方向の上流側）に設けられ、電磁レンズ２１６は制限アパーチャ基板２０６よりも下方（ビーム進行方向の下流側）に設けられている。

描画室１０３内には、ＸＹステージ１０５及び検出器２２０が配置される。ＸＹステージ１０５上には、描画対象の基板１０が配置される。基板１０には、半導体装置を製造する際の露光用マスクや、半導体装置が製造される半導体基板（シリコンウェハ）等が含まれる。また、基板１０には、レジストが塗布された、まだ何も描画されていないマスクブランクスが含まれる。ＸＹステージ１０５上には、さらに、マーク２０が設けられている。マーク２０は、例えば十字形状の金属製マークである。検出器２２０は、マーク２０をビームスキャンした際の反射電子（又は二次電子）を検出する。

制御部Ｃは、制御計算機１１０、偏向制御回路１３０、レンズ制御回路１３２、及び記憶装置１４０を有している。記憶装置１４０（記憶部）は、例えば磁気ディスク装置であり、外部から入力された描画データを格納している。レンズ制御回路１３２は、照明レンズ２０２、歪調整レンズ２０５、対物レンズ２１０の励磁を制御する。偏向制御回路１３０には、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４が接続される。また、偏向制御回路１３０には、図示しないＤＡＣアンプユニットを介して偏向器２０８が接続される。

図１では、実施の形態を説明する上で必要な構成を示しており、その他の構成の図示は省略している。

図２は成形アパーチャアレイ基板２０３の構成を示す概念図である。図２において、成形アパーチャアレイ基板２０３には、縦（ｙ方向）ｐ列×横（ｘ方向）ｑ列（ｐ，ｑ≧２）の開口（第１開口部）２０３ａが所定の配列ピッチでマトリクス状に形成されている。各開口２０３ａは、共に同じ寸法形状の矩形で形成される。開口２０３ａは円形であっても構わない。これらの複数の開口２０３ａを電子ビーム２００の一部がそれぞれ通過することで、マルチビームＭＢが形成される。

ブランキングアパーチャアレイ機構２０４は、成形アパーチャアレイ基板２０３の下方に設けられ、成形アパーチャアレイ基板２０３の各開口２０３ａの配置位置に合わせて通過孔（第２開口部）が形成されている。各通過孔には、対となる２つの電極の組からなるブランカが配置される。ブランカの一方の電極はグラウンド電位で固定されており、他方の電極をグラウンド電位と別の電位とに切り替える。各通過孔を通過する電子ビームは、ブランカに印加される電圧によってそれぞれ独立に偏向される。このように、複数のブランカが、成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の開口２０３ａを通過したマルチビームＭＢのうち、それぞれ対応するビームのブランキング偏向を行う。

電子銃２０１（放出部）から放出された電子ビーム２００は、照明レンズ２０２により屈折させられ、成形アパーチャアレイ基板２０３全体を照明する。成形アパーチャアレイ基板２０３には、矩形の複数の開口２０３ａが形成され、電子ビーム２００は、すべての複数の開口２０３ａが含まれる領域を照明する。電子ビーム２００の一部が、成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の開口２０３ａを通過することによって、複数の電子ビーム（マルチビームＭＢ）が形成される。マルチビームＭＢは、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４のそれぞれ対応するブランカ内を通過する。ブランカは、それぞれ、通過するビームを、設定された描画時間（照射時間）ビームがＯＮ状態になるようにブランキング制御する。

ブランキングアパーチャアレイ機構２０４を通過したマルチビームＭＢは、照明レンズ２０２による屈折により、制限アパーチャ基板２０６の中心に形成された開口部（第３開口部）に向かって進む。そして、マルチビームＭＢは、制限アパーチャ基板２０６の開口部の高さ位置でクロスオーバを形成する。

ここで、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４のブランカによって偏向されたビームは、制限アパーチャ基板２０６の開口部から位置がはずれ、制限アパーチャ基板２０６によって遮蔽される。一方、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４のブランカによって偏向されなかったビームは、制限アパーチャ基板２０６の開口部を通過する。このように、制限アパーチャ基板２０６は、各ブランカによってビームＯＦＦの状態になるように偏向されたビームを遮蔽する。

ビームＯＮになってからビームＯＦＦになるまでに形成された、制限アパーチャ基板２０６を通過したビームにより、１回分のショットの各ビームが形成される。制限アパーチャ基板２０６を通過したマルチビームＭＢの各ビームは、レンズ制御回路１３２によって励磁された対物レンズ２１０（電磁レンズ２１２，２１４，２１６）により、成形アパーチャアレイ基板２０３の開口２０３ａの所望の縮小倍率のアパーチャ像となり、基板１０上に焦点調整される。そして、偏向器２０８によって、制限アパーチャ基板２０６を通過した各ビーム（マルチビーム全体）が同方向にまとめて偏向され、各ビームの基板１０上のそれぞれの照射位置に照射される。

例えば、ＸＹステージ１０５が連続移動している時、ビームの照射位置がＸＹステージ１０５の移動に追従するように偏向器２０８によって制御される。一度に照射されるマルチビームＭＢは、理想的には成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の開口２０３ａの配列ピッチに上述した所望の縮小率を乗じたピッチで並ぶことになる。描画装置は、ショットビームを連続して順に照射していくラスタースキャン方式で描画動作を行い、所望のパターンを描画する際、不要なビームはブランキング制御によりビームオフに制御される。

マルチビームＭＢを高い縮小倍率で縮小するために、複数段の電磁レンズからなる対物レンズ２１０が設けられている。縮小倍率を大きくすると、基板１０の表面におけるマルチビームのアパーチャ像（成形アパーチャ像）の結像歪みが大きくなる。本実施形態では、この結像歪みを抑えるために、照明レンズ２０２の励磁を制御して、クロスオーバの位置を調整する。また、制限アパーチャ基板２０６の上方に設けられた対物レンズ２１０（電磁レンズ２１２，２１４）とブランキングアパーチャアレイ機構２０４との間に歪調整レンズ２０５を設け、歪調整レンズ２０５によるレンズ磁場を調整して、結像歪みを低減する。クロスオーバ位置の調整と、歪調整レンズによるレンズ磁場の調整とを交互に繰り返し行うことで、結像歪みを所定の許容値以下に抑える。

図８に、照明レンズ２０２、歪調整レンズ２０５、対物レンズ２１０によるレンズ磁場ＭＦ１、ＭＦ２、ＭＦ３の例を示す。照明レンズ２０２は、磁極２０２ａ及び電磁コイル２０２ｂを有する。図中、破線Ｌ１はマルチビームの中心ビームのアパーチャ像の結像軌道を示し、一点鎖線Ｌ２は光軸を示す。電磁コイル２０２ｂに電流を流すことで磁束が作られ、磁極２０２ａ（ヨーク）の隙間から磁束漏れを起こして、電磁レンズとなる。

描画装置の調整方法を図３に示すフローチャートに沿って説明する。

照明レンズ２０２の励磁を変えて、ビーム進行方向におけるクロスオーバの位置を変える。クロスオーバの位置毎にマルチビームＭＢのアパーチャ像の歪み量を測定し、歪み量が最小になるクロスオーバの位置を求める（ステップＳ１）。

アパーチャ像の歪み量を測定する際は、ビームでマーク２０をスキャンする。例えば、図４に示すように、ＯＮビームを順に切り替え、各ビームでマーク２０をスキャンし、検出器２２０で反射電子（２次電子）を検出する。検出回路１３４が、検出器２２０の検出値を増幅し、デジタルデータに変換して制御計算機１１０へ送信する。制御計算機１１０は、検出器２２０による検出結果から、各ビームの位置を測定し、アパーチャ像を得る。歪みのあるアパーチャ像は、例えば図５（ａ）や図５（ｂ）のような形状となる。例えば制御計算機１１０は、歪み量ΔｒをΔｒ＝ｒ１＋ｒ２＋ｒ３＋ｒ４から算出する。

図９は、クロスオーバ位置と歪み量Δｒとの関係の一例を示すグラフである。クロスオーバ位置を変えることで、歪み量Δｒが変化する。

クロスオーバの位置を調整して得られる歪み量Δｒ（最小化した歪み量）が所定の許容値より大きい場合（ステップＳ２＿Ｎｏ）、歪調整レンズ２０５の励磁を調整し、歪み量Δｒを最小化する励磁を算出する（ステップＳ３）。所定の許容値は、多重描画で補正可能な値であり、例えば５ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下である。

歪調整レンズ２０５の励磁を変更し、励磁毎の歪み量Δｒを測定する。これにより、例えば図６に示すような、歪調整レンズ２０５の励磁と歪み量Δｒとの関係が得られ、歪み量Δｒを最小化する（例えばΔｒをゼロにする）励磁を算出する。

算出した励磁を歪調整レンズ２０５に設定し（ステップＳ４）、再度、ステップＳ１，Ｓ２を実行する。歪み量Δｒが所定の許容値以下となるまで、クロスオーバ位置の調整と、歪調整レンズ２０５の励磁の調整とを繰り返し行う（ステップＳ１～Ｓ４）。歪み量Δｒが所定の許容値以下となる場合（ステップＳ２＿Ｙｅｓ）、対物レンズ２１０（電磁レンズ２１２，２１４，２１６）の励磁を調整して、縮小倍率が所望の範囲内になるようにすると共に、アパーチャ像の回転を調整する（ステップＳ５）。

対物レンズ２１０の励磁の調整後、アパーチャ像の歪み量Δｒを測定する（ステップＳ６）。対物レンズ２１０の励磁を調整したことで歪み量Δｒが所定の許容値を超えた場合は（ステップＳ７＿Ｎｏ）、歪調整レンズ２０５の励磁の調整、クロスオーバ位置の調整を再度行う（ステップＳ１～Ｓ４）。

アパーチャ像の歪み量Δｒが所定の許容値以下になるまで上記の処理を繰り返す。これにより、図７に示すような、歪みが極めて小さく高い縮小倍率のアパーチャ像が得られる。

照明レンズ２０２、歪調整レンズ２０５及び対物レンズ２１０の励磁を設定した描画装置を用いて、基板１０にパターンを描画する。まず、制御計算機１１０が、記憶装置１４０から描画データを読み出し、描画データに対し複数段のデータ変換処理を行って装置固有のショットデータを生成する。ショットデータには、各ショットの照射量及び照射位置座標等が定義される。

制御計算機１１０は、ショットデータに基づき各ショットの照射量を偏向制御回路１３０に出力する。偏向制御回路１３０は、入力された照射量を電流密度で割って照射時間ｔを求める。そして、偏向制御回路１３０は、対応するショットを行う際、照射時間ｔだけビームＯＮするように、対応するブランカに印加する偏向電圧を制御する。

制御計算機１１０は、ショットデータが示す位置（座標）に各ビームが偏向されるように、偏向位置データを偏向制御回路１３０に出力する。偏向制御回路１３０は、偏向量を演算し、偏向器２０８に偏向電圧を印加する。これにより、その回にショットされるマルチビームがまとめて偏向される。

以上のように、本実施形態によれば、クロスオーバ位置の調整と、歪調整レンズ２０５の励磁調整とを繰り返すことにより、アパーチャ像の歪み量を極めて小さくできる。

図１０に示すように、照明レンズ２０２の磁極２０２ａのビーム進行方向下流側開口のボア径Ｄを大きくし、照明レンズ２０２による磁場が、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４の下流までのびる（持続する）ようにすることが好ましい。例えば、歪調整レンズ２０５の位置まで照明レンズ２０２の磁場ＭＦ１をのばす。このように、照明レンズ２０２の磁場ＭＦ１内に歪調整レンズ２０５を配置することで、歪調整レンズ２０５による磁場を小さいものにできる。

例えば、照明レンズ２０２の磁場強度のピークをＨ、成形アパーチャアレイ基板２０３（又はブランキングアパーチャアレイ機構２０４）の位置での歪調整レンズ２０５による磁場強度をｈとした場合、ｈ／Ｈ≧０．０５程度とすることが好ましい。また、歪調整レンズ２０５による磁場の影響で、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４を通過するビームがブランキングアパーチャアレイ機構２０４の通過孔の側壁に衝突しないように、歪調整レンズ２０５の磁場強度を設定する。

アパーチャ像の縮小倍率の変化を小さくするために、歪調整レンズ２０５は、成形アパーチャアレイ基板２０３にできるだけ近い方が好ましく、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４の近傍（直下）に配置することが好ましい。

歪調整レンズ２０５は複数段のレンズで構成されていてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０基板
２０マーク
１０２電子鏡筒
１０３描画室
１０５ＸＹステージ
１１０制御計算機
１３０偏向制御回路
１４０記憶装置
２００電子ビーム
２０１電子銃
２０２照明レンズ
２０３成形アパーチャアレイ基板
２０４ブランキングアパーチャアレイ機構
２０５歪調整レンズ
２０６制限アパーチャ基板
２０８偏向器
２１０対物レンズ

Claims

荷電粒子ビームを放出する放出部と、
複数の第１開口部が形成され、前記複数の第１開口部を含む領域に前記荷電粒子ビームの照射を受け、前記荷電粒子ビームが前記複数の第１開口部を通過することによりマルチビームを形成すると共にマルチビームを成形する成形アパーチャアレイ基板と、
前記複数の第１開口部を通過したマルチビームのうち、それぞれ対応するビームが通過する複数の第２開口部が形成され、各第２開口部にビームのブランキング偏向を行うブランカが設けられたブランキングアパーチャアレイ機構と、
前記マルチビームが通過する第３開口部が設けられ、前記ブランカによってビームＯＦＦの状態になるように偏向されたビームを遮蔽する制限アパーチャ基板と、
前記荷電粒子ビームを屈折させ、前記成形アパーチャアレイ基板に該荷電粒子ビームを照明する照明レンズと、
前記制限アパーチャ基板よりもビーム進行方向の上流側に配置された複数段のレンズを有し、前記マルチビームのアパーチャ像を描画対象基板の表面に結像する対物レンズと、
前記ブランキングアパーチャアレイ機構と前記対物レンズとの間に設けられ、前記アパーチャ像の結像歪みを補正する歪調整レンズと、
前記照明レンズの励磁を制御し、前記マルチビームのクロスオーバ位置を調整して、前記アパーチャ像の結像歪みを補正する制御部と、
を備えるマルチ荷電粒子ビーム描画装置。
前記歪調整レンズは複数設けられることを特徴とする請求項１に記載のマルチ荷電粒子ビーム描画装置。
請求項１又は２に記載のマルチ荷電粒子ビーム描画装置の調整方法であって、
前記歪調整レンズを用いて前記アパーチャ像の結像歪み量を調整する工程と、前記照明レンズを用いて前記マルチビームがクロスオーバを形成する位置を制御して前記アパーチャ像の結像歪み量を調整する工程と、を前記結像歪み量が所定値以下になるまで交互に繰り返し行うことを特徴とするマルチ荷電粒子ビーム描画装置の調整方法。