JPS6161414A

JPS6161414A - マルチ荷電ビ−ム露光装置

Info

Publication number: JPS6161414A
Application number: JP18279384A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Saito; 賢一斎藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1984-09-03
Filing date: 1984-09-03
Publication date: 1986-03-29

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】〔発明の利用分野〕本発明は、集積回路回路素子等の製造工程において、複
数本の荷電ビームを用いてウェハやマスク基板等の試料
に微細パターンを描画するマルチ荷電ビーム露光装置に
関するものである。

〔発明の背景〕

マルチ電子ビーム露光装置の一例として、１、Ｂｒｏｄ
ｉｅ、Ｅ、Ｒ，すａｓｔｅｒｂｅｒｇ、Ｄ、Ｒ，Ｃｏｎ
ｅ。

Ｊ、Ｊ、Ｍｕｒａｙ、　Ｎ、Ｗｉｌｌｉａｍｓ、　ａｎ
ｄ　Ｌ、Ｇａ５１ｏｒｅｋ　：　”ＡＭｕｌｔｉｐｌｅ
−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｆｌＯａＩｌｌＩＥｘｐｏｓｕｒ
ｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒＨｉｇｈ−Ｔｈｒｏｕｇｈｐ
ｕｔ、Ｄｊ、ｒａｃｔ−Ｗｒｉｔｅ　Ｓｕｂｍｉｃｒｏ
ｍｅｔｅｒＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”、ＩＩＥＩＥＥ　
Ｔｒａｎｓ、ｏｎ　ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ、
　Ｖｏｌ、ＥＤ−２８，ｐ、１４２２　（１９８１）に
掲載されている装置を第１図に示す、１０１は電子銃、
１０２は照射レンズ、１０３はブランカ、１０４はオブ
ジェクドパアパーチャ、　１０５および１０６は偏向器
、１０７は静電レンズ、１０８は静電レンズ１０７を多
数配置することで構成したフライズアイレンズ、１０９
はステージ、１１０はステージ１０９に搭載したウェハ
、１１１は電子銃１０１から放出されオブジェクト・ア
パーチャ１０４に到達するまでの電子ビーム、１１２は
オブジェクト・アパーチャ１０４を通過しフライズアイ
レンズ１０８に到達するまでの電子ビーム、１１３に代
表される電子ビームはフライズアイレンズ１０８を通過
した後の電子ビームである。

電子銃１０１内には陰極から放出された電子ビームによ
ってクロスオーバが作られている。電子ビ−ムｌｌｌは
電子銃１０１内のクロスオーバから放射状に拡がり、照
射レンズ１０２を通ってオブジェクト・アパーチャ１０
４上に集束している。すなわち、照射レンズ１０２によ
って、電子銃１０１内のクロスオーバの像が、オブジェ
クト・アパーチャ１０４上に形成されている。オブジェ
クト・アパーチャ１０４を通過した電子ビーム１１２は
放射状に拡がり、フライズアイレンズ１０８の全面をほ
ぼ一様に照射している。フライズアイレンズ１０８の直
径は約１０ａｎである。オブジェクト・アパーチャ１０
４からフライズアイレンズ１０８までの距離は約１ｍで
ある。フライズアイレンズ１０８の各静電レンズ１０７
を通して、オブジェクト・アパーチャ１０４の像が、ウ
ェハ１１０上に投影されている。

オブジェクト・アパーチャ１０４からフライズアイレン
ズ１０８までの距離は固定されているので、電子ビーム
１１２がフライズアイレンズ１０８を照射する円形領域
の半径は電子ビーム１１２の開き角α０によって制限さ
れる。収差のない電子光学系において、クロスオーバの
径をｄ、クロスオーバにおけるビーム開き角をα、クロ
スオーバの電位をＶとすると、ラグランジューヘルムホ
ルツの法則により、ｄ・α・ｖ′は保存される。そこで
、第１図に示した光学系において、電子銃１０１内のク
ロスオーバの直径をｄｏ、電子銃１０１内のクロスオー
バにおけるビーム開き角をαｃ、電子銃１０１内のクロ
スオーバの電位をＶＣとし、オブジェクト・アパーチャ
１０４上のクロスオーバの直径をｄｏ、オブジェクト・
アパーチャ１０４上のクロスオーバにおけるビーム開き
角をα。、オブジェクト・アパーチャ１０４上のクロス
オーバの電位をｖｏとすると、ｄ。・・。・Ｖノ＝ｄｏ
・α。・Ｖノ＝Ｃ（１）の関係が成り立つ。ここで、Ｃ
は定数である。

この装置では、フライズアイレンズ１０８を構成する静
電レンズ１０７にアパーチャレンズ（レンズを境界にし
て像面側の空間と物面側の空間の電位が異なるレンズ）
を用いている。オブジェクト・アパーチャ１０４および
フライズアイレンズ１０８に１ｋＶ、ウェハ１１０に９
ｋＶが印加されている。オブジェクト・アパーチャ【０
４は一辺が５０−の正方形に構成されている。オブジェ
クト・アパーチャ１０４上のクロスオーバの直径は４２
　Ｘ５０＝７１ａｍである。

電子ビーム１１２はフライズアイレンズ１０８の全面を
照射しているので、その開き角α。はａｒｃｔａｎ（５
ａａ／　１　ｍ　）　＝　５０ｍｒａｄである。そこで
１式（１）に、ｖ０＝１ｋＶ、α。＝５０ｍｒａｄ、　
ｄｏ＝７１ｕｒｎを代入して、定数Ｃの値を求めると、
Ｃ＝＝　３５００−・ｍｒａｄ　・（ｋＶ）２となる。

ところで、試料に入射する電子ビームのエネルギーを高
くすると、試料内での電子散乱による横方向への電子の
広がりが小さくなるのでパターンの解像度が上がり、微
細パターン描画に有利とされている。第１図に示した装
置で超微細パターンを描画するために、ウェハ１１０に
、たとえば５０ｋＶの電圧を印加した場合を考える。こ
の装置でば、フライズアイレンズ１０８に用いたアパー
チャレンズの結像条件より、オブジェクト・アパーチャ
１０４の電位Ｖ。はウェハ１１０の電位の１／９に保つ
必要がある。したがって、ウェハ１１０に５０ｋＶを印
加した場合、オブジェクト・アパーチャ１０４の電位ｖ
０は５．６ｋＶとなる。このとき、電子ビーム１１２の
開き角α。は、式（１）に、ｄ　ｏ　＝　７１　ｔｍ、
　Ｖ　ｏ　＝　５　、６ｋＶ、　Ｃ＝３５００ｍ　・ｍ
ｒａｄ　・（ｋＶ））を代入することにより、２１＋＋
ｒａｄとなる。これより、電子ビーム１１２がフライズ
アイレンズ１０８を照射する円形領域の半径は２．ｌａ
ｉとなる。すなわち、電子ビーム１１２がフライズアイ
レンズ１０８を照射する領域の面積は、フライズアイレ
ンズ１０８の全面にビームが照射されている場合に比べ
て約１／６となる。このように、この装置で超微細パタ
ーンを描画するためにウェハ１１０に５０ｋＶの電圧を
印加した場合、同時に電子ビーム照射で露光できる領域
が１７６に減少するため、ステージ移動回数が６倍に増
大し、ステージ移動に伴うむだな時間が増大するという
問題がある。

また、この装置では、電子銃１０１に３電極電子銃を用
いており、陰極材料には仕事関数の低いＴｈｅ、入りの
タングステンを採用しているが、フライズアイレンズ１
０８を通過した後の電子ビーム１１３の電流値は１０ｎ
Ａという小さな値にしかならない。このため、この電子
銃を用いた装置では、実露光時間（電子ビームがレジス
トを照射し露光するのに要する時間）が増大し、この時
間を大幅に減少させることは難しいという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的はこれらの問題点をｍ決し、ビームの加速
電圧が高い場合でも、フライズアイレンズ中のすべての
静電レンズに高い電流値の電子ビームを照射でき、スル
ープットを大幅に向上させることができるマルチ荷電ビ
ーム露光装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために本発明は、先端形状がほぼ球
面である陰極と、中央部の形状が上記陰極の先端球面の
中心とほぼ同じ中心を持つほぼ球面で、かつ該中央部に
複数の孔を設けた陽極と。

上記陰極と上記陽極との間に設けたビーム制御型１　　
　　　　極とから成り、上記陽極中央部の周辺部および
上記ビーム制御電極の形状および位置がピアス銃の条件
を満たす電子銃を有することを特徴とする。

次に１本発明になる電子銃について説明する。

第２図は、本発明になる電子銃の概念を説明するための
断面図である。２０１は陰極、２０２は陽極、２０３は
ビーム制御電極、２０４〜２０８は陽極２０２にあけた
陽極孔、２０９は陰極２０１から放出された電子ビーム
、２１０〜２１４は陽極孔２０４〜２０８を通過した後
の電子ビームである。一点鎖線ｏｏ′は当該電子銃の中
心軸である。ここに示した電子銃では、陰極２０１、陽
極元２０４〜２０８を除いた陽極２０２の形状、および
ビーム制御＠　ｉ　２０３は中心軸００′に対して回転
対称である。

第２図において、陰極２０１の先端の形状は球面になっ
ている。陽ｊｉ４ｉ２０２において、ＣＤで示した部分
を陽極中央部と呼ぶ、陽極中央部は、陰極先端の球面と
同一の中心を持つ球面になっている。

陽極中央部には陽極孔２０４〜２０８が配置しである。

その様子を第３図に示す。第３図は第２図で示した陽極
２０２の平面図である。３０１〜３０８は陽極孔２０４
〜２０８と同様の陽極孔である。第２図において。

陽極２０２のＡＢＣで示した部分（以後、この部分を陽
極周辺部と呼ぶ）、およびビーム制御電極２０３は、後
に述べるピアス銃の条件を満足するように。

形状および位置を定める。陽極周辺部ＡＢＣおよびビー
ム制御電極２０３を、ピアス銃の条禅を満足するように
配置した場合、陰極２０１の先端より電子ビーム２０９
は放射状に拡がり、ＰＣより外側にはビームはほとんど
行かない、なお、電子銃は空間電荷制限状態で使用する
。

ここで、陰極先端球面の半径がＲｏ、陽極中央部の半径
がＲａ、電子ビーム２０９の開き角がαの場合について
、陽極周辺部ＡＢＣおよびビーム制御電極２０３の形状
、位置の決定方法を説明する。この方法では、Ｊ、Ｒ，
Ｐｉｅｒｃｅ　：“Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉ＋
；ｎｏｆ　ＥＬＥＣＴＲＯＮ　ＢＥＡＭＳ”、　Ｄ、Ｖ
ＡＮ、　Ｎ０ＳＴＲＡＮＤ　ＣＯＭＰＡＮＹ。

ＩＮＣ，（１９５４）に掲載されている、ピアス銃の電
極決定に用いられている考え方を用いている。第４−に
示すような、モデル化した電子銃を考える。

４０１は陰極、４０２は陽極である。陰極４０１と陽極
／１０２は同心球であり、陰極４０１の半径をＲｏ　、
陽極４（）２の半径をＲａとする。この電子銃では、陰
極４０１から、あらゆる方向に一様に電子が放出されて
いる。

この電子銃の、空間電荷制限状態における動径Ｒ方向に
沿った電位分布Ｖ　（Ｒ）を計算する。第２図において
、■ＰＣに沿う電位分布がＶ　（Ｒ）となる、■ＰＣに
垂直な方向の電界成分はＯとなる。

という条件がピアス銃の条件である。これらの条件を満
足するように、陽極周辺部ＡＢＣおよびビーム制御電極
２０３の形状および位置を決定する。

第２図に示した本発明になる電子銃においては、例えば
陰極先端の球面の半径ＲＯが２１Ｔｆｉ、陽極中央部の
半径Ｒ６が１０ｍ、電子ビーム２０９の開き角αが４５
″である。上記に述べた方法にしたがって、まず、第４
図において、Ｒ６＝２＋ｍ＋、Ｒａ　＝　１０ｍｍとし
、陰極４０１にＯｖ、陽極４０２に１ｖを印加して。

空間電荷制限状態における動径方向の電位分布Ｖ（Ｒ）
を計算した。この結果を第５図に実線で示す、なお、Ｖ
　（Ｒ）は陽極４０２に印加する電圧に依存しない。つ
ぎに、第２図における。ＢＣとＰＣとのなす角度Ｏａと
、ＨＫとＰＣとのなす角度θ、を変化させ、陰極２０１
およびビーム制御電極２０３にＯＶ、陽極２０２に１ｖ
を印加したときの、ＰＣに沿う電位分布を有限要素法に
より求めた。

この結果、θ、＝７２．５°、　　ｏｕ＝６１”　にす
ると、第５図に点線で示すような、実線とほぼ一致する
電位分布が得られた。このとき、ＰＣに垂直な方向の電
界成分は０であった。以上により、θ、を７２．５”　
、θ８を６７″　とした。

陽極孔２０４〜２０８を通過した後の各電子ビーム２１
０−２１４に対するパービアンスＰ　＝　Ｉ　／　Ｖ　
ａｒ（ただし、Ｉ：［子ビーム２１０〜２１４のそれぞ
れの電流値、ｖａ：電子ビーム２１０〜２１４の加速電
圧）は、次式で表わされる。

Ｐ　＝（８πｔ　、／　９）・（２ｅ／ｍ）’（１−ｃ
ｏｓＯ）／ｋ”　　（２）ここで、ε。は真空の誘電率
、ｅは電子の電荷量、ｍは電子の静止質量、θは陰極先
端から陽極孔を見込む半開き角である。には陰極先端球
面の半径Ｒｏと陽極中央部の半径Ｒ１どの比で決まる定
数である。ε。、ｅ、ｍの値は既知であり、これらを式
（２）に代入すると、Ｐ　＝１４．６６Ｘ１０−’Ｘ（１−ｃｏｓＯ）／ｋ”
　　（Ａ／Ｖ’）　　（３）となる。陽極孔２０４〜２
０８，３０１〜３０４の直径は０．０２５ｎｓｍである
。このとき、０は１　、２５ｍｒａｄである。

Ｒ−／　ＲＯは５であり、これに対応するに２の値は、
Ｂ、Ｉルａｎｇｍｕｉｒ　ａｎｄ　Ｋ、Ｂ、Ｂｌｏｄｇ
ｅｔｔ　：“Ｃｕｒｒｅｎｔｓｌｉｍｉｔｅｄ　ｂｙ　
５ｐａｃｅ　ｃｈａｒｇｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｎｃ
ｅｎｔｒｉｃｓｐｈｅｒｅｓ”、　Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、
２４．ｐ、４９．　（１９２４）を参照すると、１．１
４１となる。式（３）に、θ＝　１　、２５ｍｒａｄ、
ｋ”＝１．１４１を代入することにより、各電子ビーム
２１０〜２１４に対するパービアンスＰは、　１．０Ｘ
１０Ａ／Ｖ”となる。たとえば、陽極２０２に５．６ｋ
Ｖを印加した場合、各電子ビーム２１０〜２１４の電流
値は、それぞれ４．２μＡという大きな値になる。

以上の説明では、電子ビームの開き角α、陰極先端の半
径Ｒ０、陽極中央部の半径Ｒ，などの一つの組合せにつ
いて、本衰明の電子銃の一例を示した。それ以外の組合
せについても、以上に説明した方法にしたがって電子銃
を設計できる。また、陽極孔の位置、個数に関しても、
いろいろな組合せが可能である。

本発明の電子銃によれば、電子ビームの開き角α、およ
び陽極孔の位置を適当に選ぶことにより、陽極孔を通過
した後の各電子ビームと電子銃の中心軸との成す角度を
任意に設定することができる。

また、陰極先端の球面の半径Ｒ０、陽極中央部の半径Ｒ
，および陽極孔の直径を適当に選ぶことにより、電子銃
のパービアンスを大きくすることができ、電子銃から放
出される複数の電子ビームのそれぞれの電流値を大きく
できる。

ここでは、陰極の先端、および陽極中央部が完全な球面
の場合を例にとり本発明の詳細な説明してきたが、陰極
から放出される電子ビームの電流密度の一様性を乱さな
い程度に、■陰極の先端、および陽極中央部の形状が球
面からずれている場合、たとえば、球面に近い楕円面、
放物面、双曲面である場合、■陰極の先端の球面の中心
と陽極中央部の球面の中心がずれている場合、でも同様
の効果が得られることが発明者〆により確認されている
。

〔実施例〕

つぎに１本発明による電子銃を用いた１本発明のマルチ
電子ビーム露光装置の実施例について説明する。本発明
の実施例として、複数の電子ビームを用いてウェハ上に
複数のＬＳＩパターンを同時に露光可能なマルチ電子ビ
ーム露光装置を第６図に示す。６０１は本発明による電
子銃、６０２はブランカ、６０３および６０４は偏向器
、６０５は静電レンズ、６０６は静電レンズ６０５を多
数配置することで構成したフライズアイレンズ、６０７
はステージ、６０８はステージ６０７に搭載したウェハ
、６０９はオブジェクト・アパーチャ、６１０〜６１４
は電子銃６０１から放出された電子ビームである。

電子ビーム６１０〜６１４は電子銃６０１から放射状に
放出され、オブジェク１〜・アパーチャ６０９を通して
、フライズアイレンズ６０６上の静電レンズ６０５を照
射している。フライズアイレンズ６０６の直径は約１０
ｃｍである。電子ビーム６１０〜６１４の各々のビーム
に１個のオブジェク１−・アパーチャ６０９、および１
個の静電レンズ６０５を対応させている。フライスアイ
レンズ６０６上の個々の静電レンズ６０５によって、オ
ブジェクト・アパーチャ６０９の像がウェハ上に電子ビ
ームの本数分だけ投影される０本実施例では、フライズ
アイレンズ６０６を構成する静電レンズ６０５にアパー
チャレンズを用い、電子銃６０１の陽極、オブジェクト
・アパーチャ６０９およびフライズアイレンズ６０６に
５，６ｋＶ、ウェハ６０８に５０ｋＶを印加している。

偏向器６０３，６０４によって電子ビーム６１０〜６１
４を一方向に偏向走査する。ＬＳＩのパターンデータに
基づいて、ブランカ６０２にブランキング信号を加え、
電子ビーム６１０〜６１４を偏向信号と同期させてオン
・オフする。ステージ６０７は、電子ビーム６１０〜６
１４の偏向走査方向と直角の方向に連続的に移動する。

このようにして、各ＬＳＩチップにおいて、（偏向走査
幅Ｘチップ−辺の長さ）の領域を同時に描画する。この
領域のパターン描画が終わると、ステージ６０７を偏向
走査幅だけ、電子ビーム６１０〜６１４の偏向走査方向
と同じ方向に移動させ、つぎの領域のパターン描画をＵ
Ｆ４始する。この動作を繰り返すことにより、ウェハ６
０８の全面にＬＳＩパターンを描画する。

この装置では、本発明の電子銃６０１を用いているので
、電子ビーｌ〜の加速電圧が高い場合でも、電子ビーム
６１０〜６１４と電子銃の中心軸との成す角度を任意に
設定でき、フライズアイレンズ６０６中のすべての静電
レンズ６０５に電子ビームを照射することができる。し
たがって、−回のビーム照射で露光できるウェハ面積が
増大し、ステージの移動回数を少なくすることができる
。すなわち、ステージ移動のむだな時間を減らすことが
できる。

また、電子ビーム６１０〜６１４の電流値が４．２μＡ
と大きいので、実露光時間を減少させることができる。

これらの結果、スルーブツトを大幅に向上させることが
できる。

本発明の別の実施例として、平行照射光学系を用いたマ
ルチ電子ビーム露光装置を第７図に示す。

第７図で、７０１は本発明の電子銃、７０２はブランカ
。

７０３は照射レンズ、７０４はオブジェクト・アパーチ
ャ、７０５および７０６は偏向器、７０７は静電レンズ
。

７０８は静電レンズ７０７を多数配置することで構成し
たフライズアイレンズ、７０９はステージ、７１０はス
テージ７０９に搭載したウェハ、７１１〜７１５は電子
銃７０１から放出された電子ビームである。

電子銃７０１から放射状に放出された電子ビーム７１１
〜７１５は、照射レンズ７０３によって平行ビームにな
り、オブジェクト・アパーチャア０４を照射する。オブ
ジェクト・アパーチャア０４を出た電子ビーム７１１〜
７１５は平行ビームのままフライズアイレンズ７０８上
の各々の静電レンズ７０７を照射する。オブジェクト・
アパーチャア０４の像は、フライズアイレンズ上の各々
の静電レンズ７０７によって、電子ビームの本数分だけ
ウェハ７１０上に投影される。

ＬＳ’Ｌパターンの描画方法は、第６図に示したマルチ
電子ビーム露光装置と同様である。この装置でも、第６
図に示したマルチ電子ビーム露光装置と同様の効果をあ
げることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、先端がほぼ球面である陰極と。

中央部の形状が該陰極の先端球面の中心とほぼ同じ中心
を持つほぼ球面で、かつ該中央部には複数の孔を設けた
陽極と、該陽極の中央部の周辺部と、ビーム制御電極と
から成り、該陽極中央部の周辺部および該ビーム制御電
極の形状および位置がピアス銃の条件を満たすように配
置した電子銃を用いたので、加速電圧が高い場合でもフ
ライズアイレンズの中のすべての静電レンズに高い電流
値の電子ビームを照射することができる。この結果、ス
テージ移動に伴うむ−だな時間、および実露光時間を減
少させることができ、スループットを大幅に向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電子ビーム露光装置の模式図、第２図は
本発明になる電子銃の断面図、第３図は第２図の電子銃
を構成する陽極の平面図、第４図は２個の同心球から構
成された電子銃の模式図、第５図は第４図の電子銃内の
電位分布および第２図の電子銃のビーム端における電位
分布を示す図、第６図は本発明の一実施例であるマルチ
電子ビー　、ム露光装置の模式図、第７図は本発明の別
の実施例であるマルチ電子ビーム露光装置の模式図であ
る。１０１・・・電子銃　　　　　１０２・・・照射レンズ
１０３・・・ブランカ１０４・・・オブジェクト・アパーチャ１０５および１
０６・・・偏向器　１０７・・・静電レンズ１０８・・
・フライズアイレンズ１０９・・・ステージ　　　　１１０・・・ウェハ１１
１〜１１３・・・電子ビーム２０１・・・陰極　　　　　　２０２・・・陽極２０３
・・・ビーム制御電極　２０４〜２０８・・・陽極孔２
０９〜２１４・・・電子ビーム３０１〜３０８・・・陽極孔４０１・・・陰極　　　　　　４０２・・・陽極６０１
・・・電子銃　　　　　６０２・・・ブランカ６０３お
よび６０４・・・偏向器　６０５・・・静電レンズ６０
６・・・フライズアイレンズ６０７・・・ステージ　　　　６０８・・・ウェハ６０
９・・・オブジェクト・アパーチャ６１０〜６１４・・
・電子ビーム７０１・・・電子銃　　　　　７０２・・・ブランカ７
０３・・・照射レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

　先端形状がほぼ球面である陰極と、中央部の形状が上
記陰極の先端球面の中心とほぼ同じ中心を持つほぼ球面
で、かつ該中央部に複数の孔を設けた陽極と、上記陰極
と上記陽極との間に設けたビーム制御電極とから成り、
上記陽極中央部の周辺部および上記ビーム制御電極の形
状および位置がピアス銃の条件を満たす電子銃を有する
ことを特徴とするマルチ荷電ビーム露光装置。