JP2000348662A - 荷電粒子線照射系、荷電粒子線露光装置及び半導体デバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結像に寄与しない光軸周辺部の荷電粒子を高
加速される前により完全に除去できる荷電粒子線照射系
を提供する。 【解決手段】 本荷電粒子線照射系は、荷電粒子を放射
する光源９、引き出し電極１２、及び加速電極１１を備
える。さらに、未加速の荷電粒子線束の光軸から比較的
離れた外周部を遮るトリムアパーチャ１３、及び、光軸
垂直面内において上記トリムアパーチャの位置を調整す
る機構１０をさらに備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路等
のリソグラフィーに用いられる電子線露光装置等に装備
される電子銃に代表される荷電粒子線照射系に関する。
特には、結像に寄与しない光軸周辺部の荷電粒子を、高
加速される前により完全に除去できるよう改良を加えた
電子銃に関する。さらには、そのような荷電粒子線露光
装置を用い高精度の半導体デバイス製造を行う方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電子銃では光源となるチップ（カ
ソード）の光軸方向だけでなく、その側面からも電子が
放出される。このような荷電粒子は結像に影響を与えな
いムダ電流となるだけでなく、加速電極によって高速に
加速された後に光軸を外れて電子銃内の構造物に衝突
し、特に絶縁物に当たった荷電粒子はそこにとどまり、
ある量を超えると放電現象を引き起こす。これは電子銃
内部の真空度、電流の安定性、電子銃の操作回路等に悪
影響を与える。

【０００３】これを防止するため、引き出電極上で有効
なビームがクロスオーバーを結ぶ地点に、そのクロスオ
ーバー径程度のアパーチャ（トリムアパーチャ）を置
き、これを引き出し電極に接続することにより、光軸か
ら外れる荷電粒子が高速に加速されることを防止してい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記トリムアパーチャ
は、電子銃のケーシングに対して機械的嵌め合いにより
位置決めされている。そのため、光源（カソード）の中
心と加速電極（アパーチャ）の中心とを結ぶ線である電
子銃の中心線（光軸）にトリムアパーチャの中心が合致
しないことがある。その場合、結像に寄与しないムダな
電子線が電子銃から放出されて、上述同様の不具合を起
こす恐れがある。

【０００５】あるいは、光源や加速電極の位置をトリム
アパーチャの中心に合わせようとすると、電子銃の光軸
と電子銃以降の光学系（照明光学系等）の光軸の調整自
由度が下がることもある。本発明は、このような問題点
に鑑みてなされたもので、結像に寄与しない光軸周辺部
の荷電粒子を高加速される前により完全に除去できるよ
う改良を加えた荷電粒子線照射系を提供することを目的
とする。さらには、そのような荷電粒子線照射系を有す
る露光装置を用い高精度の半導体デバイス製造を行う方
法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の荷電粒子線照射系は、荷電粒子を放射する
光源、引き出し電極、加速電極、及び未加速の荷電粒子
線束の光軸から比較的離れた外周部を遮るトリムアパー
チャを備える荷電粒子線照射系であって； 光軸垂直面
内において上記トリムアパーチャの位置を調整する機構
をさらに備えることを特徴とする。また、本発明の荷電
粒子線露光装置は上記の荷電粒子線照射系を有すること
を特徴とする。

【０００７】本発明では、光軸から外れ結像に寄与しな
い荷電粒子を、引き出電極に設置されたアパーチャによ
って高加速される前に除く機構を可動としたため、荷電
粒子線照射系の光軸にトリムアパーチャの中心を容易に
合わせることができる。そのため、結像に寄与しない光
軸周辺部の荷電粒子を高加速される前により完全に除去
でき、荷電粒子線照射系の安定的な作動に有害な機器の
チャージアップを抑制することができる。

【０００８】本発明の半導体デバイス製造方法は、荷電
粒子線露光装置を用いてリソグラフィー工程の露光を行
うことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ説明す
る。まず、荷電粒子線の一種である電子線を用いる露光
装置全体の構成例について説明する。図３は、分割転写
方式の電子線投影露光装置の光学系全体における結像関
係及び制御系の構成例を示す図である。光学系の最上流
に配置されている電子銃４１は、下方に向けて電子線を
放射する。電子銃４１の下方には２段のコンデンサレン
ズ４２、４３が備えられており、電子線は、これらのコ
ンデンサレンズ４２、４３によって収束され、ブランキ
ング開口４７にクロスオーバーC.O.を結像する。

【００１０】コンデンサレンズ４３の下には、矩形開口
４４が備えられている。この矩形開口（照明ビーム成形
開口）４４は、マスク（レチクル）１１０の一つのサブ
フィールド（単位露光パターン領域）を照明する照明ビ
ームのみを通過させる。具体的には、開口４４は、照明
ビームをマスクサイズ換算で１mm角強の寸法の正方形に
成形する。この開口４４の像は、レンズ４９によってマ
スク１１０に結像される。

【００１１】ビーム成形開口４４の下方には、ブランキ
ング偏向器４５が配置されている。同偏向器４５は、照
明ビームを偏向させてブランキング開口４７の非開口部
に当て、ビームがマスク１１０に当たらないようにす
る。ブランキング開口４７の下には、照明ビーム偏向器
４８が配置されている。この偏向器４８は、主に照明ビ
ームを図３の左右方向に順次走査して、照明光学系の視
野内にあるマスク１１０の各サブフィールドの照明を行
う。偏向器４８の下方には、コンデンサレンズ４９が配
置されている。コンデンサレンズ４９は、電子線を平行
ビーム化してマスク１１０に当て、マスク１１０上にビ
ーム成形開口４４を結像させる。

【００１２】マスク１１０は、図３では光軸上の１サブ
フィールドのみが示されているが、実際には光軸垂直面
内（Ｘ−Ｙ面）に広がっており多数のサブフィールドを
有する。マスク１１０上には、全体として一個の半導体
デバイスチップをなすパターン（チップパターン）が形
成されている。

【００１３】照明光学系の視野内で各サブフィールドを
照明するため、上述のように偏向器４８で電子線を偏向
することができる。照明光学系の視野を越えて各サブフ
ィールドを照明するため、マスク１１０はＸＹ方向に移
動可能なマスクステージ１１１上に載置されている。

【００１４】マスク１１０の下方には投影レンズ１１２
及び１１４並びに偏向器１１３が設けられている。そし
て、マスク１１０のあるサブフィールドに照明ビームが
当てられ、マスク１１０のパターン部を通過した電子線
は、投影レンズ１１２、１１４によって縮小されるとと
もに、該レンズ及び偏向器１１３により偏向されてウエ
ハ１１５上の所定の位置に結像される。ウエハ１１５上
には、適当なレジストが塗布されており、レジストに電
子ビームのドーズが与えられてマスク上のパターンが縮
小されてウエハ１１５上に転写される。

【００１５】なお、マスク１１０とウエハ１１５の間を
縮小率比で内分する点にクロスオーバーC.O.が形成さ
れ、同クロスオーバー位置にはコントラスト開口１１８
が設けられている。同開口１１８は、マスク１１０の非
パターン部で散乱された電子線がウエハ１１５に到達し
ないよう遮断する。

【００１６】第２の投影レンズ１１４の下には、２次電
子検出器１１９、１３１が配置されている。２次電子検
出器は、ウエハ１１５から生じる２次電子を検出する。
検出した２次電子信号から、ウエハ１１５上やウエハス
テージ１１７上のマークの位置を知ることができ、ウエ
ハと光学系やマスクとの間のアライメントの基礎情報を
得ることができる。

【００１７】ウエハ１１５は、静電チャック１１６を介
して、ＸＹ方向に移動可能なウエハステージ１１７上に
載置されている。上記マスクステージ１１１とウエハス
テージ１１７とを、互いに逆の方向に同期走査すること
により、チップパターン内で多数配列されたサブフィー
ルドを順次露光することができる。なお、両ステージ１
１１、１１７には、レーザ干渉計を用いた正確な位置測
定システムが装備されており、ステージ位置は正確に測
定されその結果によりビーム位置がコントロールされ
る。

【００１８】上記各レンズ４２、４３、４９、１１２、
１１４及び各偏向器４５、４８、１１３は、各々のコイ
ル電源４２ａ、４３ａ、４９ａ、１１２ａ、１１４ａ及
び４５ａ、４８ａ、１１３ａを介して制御部１２１によ
りコントロールされる。また、マスクステージ１１１及
びウエハステージ１１７も、ステージ駆動モータ制御部
１１１ａ、１１７ａを介して、制御部１２１によりコン
トロールされる。静電チャック１１６は、静電チャック
制御部１１６ａを介して、メインコントローラ１２１に
よりコントロールされる。正確なステージ位置と光学系
のコントロールにより、ウエハ１１５上でマスク１１０
上のサブフィールドの縮小像が正確に繋ぎ合わされ、マ
スク上のチップパターン全体がウエハ上に転写される。

【００１９】図１は、本発明の１実施例に係る荷電粒子
線照射系の構造を模式的に示す断面図である。光源９の
下流には、引き出し電極１２、加速電極１１が配置され
ている。引き出し電極１２と加速電極１１は、絶縁体１
６ａで電気的に独立した状態で外壁５に固定されてい
る。引き出し電極１２の中央部には、アパーチャ１３
が、同電極１２に接触して光軸方向に直角な方向に移動
するように設置されている（詳細は後述）。引き出し電
極１２には、引き出し電極端子１から−９５KVの負電圧
が印加されている。同電極端子１は、絶縁体１６ｂを介
して外壁５に固定されている。加速電極１１は接地され
ている。

【００２０】光源９は、カソード部と、このカソード部
を挟んで保持する加熱電極７と、ウェーネルト電極８で
構成される。カソード部は単結晶ＬａＢ₆ やＷからな
り、−１００kVの負電圧が印加されている。ウェーネル
ト電極８はリング状で、ＭｏやＷ、ステンレスからな
り、カソード部よりやや低く数十V の負電圧が印加され
ている。加熱電極７とウェーネルト電極８の中央部は絶
縁体１６ｃに固定されている。一方、加熱電極７の端部
の加熱電極端子３とウェーネルト電極８の端部のウェー
ネルト電極端子２は、絶縁体１６ｄに接触しつつ光軸に
直角な方向に移動可能に保持されている。絶縁体１６ｄ
は外壁５に固定されている。

【００２１】荷電粒子はカソード部の下端面あるいは側
面から引き出され、アパーチャ１３を通って、引き出し
電極１２と加速電極１１間の電位差（約１００kV）によ
って加速される。こうして加速された荷電粒子ビーム
は、加速電極１１の中央の孔１１ａから下方向に射出さ
れる。ウェーネルト電極８はカソード部から引き出され
た荷電粒子を広がらせないよう作用する。尚、光源９の
各部や各電極の周囲は、放電防止ガス雰囲気１５や高真
空雰囲気１４に維持されている。

【００２２】上述の加熱電極７の中央部及びウェーネル
ト電極８の中央部を固定している絶縁体１６ｃには、チ
ップ位置調整つまみ６が取り付けられている。チップ位
置調整つまみ６は、光軸（Ｚ軸）に直角な面上をＸ軸方
向及びＹ軸方向に直交するように２つ配置されている
が、図では一方のみ示されている。このチップ位置調整
つまみ６はマイクロメータのようなもので、つまみ６を
回転させると絶縁体１６ｃはＸ軸方向及びＹ軸方向に移
動する。

【００２３】チップ位置調整つまみ６の外筒６ａは絶縁
体で、外壁５に直角となるよう固定されている。さら
に、同つまみ６のフランジ６ｂは、蛇腹管４ａを介し
て、引き出し電極１２の上部に固定されている。蛇腹管
４ａはステンレス又はベリリムと銅の合金等からなり、
つまみ６の回転に従い伸縮する。チップ位置調整つまみ
６の先端は、絶縁体１６ｃの側面と摺動するように接し
ている。すなわち、どちらかの軸方向のチップ位置調整
つまみ６を回転させると、絶縁体１６ｃは同軸方向に移
動し、この間、他方の軸方向のチップ位置調整つまみ６
の先端は、接する絶縁体１６ｃの側面を摺動している。
したがって、絶縁体１６ｃは、光軸と直角をなすＸＹ平
面内を移動する。また、絶縁体１６ｃは、絶縁体１６ｅ
から蛇腹管４ｂによって吊り下げられている。これらの
蛇腹管４ａ及び４ｂは、ガス雰囲気１５と高真空雰囲気
１４とを隔離する作用をなす。

【００２４】アパーチャ１３にも、アパーチャ位置調整
つまみ１０が取り付けられている。アパーチャ位置調整
つまみ１０は、光軸（Ｚ軸）に直角な面上をＸ軸方向及
びＹ軸方向に直交するように２つ配置されているが、図
では一方のみ示されている。このアパーチャ位置調整つ
まみ１０はマイクロメータのようなもので、つまみ１０
を回転させるとアパーチャ１３はＸ軸方向及びＹ軸方向
に移動する。

【００２５】このアパーチャ位置調整つまみ１０も、チ
ップ位置調整つまみ６と同様の構造及び作用を有する。
すなわち、アパーチャ位置調整つまみ１０の外筒１０ａ
は絶縁体で、外壁５に直角となるよう固定されている。
さらに、同つまみ１０のフランジ１０ｂは、蛇腹管１７
を介して、引き出し電極１２の下部に固定されている。
蛇腹管１７は、つまみ１０の回転に従い伸縮する。アパ
ーチャ位置調整つまみ１０の先端は、アパーチャ１３の
側面と摺動するように接している。すなわち、どちらか
の軸方向のアパーチャ位置調整つまみ１０を回転させる
と、アパーチャ１３は同軸方向に移動し、この間、他方
の軸方向のアパーチャ位置調整つまみ１０の先端は、接
するアパーチャ１３の側面を摺動している。したがっ
て、絶縁体アパーチャ１３は、光軸と直角をなすＸＹ平
面内を移動する。

【００２６】チップ位置調整つまみ６及びアパーチャ位
置調整つまみ１０に使用されるマイクロメータは、可動
範囲１mm、位置決め精度１０μm 程度が好ましい。

【００２７】図２は、図１の荷電粒子線照射系のアパー
チャ付近を拡大して示す断面図である。この図は、アパ
ーチャが光軸に対して適切な位置にある状態を示してい
る。上述のように、光源９のカソード部からは、引き出
し電極１２によって荷電粒子線が射出している。アパー
チャ１３は、引き出し電極１２上で有効な荷電粒子線が
クロスオーバーを結ぶ位置に設けられている。すなわ
ち、カソード部の下面から射出された荷電粒子線３１
は、光軸上でアパーチャ１３の開口部の面内のクロスオ
ーバー３５を通過する。しかし、カソード部の側面から
射出された荷電粒子線３３は、光軸外を移動してアパー
チャ１３の開口部の周辺に遮られる。

【００２８】アパーチャ１３をＸＹ平面内に移動可能と
したことで、クロスオーバー３５の位置に、正確にアパ
ーチャ１３の開口部を合わせることができる。

【００２９】この例の荷電粒子線照射系は、電子銃とし
てレンズや開口を備えた照明光学系の上部に設置され
る。この電子銃の光軸を一致させるには、最初に、光源
９を引き出し電極１２と加速電極１１とを結ぶ線に位置
させる。次に、２つのアパーチャ位置調整つまみ１０を
操作して、電子銃の中心とアパーチャ１３の中心と合わ
せる。この線が電子銃の中心線（光軸）となる。この電
子銃の光軸が照明光学系の光軸と一致していない場合
は、２つのチップ位置調整つまみ６と２つのアパーチャ
位置調整つまみ１０を再度操作して、電子銃と照明光学
系の光軸を合致させる。

【００３０】次に本発明の露光装置の使用形態の一例を
説明する。図４は、本発明の半導体デバイス製造方法の
一例を示すフローチャートである。この製造工程は以下
の各主工程を含む。 ウエハを製造するウエハ製造工程（又はウエハを準備
するウエハ準備工程） 露光に使用するマスクを製作するマスク製造工程（又
はマスクを準備するマスク準備工程） ウエハに必要な加工処理を行うウエハプロセッシング
工程 ウエハ上に形成されたチップを１個づつ切り出し、動
作可能にならしめるチップ組立工程 できたチップを検査するチップ検査工程 なお、それぞれの工程はさらにいくつかのサブ工程から
なっている。

【００３１】この主工程の中で、半導体のデバイスの性
能に決定的な影響を及ぼす主工程がウエハプロセッシン
グ工程である。この工程では、設計された回路パターン
をウエハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作す
るチップを多数形成する。このウエハプロセッシング工
程は以下の各工程を含む。 絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、あるいは電極部を
形成する金属薄膜等を形成する薄膜形成工程（ＣＶＤや
スパッタリング等を用いる） この薄膜層やウエハ基板を酸化する酸化工程 薄膜層やウエハ基板等を選択的に加工するためにマス
ク（レチクル）を用いてレジストのパターンを形成する
リソグラフィー工程 レジストパターンに従って薄膜層や基板を加工するエ
ッチング工程（例えばドライエッチング技術を用いる） イオン・不純物注入拡散工程 レジスト剥離工程 さらに加工されたウエハを検査する検査工程 なお、ウエハプロセッシング工程は必要な層数だけ繰り
返し行い、設計通り動作する半導体デバイスを製造す
る。

【００３２】図５は、図４のウエハプロセッシング工程
の中核をなすリソグラフィー工程を示すフローチャート
である。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含
む。 前段の工程で回路パターンが形成されたウエハ上にレ
ジストをコートするレジスト塗布工程 レジストを露光する露光工程 露光されたレジストを現像してレジストのパターンを
得る現像工程 現像されたレジストパターンを安定化させるためのア
ニール工程 上記露光工程に本発明の露光装置を用いると、リソグラ
フィー工程のパターン形成の精度が大幅に改善される。
特に、必要な最小線幅、及びそれに見合った重ね合わせ
精度を実現することに係わる工程はリソグラフィー工
程、その中でも位置合わせ制御を含めた露光工程であ
り、本発明の適用により、今まで困難であった半導体デ
バイスの製造が可能になる。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、光軸から外れ結像に寄与しない荷電粒子を、
引き出電極に設置されたアパーチャによって高加速され
る前に除く機構を可動としたため、荷電粒子線照射系の
光軸にトリムアパーチャの中心を容易に合わせることが
できる。そのため、結像に寄与しない光軸周辺部の荷電
粒子を高加速される前により完全に除去でき、荷電粒子
線照射系の安定的な作動に有害な機器のチャージアップ
を抑制することができる。さらには、高精度のパターン
形成が可能な荷電粒子線露光装置や半導体デバイス製造
方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係る荷電粒子線照射系の構
造を模式的に示す断面図である。

【図２】図１の荷電粒子線照射系のアパーチャ付近を拡
大して示す断面図である。

【図３】分割転写方式の電子線投影露光装置の光学系全
体における結像関係及び制御系の構成例を示す図であ
る。

【図４】本発明の半導体デバイス製造方法の一例を示す
フローチャートである。

【図５】図４のウエハプロセッシング工程の中核をなす
リソグラフィー工程を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ 引き出し電極端子 ２ ウェーネ
ルト電極端子 ３ チップ加熱電極端子 ４、１７ 蛇
腹管 ５ 外壁 ６ チップ位
置調整つまみ ７ チップ加熱電極 ８ ウェーネ
ルト電極 ９ 光源 １０ アパーチ
ャ位置調整つまみ １１ 加速電極 １２ 引き出
し電極 １３ アパーチャ １４ 高真空
雰囲気 １５ 放電防止ガス雰囲気 １６ 絶縁体 ３１ 光軸上の荷電粒子線 ３３ 光軸外
の荷電粒子線 ３５ クロスオーバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５４１Ｂ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電粒子を放射する光源、引き出し電
   極、加速電極、及び、未加速の荷電粒子線束の光軸から
   比較的離れた外周部を遮るトリムアパーチャを備える荷
   電粒子線照射系であって；光軸垂直面内において上記ト
   リムアパーチャの位置を調整する機構をさらに備えるこ
   とを特徴とする荷電粒子線照射系。
2. 【請求項２】 請求項１記載の荷電粒子線照射系を有す
   る荷電粒子線露光装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の荷電粒子線露光装置を
   用いてリソグラフィー工程の露光を行うことを特徴とす
   る半導体デバイス製造方法。