JP2014007013A - 静電レンズアレイ、マルチ荷電粒子光学系、及びフォーカス調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静電レンズアレイを構成する電極の膜厚にばらつきを有していても、静電レンズアレイ全体としてフォーカスを容易に調整することが可能となる静電レンズアレイを提供する。
【解決手段】離間して配置された複数の電極基板を備え、複数の電極基板のそれぞれに電荷粒子ビームが通過する複数の開口を有する静電レンズアレイであって、
複数の電極基板の表面に略垂直な方向から見たとき、複数の電極基板における最上面の電極基板の上面および最下面の電極基板の下面以外の面のいずれかがつくる外周輪郭線が、最上面の電極基板の上面または最下面の電極基板の下面の外周輪郭線より突出した部分を備え、
突出した部分の位置を位置規定部材により規定することによって、
突出した部分を備えた面が、静電レンズアレイの電極基板の最上面から最下面の開口を通過して電荷粒子ビームが照射される基板面に対し、平行となるように平行度が調整可能に構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電レンズアレイ、マルチ荷電粒子光学系、及びフォーカス調整方法に関し、特にマルチ荷電粒子光学系に用いられる静電レンズアレイに関する。

従来の荷電粒子ビームを収束するための静電レンズアレイが採用されている一つの形態では、特許文献１や特許文献２に示されるようなマルチ荷電粒子線描画装置が知られている。
この装置では、荷電粒子源から放出される荷電粒子を加速、成形、縮小し、試料上に荷電粒子ビームを照射することによって所望のパターンを試料上に描画する。荷電粒子線を成形する際には、静電レンズアレイを用いて複数の荷電粒子ビームを個別に収束するように構成されている。

特開２００５−０３２４８０号公報 国際公開第２０１１／０４３６６８号

上記特許文献１の従来例では、静電レンズアレイは、縮小光学系の手前の像に対するレンズであったため、静電レンズを構成する電極の膜厚ばらつきにより発生する、デフォーカス量の影響が問題になることはほとんどなかった。
これに対し、縮小光学系である対物レンズに静電レンズアレイを持つ、マルチカラム式の荷電粒子光学系の場合、電極の膜厚ばらつきにより発生するデフォーカス量の影響が大きくなるという課題が生じる。
静電レンズを対物レンズに用いた他の例として、例えば単一の粒子線ビームを用いる電子顕微鏡の場合、静電レンズを構成する電極に膜厚ばらつきが生じても、静電レンズとして一度に機能させる静電レンズは１つの開口である。そのため、その付近でフォーカスを調整でき、本質的な問題にならない。
しかし、マルチ粒子線ビームを用いる装置の場合には、多数の粒子線ビームが多数の開口を持つ静電レンズアレイによって、同時にフォーカスされている必要がある。

また、上記特許文献２の従来例では、対物レンズに用いられている静電レンズアレイは、主に接着剤を用いてレンズアセンブリに固定されており、レンズアセンブリとウエハとの平行を合わせたとしても、静電レンズアレイとウエハが平行であるとは限らなかった。
そのため、対物レンズに静電レンズアレイを用いたマルチ荷電粒子光学系においては、複数の静電レンズによって形成された像を評価して全体のフォーカスずれを最小化する、困難な調整が必要であった。
以上のように、従来においては、このフォーカス調整に多大な時間を要し、これを容易にすることが課題であった。

本発明は、上記課題に鑑み、静電レンズアレイを構成する電極の膜厚にばらつきを有していても、静電レンズアレイ全体としてフォーカスを容易に調整することが可能となる静電レンズアレイ、マルチ荷電粒子光学系、及びフォーカス調整方法の提供を目的とする。

本発明の静電レンズアレイは、離間して配置された複数の電極基板を備え、前記複数の電極基板のそれぞれに電荷粒子ビームが通過する複数の開口を有する静電レンズアレイであって、
前記複数の電極基板の表面に略垂直な方向から見たとき、前記複数の電極基板における最上面の電極基板の上面および最下面の電極基板の下面以外の面のいずれかがつくる外周輪郭線が、最上面の電極基板の上面または最下面の電極基板の下面の外周輪郭線より突出した部分を備え、
前記突出した部分の位置を位置規定部材により規定することによって、
前記突出した部分を備えた面が、前記静電レンズアレイの前記電極基板の最上面から最下面の開口を通過して電荷粒子ビームが照射される基板面に対し、平行となるように平行度が調整可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明のマルチ荷電粒子光学系は、離間して配置された複数の電極基板を備え、該複数の電極基板のそれぞれに電荷粒子ビームが通過する複数の開口を有する静電レンズアレイと、
前記静電レンズアレイを通過して荷電粒子ビームが照射される試料面とを有するマルチ荷電粒子光学系であって、
前記静電レンズアレイが、上記した静電レンズアレイで構成されていることを特徴とする。
また、本発明のフォーカス調整方法は、上記したマルチ荷電粒子光学系のフォーカスを調整するフォーカス調整方法であって、
前記複数の電極基板のそれぞれの上下面のうち、最上面の電極の上面および最下面の電極の下面以外の面のいずれかと、前記試料面との平行度を調整し、フォーカスを調整することを特徴とする。

本発明によれば、静電レンズアレイを構成する電極の膜厚にばらつきを有していても、静電レンズアレイ全体としてフォーカスを容易に調整することが可能となる静電レンズアレイ、マルチ荷電粒子光学系、及びフォーカス調整方法を実現することができる。

本発明の実施例における静電レンズアレイの構成例を説明する図である。 本発明の実施形態における静電レンズアレイの構成を説明する図である。 本発明の実施形態における静電レンズアレイの構成を示す図２の破線の矩形で囲んだ領域の拡大図である。 本発明の実施形態における静電レンズアレイの位置の調整について説明する図である。 本発明の実施形態における静電容量センサをスペーサを貫通させて配置した構成例を示す図である。 本発明の実施形態における静電容量センサが第三電極の上面につき当たる構成例を示す図である。 本発明の実施形態における静電レンズアレイのスペーサを第三電極より突出させて平行度を調整するようにした構成例を示す図である。 本発明の実施形態における位置規定部材を静電レンズアレイに取り付けるようにした構成例を示す図である。 本発明の実施形態における突出部を支持する支持部に静電容量センサを設けた構成例を示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチ荷電粒子光学系の全体構成を説明する図である。

以下に、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
また、荷電粒子線の一例として本実施形態では電子線を収束するための静電レンズアレイについて説明するが、この発明は、マルチ荷電粒子ビームに限らずイオンビームを用いた荷電粒子線装置にも同様に適用できる。

図１０を用いて、本実施形態におけるマルチ荷電粒子ビーム露光装置について説明する。
図１０は、本実施形態におけるマルチ荷電粒子光学系の全体構成を示す図である。
なお、図１０において、１０９はウェーネルト電極、１１３は照射光学系の主光線、１１４は照射光学系クロスオーバーから発散する電子ビーム、１１６はコリメータレンズによる平行化された照射光線である。
本実施形態は個別に投影系をもついわゆるマルチカラム式である。
電子源１０８からアノード電極１１０によって引き出された放射電子ビームは、クロスオーバー調整光学系１１１によって照射光学系クロスオーバー１１２を形成する。
ここで電子源１０８としてはＬａＢ６やＢａＯ／Ｗ（ディスペンサーカソード）などのいわゆる熱電子型の電子源が用いられる。
クロスオーバー調整光学系１１１は２段の静電レンズで構成されており、１段目・２段目共に静電レンズは３枚の電極からなり、中間電極に負の電圧を印加し上下電極は接地する、いわゆるアインツェル型の静電レンズである。
照射光学系クロスオーバー１１２から広域に放射された電子ビームは、コリメータレンズ１１５によって平行ビームとなり、アパーチャアレイ１１７へと照射される。
アパーチャアレイ１１７によって分割されたマルチ電子ビーム１１８は、集束レンズアレイ１１９によって個別に集束され、アライナー制御回路１０７で制御されたアライナー１２０によって位置を調整され、ブランカーアレイ１２２上に結像される。

ここで、集束レンズアレイ１１９は、上下方向に離間して配置された複数の電極基板を備え、該複数の電極基板のそれぞれに電荷粒子ビームが通過する複数の開口を有する静電レンズアレイが用いられる。
例えば、３枚の多開口電極からなる静電レンズで、３枚の電極のうち中間の電極のみ負の電圧を印加し上下電極は接地する、アインツェル型の静電レンズアレイが用いられる。
また、アパーチャアレイ１１７はＮＡ（収束半角）を規定する役割も持たせるため、集束レンズアレイ１１９の瞳面位置（集束レンズアレイの前側焦点面位置）に置かれている。
ブランカーアレイ１２２は個別の偏向電極を持ったデバイスで、描画パターン発生回路１０２、ビットマップ変換回路１０３、ブランキング指令回路１０６によって生成されるブランキング信号に基づき、描画パターンに応じて個別にビームのｏｎ／ｏｆｆを行う。
ビームがｏｎの状態のときには、ブランカーアレイ１２２の偏向電極には電圧を印加せず、ビームがｏｆｆの状態のときには、ブランカーアレイ１２２の偏向電極に電圧を印加してマルチ電子ビームを偏向する。
ブランカーアレイ１２２によって偏向されなければ、ブランカーアレイを通過するマルチ電子ビーム１２４はビームがｏｎの状態となる。ブランカーアレイ１２２によって偏向されたマルチ電子ビーム１２５は後段にあるストップアパーチャアレイ１２３によって遮断され、ビームがｏｆｆの状態となる。

本実施形態においてブランカーアレイは２段で構成されており、ブランカーアレイ１２２及びストップアパーチャアレイ１２３と同じ構造の、第二ブランカーアレイ１２７および第二ストップアパーチャアレイ１２８が後段に配置されている。第二ストップアパーチャアレイ１２８では第二ブランカーアレイ１２７によって偏向された電子ビーム１２９が遮断される。
ブランカーアレイ１２２を通過したマルチ電子ビームは第二集束レンズアレイ１２６によって第二ブランカーアレイ１２７上に結像される。さらにマルチ電子ビームは第三集束レンズ１３０、静電レンズアレイ１３２によって集束されてウエハ（試料面）１３３上に結像される。
ここで、第二集束レンズアレイ１２６・第三集束レンズアレイ１３０・静電レンズアレイ１３２は集束レンズアレイ１１９同様に、アインツェル型の静電レンズアレイである。
この静電レンズアレイ１３２の縮小率は１００倍程度に設定される。静電レンズアレイの中間の電極の電位は、レンズ制御回路１０５によって制御される。
これにより、ブランカーアレイ１２２の中間結像面上の電子ビーム１２１（スポット径がＦＷＨＭで２μｍ）が、ウエハ１３３面上で１００分の１に縮小され、ＦＷＨＭで２０ｎｍ程度のマルチ電子ビームがウエハ上に結像される。

ウエハ上のマルチ電子ビームのスキャンは偏向器１３１で行うことができる。偏向器１３１は対向電極によって形成されており、ｘ、ｙ方向について２段の偏向を行うために４段の対向電極で構成される（図中では簡単のため２段偏向器を１ユニットとして表記している）。
偏向器１３１は偏向信号発生回路１０４の信号に従って駆動される。
パターン描画中はウエハ１３３はＸ方向にステージ１３４によって連続的に移動し、レーザ測長機による実時間での測長結果を基準としてウエハ面上の電子ビーム１３５が偏向器１３１によってＹ方向に偏向される。
同時に、ブランカーアレイ１２２及び第二ブランカーアレイ１２７によって描画パターンに応じてビームのｏｎ／ｏｆｆが個別になされる。これにより、ウエハ１３３面上に所望のパターンを高速に描画することができる。
本実施形態での各回路の制御は、コントローラ１０１によって行われる。

図２を用いて、本実施形態における静電レンズアレイを説明する。図２は、静電レンズアレイ１３２の拡大図である。
静電レンズアレイ１３２は、第一電極１、第二電極２、第三電極３による複数の電極基板がそれぞれ離間して構成され、マルチ電子ビーム１１８を個々に収束するように、対応する複数のそれぞれの開口５を有した静電レンズである。
マルチ電子ビーム１１８を収束させるには、静電レンズアレイ１３２を通過したマルチ電子ビーム１１８が、ウエハ（電極基板の最上面から最下面の開口を通過して電荷粒子ビームが照射される基板面）１３３に対してフォーカスできるように構成されていればよい。
例えば、静電レンズアレイ１３２の第一電極１、第三電極３を接地し、第二電極２に適切な電圧を印加するように構成する。
図２のｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２、ｐ３１、ｐ３２ はそれぞれ、ウエハ１３３表面に対する最上面の第一電極１上面、第一電極１下面、第二電極２上面、第二電極２下面、最下面の第三電極３上面、第三電極３下面の平行度を示す。本実施形態では、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２、ｐ３１のうち最も小さい平行度を、ｐ１１、ｐ３２のうち小さい方の平行度よりもさらに小さくすることにより、静電レンズアレイ１３２の位置を調整可能に構成されている。この理由について以下に詳細に述べる。

図３は、図２の破線の矩形で囲んだ領域の拡大図である。
静電レンズのレンズ機能は、電極間に発生する等電位線１００によって生じる。電極が厚さばらつきを有するとき、局所的には、第一電極１、第二電極２、第三電極３の厚さが異なっている。
この際、図３（ｂ）、（ｃ）のように、第一電極１上面、第三電極３下面を基準にウエハ１３３からの距離を調整すると、レンズ全体がシフトしたことになり、電極の厚さばらつきと同等の量だけデフォーカスされてしまう。
一方で、例えば図３（ｄ）のように、第三電極３上面を基準としたとき、第一電極１や第三電極３の厚さがばらついても、第二電極２の厚さおよび電極間隔が変化しなければ、等電位線１００にはほとんど寄与しないため、フォーカス位置への影響はほとんどない。
一方で、図３（ｅ）のように、第二電極２が厚くなった時には、第二電極２を通過する粒子のドリフト空間が長くなるが、第一電極１上面、第三電極３下面を基準にした場合と比べると、フォーカス位置への影響は小さい。また、図３（ｆ）のように、第一電極１と第二電極２の間隔が変化したとき、等電位線１００の間隔が変化するが、ビームの軌道を広げる側と、収束させる側の両方の力が第一電極１の下面と第二電極２の上面でそれぞれ発生して相殺する方向に作用する。そのため、やはり第一電極１上面、第三電極３下面を基準にした場合と比べると、フォーカス位置への影響は小さくなる。

このような理由により、第一電極１上面、第三電極３下面以外の電極の表面を基準とし、ウエハ１３３表面との平行を合わせると、マルチ電子ビーム１１８全体のデフォーカス量を小さくするように、静電レンズアレイ１３２の位置が容易に調整できる。
また、レンズ効果が生じる電界を規定する、ウエハ１３３上の平面に対して最も近い面は、第三電極３の上面である。
このため、図４に示すように、ｐ３１の平行度が最小になるようにすると、より好ましくフォーカスでき、静電レンズアレイ１３２の位置が容易に調整できる。上記の平行度を評価するための基準平面は、ウエハ１３３では、例えば全面に対して格子状に測定したＺ座標の近似平面としてもよいし、簡易的には、３点以上測定したＺ座標の近似平面としてもよい。
一方、フォーカス調整の対象面には静電レンズ１３２の電極、あるいはそれら電極の間隔を規定する部材であるスペーサとなる。
それらの表面を直接的、あるいは高さ精度が出ている部材を介して間接的に３点以上測定したＺ座標の近似平面を先の基準平面と調整する。

平行度を評価するＺ座標を測定するために、ウエハ１３３の表面に対する、静電レンズアレイ１３２の対象となる電極の面を、静電レンズアレイ１３２の外側から検出できる形態にしておくと、より好ましい。
そのための一手段として、複数の電極の表面に略垂直な方向から見たとき、最上面の電極または最下面の電極以外の部材の表面がつくる外周輪郭線が、最上面の電極の上面または最下面の電極の下面の外周輪郭線より突出した部分を有すればよい。
これにより、最上面の電極の上面または最下面の電極の下面にさえぎられること無く、突出した部分の位置を容易に測定できる。そのため、所望の部材表面を基準に、ウエハ表面に対する静電レンズの平行度を調整できる。
例えば、図１のように、スペーサ１２を、第三電極３の下面の外周輪郭線よりも突出させておくことで、例えば静電容量センサや、レーザ測長機、位置規定部材で、スペーサ１２下面と本質的に同一面である第三電極３上面のＺ座標を規定できる。

図１では、スペーサ１２の下面に薄型の静電容量センサ９を設けており、第三電極３上面で平行度が規定できるため、好ましい例である。
図５のように、スペーサ１２の下面と静電容量センサ１０下面の相対位置をあらかじめ測定しておき、静電容量センサ１０を、スペーサ１２を貫通させて配置させても、第三電極３上面で平行度が規定できるため好ましい。
また、図６のように、第三電極３上面の外周輪郭線を他の部材よりも突出させ、さらに第三電極３の突出部に設けた開口に、凸部を有する静電容量センサ１０が第三電極３の上面につき当たるように配置しても、第三電極３の上面の平行度が規定できるため好ましい。

あるいは、別の手段として、図７のように、静電レンズアレイ１３２のスペーサ１２を第三電極３より突出させるように配置し、突出した部分に対して、位置規定部材１４を介することで、静電レンズアレイ１３２の平行度を規定してもよい。
また、図８（ａ）のように、位置規定部材１５を静電レンズに取り付けてもよい。この場合、位置規定部材１５の高さは所望のワーク間距離よりも低くしておき、平行度を調整した後、図８（ｂ）のように、平行度を保ったまま、所望のワーク間距離にすることで、全体のフォーカスを最適に調整できる。
更には、図９のように、スペーサ１２を第三電極３に対して突出させた上で、その突出部分を把持する治具（突出した部分を支持する支持部）１６に静電容量センサ１０を設けても、所望の電極の面に平行度を規定できる好ましい例といえる。
本実施形態においては、上記した静電レンズアレイの構成をマルチ荷電粒子光学に適用することにより、静電レンズアレイを構成する電極の膜厚にばらつきがある場合であっても、静電レンズアレイ全体としてフォーカスを容易に調整することが可能となる。
また、複数の電極のそれぞれの上下面のうち、最上面の電極の上面および最下面の電極の下面以外の面のいずれかと、試料面との平行度の調整を可能に構成することにより、フォーカスの調整が容易なマルチ荷電粒子光学系のフォーカス調整方法の実現が可能となる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した静電レンズアレイの構成例について、図１を用いて説明する。
図１は、図１０における静電レンズアレイ１３２の詳細を示す図であり、第一電極１、第二電極２、第三電極３の厚さはそれぞれ平均１００μｍ、それらの間隔はそれぞれ平均４００μｍである。
マルチ電子ビームが通過するための開口５の直径は平均３０μｍであり、ウエハ１３３の表面と静電レンズ１３２の下面との距離は平均１００μｍである。
なお、電極の厚さ、電極の間隔、ウエハ１３３の表面と静電レンズ１３２の下面との距離は正確な値ではなく、それぞれ±１μｍ、±０．５μｍ、±１μｍ程度の誤差を持っている。

本実施例では、上記複数の電極の表面に略垂直な方向から見たとき、スペーサ１２の下面がつくる外周輪郭線が、第三電極３の下面の外周輪郭線より突出した部分を有するように、静電レンズアレイ１３２が構成されている。
スペーサ１２は、略円形の第三電極３より１０ｍｍ大きい半径の略円形であり、全周にわたって第三電極３の下面より突出している。
この静電レンズアレイ１３２を用い、位置検出手段として、薄型の静電容量センサ９がスペーサ１２の突出した部分の下面に、円周を３等分するように、３箇所取り付けられる。

予めウエハ１３３表面全体のＺ位置をレーザ測長機で測定したデータを配列Ｚ０として保持しておき、静電レンズ１３２の３箇所に取り付けた薄型の静電容量センサ９によって測定した、ウエハ１３３の表面からのＺ位置を配列Ｚ１とした。
ウエハ１３３の表面から第三電極３上面までの設計距離を保ちつつ、配列Ｚ０とＺ１の要素の差の二乗和が最小になるように、ステージ１３４の傾きを調整した。
こうして、第三電極３上面と、ウエハ１３３表面の平行度が他の電極表面に対して最小になるようにした。
そして、平均的なデフォーカス量が最小となるように、不図示の調整機構により平行をほぼ保ったまま、第三電極３上面と、ウエハ１３３表面を所定の距離に調整した。
このような構成によれば、従来のように、実際に電子ビーム像を形成・評価して傾きを調整する必要がなくなり、静電レンズアレイ１３２全体としてのフォーカスを、容易に調整することが可能となる。

１：第一電極
２：第二電極
３：第三電極
５：開口
９：薄型の静電容量センサ
１１：第一、第二電極間スペーサ
１２：第二、第三電極間スペーサ
１３３：ウエハ
１３４：ステージ

Claims (5)

1. 離間して配置された複数の電極基板を備え、前記複数の電極基板のそれぞれに電荷粒子ビームが通過する複数の開口を有する静電レンズアレイであって、
   前記複数の電極基板の表面に略垂直な方向から見たとき、前記複数の電極基板における最上面の電極基板の上面および最下面の電極基板の下面以外の面のいずれかがつくる外周輪郭線が、最上面の電極基板の上面または最下面の電極基板の下面の外周輪郭線より突出した部分を備え、
   前記突出した部分の位置を位置規定部材により規定することによって、
   前記突出した部分を備えた面が、前記静電レンズアレイの前記電極基板の最上面から最下面の開口を通過して電荷粒子ビームが照射される基板面に対し、平行となるように平行度が調整可能に構成されていることを特徴とする静電レンズアレイ。
2. 前記突出した部分を支持する支持部を備え、前記支持部を介して前記平行度が前記位置規定部材によって調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電レンズアレイ。
3. 前記位置規定部材が、レーザ測長機、静電容量センサ、突き当て治具のいずれか、またはこれらの組み合わせにより構成されていることを特徴とする請求項２に記載の静電レンズアレイ。
4. 離間して配置された複数の電極基板を備え、該複数の電極基板のそれぞれに電荷粒子ビームが通過する複数の開口を有する静電レンズアレイと、
   前記静電レンズアレイを通過して荷電粒子ビームが照射される試料面とを有するマルチ荷電粒子光学系であって、
   前記静電レンズアレイが、請求項１から３のいずれか１項に記載の静電レンズアレイで構成されていることを特徴とするマルチ荷電粒子光学系。
5. 請求項４に記載のマルチ荷電粒子光学系のフォーカスを調整するフォーカス調整方法であって、
   前記複数の電極基板のそれぞれの上下面のうち、最上面の電極基板の上面および最下面の電極基板の下面以外の面のいずれかと、前記試料面との平行度を調整し、フォーカスを調整することを特徴とするフォーカス調整方法。

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