JP7722423B2 - 荷電粒子ビーム描画装置及び荷電粒子ビーム描画方法 - Google Patents

荷電粒子ビーム描画装置及び荷電粒子ビーム描画方法

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Description

本発明は、荷電粒子ビーム描画装置及び荷電粒子ビーム描画方法に関する。
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（マスク、或いは特にステッパやスキャナで用いられるものはレチクルともいう。）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。
電子ビーム描画装置では、各ショットのビームを対物レンズで試料面上に焦点を合わせると共に、静電レンズを使って、試料面の凹凸に対応するように描画中にダイナミックに焦点補正（ダイナミックフォーカス）を行っている。この静電レンズに印加するバイアス電圧をマイナスにした場合、フォギング電子が増え、描画パターンの寸法精度向上の妨げとなっていた。
フォギング電子の影響を抑えるためには、静電レンズに印加するバイアス電圧をプラスにすることが好ましい。しかし、静電レンズにプラスのバイアス電圧を印加した場合、試料面からの二次電子（反射電子含む）がビーム軌道上に高密度に滞留し、電子ビームの軌道を変化させ、ビーム位置精度を劣化させ得るという問題があった。
特開２０００－１１３８４６号公報 特開２０１５－１０９３２３号公報 特開２００１－９３８３１号公報 特開２０１３－１９１８４１号公報 特開２０１３－１６８５８９号公報
本発明は、上記従来の実状に鑑みてなされたものであり、焦点補正静電レンズをプラスバイアスで運用しつつ、ビーム位置精度の劣化を防止する荷電粒子ビーム描画装置及び荷電粒子ビーム描画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、前記荷電粒子ビームを成形する第１アパーチャと、前記荷電粒子ビームを前記第１アパーチャに照明する照明レンズと、前記第１アパーチャを透過した荷電粒子ビームを成形する第２アパーチャと、前記第１アパーチャを透過した荷電粒子ビームを前記第２アパーチャに投影する投影レンズと、前記第２アパーチャを透過した荷電粒子ビームの焦点を合わせる磁界型レンズである対物レンズと、描画対象の基板の表面高さに合わせて荷電粒子ビームの焦点補正を行う静電レンズと、を備え、前記静電レンズは前記対物レンズ内に配置され、該静電レンズの電極には正の電圧が印加され、該電極の上端における該対物レンズの磁場の強さが所定値以下となるものである。
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、前記対物レンズの磁場の強さが前記所定値より大きくなる領域に前記電極の少なくとも一部が延在している。
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、前記電極の下端における前記対物レンズの磁場の強さが前記所定値以下となる。
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、前記静電レンズは、上段電極、中段電極及び下段電極の３段の電極を有し、前記上段電極及び前記下段電極には０Ｖの電圧が印加され、前記中段電極に前記正の電圧が印加される。
本発明の一態様による荷電粒子ビーム描画方法は、荷電粒子ビームを放出する工程と、磁界型レンズである対物レンズを用いて、前記荷電粒子ビームの焦点を合わせて描画対象の基板に前記荷電粒子ビームを照射してパターンを形成する工程と、前記対物レンズ内に配置された静電レンズを用いて、前記基板の表面高さに合わせて前記荷電粒子ビームの焦点補正を行う工程と、を備え、前記静電レンズの電極に正の電圧を印加し、前記電極の上端における前記対物レンズの磁場の強さが所定値以下となるように、該対物レンズのコイルに電流を供給するものである。
本発明によれば、焦点補正静電レンズをプラスバイアスで運用しつつ、ビーム位置精度の劣化を防止できる。
本発明の実施形態に係る電子ビーム描画装置の概略図である。 第１成形アパーチャ及び第２成形アパーチャの斜視図である。 対物レンズ及び焦点補正静電レンズの断面図である。 対物レンズの磁場分布と焦点補正静電レンズの位置を説明する図である。 ビーム位置ずれ量の計算方法を説明する図である。 焦点補正静電レンズの電極先端における磁場の強さとビーム位置ずれ量との関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施形態に係る電子ビーム描画装置の概略図である。図１に示す電子ビーム描画装置は、制御部１００と描画部２００とを備えた可変成形型の描画装置である。
描画部２００は、電子鏡筒２２０と描画室２３０を備えている。電子鏡筒２２０内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、ブランカ２０３、第１成形アパーチャ２０４、投影レンズ２０５、成形偏向器２０６、第２成形アパーチャ２０７、対物レンズ２０８、偏向器２０９、及び焦点補正レンズ２１０が配置されている。
描画室２３０内には、ＸＹステージ２１１が配置されている。ＸＹステージ２１１上には、描画対象の基板２４０が載置される。描画室２３０の上部には、基板２４０の高さ方向（Ｚ方向）の位置を検出するＺセンサ２５０が配置されている。Ｚセンサ２５０は、投光器と受光器の組み合わせから構成され、投光器から照射された光を基板２４０の表面で反射させ、この反射光を受光器が受光することで、基板２４０の表面高さを測定することができる。
Ｚセンサ２５０によって検出された高さデータは、検出回路１５０によってデジタルデータに変換された後、制御計算機１１０へ転送される。
電子鏡筒２２０内に設けられた電子銃２０１（放出部）から放出された電子ビームＢは、ブランカ（ブランキング偏向器）２０３内を通過する際にブランカ２０３によって、電子ビームを基板に照射するか否か切り替えられる。
電子ビームＢは、照明レンズ２０２により、矩形の開口３２（図２参照）を有する第１成形アパーチャ２０４全体に照射される。第１成形アパーチャ２０４の開口３２を通過することで、電子ビームＢは矩形に成形される。
第１成形アパーチャ２０４を通過した第１アパーチャ像の電子ビームＢは、投影レンズ２０５により、可変成形開口３４（図２参照）を有した第２成形アパーチャ２０７上に投影される。その際、偏向器２０６によって、第２成形アパーチャ２０７上に投影される第１アパーチャ像が偏向制御され、可変成形開口３４を通過する電子ビームの形状と寸法を変化させる（可変成形を行う）ことができる。
第２成形アパーチャ２０７の可変成形開口３４を通過した第２アパーチャ像の電子ビームＢは、対物レンズ２０８及び焦点補正レンズ２１０により焦点を合わせ、偏向器２０９によって偏向され、連続的に移動するＸＹステージ２１１上に載置された基板２４０に照射される。
偏向器２０９は偏向領域の大きさの異なる複数段の偏向器で構成されている。例えば、主偏向器及び副偏向器の２段構成でもよいし、主偏向器、副偏向器及び副副偏向器の３段構成でもよい。
照明レンズ２０２、投影レンズ２０５及び対物レンズ２０８には、電磁レンズ（磁界型レンズ）が用いられる。焦点補正レンズ２１０は基板２４０の表面の高さ変動に対するダイナミックフォーカス調整を行うものであり、静電レンズが用いられる。
図２は、第１成形アパーチャ２０４及び第２成形アパーチャ２０７によるビーム成形を説明するための概略図である。第１成形アパーチャ２０４には、電子ビームＢを成形するための矩形の開口３２が形成されている。
また、第２成形アパーチャ２０７には、第１成形アパーチャ２０４の開口３２を通過した電子ビームＢを所望の形状に成形するための可変成形開口３４が形成されている。第１成形アパーチャ２０４の開口３２と第２成形アパーチャ２０７の可変成形開口３４との両方を通過したビーム形状が、連続的に移動するＸＹステージ２１１上に搭載された基板２４０の描画領域に描画される。
図１に示すように、制御部１００は、制御計算機１１０、偏向制御回路１２０、記憶部１３０、レンズ制御回路１４０、及び検出回路１５０を有する。記憶部１３０には、レイアウトデータとなる描画データが外部から入力され、格納されている。
制御計算機１１０は、ショットデータ生成部１１１及び描画制御部１１２を有する。制御計算機１１０の各部は、電気回路等のハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、制御計算機１１０の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを記録媒体に収納し、電気回路を含むコンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。
ショットデータ生成部１１１は、記憶部１３０から描画データを読み出し、複数段のデータ変換処理を行ってショットデータを生成する。ショットデータには、ショット形状、ショットサイズ、ショット位置、ショット時間等の情報が含まれている。
描画制御部１１２は、ショットデータをショット順に偏向制御回路１２０へ転送する。偏向制御回路１２０は、ショットデータを用いて、ブランカ２０３、偏向器２０６及び偏向器２０９の偏向量を制御し、描画処理を行う。
レンズ制御回路１４０は、描画部２００に設けられた各レンズの制御を行う。例えば、レンズ制御回路１４０は、対物レンズ２０８のコイルに印加する電流量を制御する。また、レンズ制御回路１４０は、Ｚセンサ２５０で検出された基板２４０の表面高さに基づいて、焦点補正レンズ２１０に印加する電圧を制御する。
次に、対物レンズ２０８及び焦点補正レンズ２１０の構成について説明する。対物レンズ２０８は電磁レンズであり、図３に示すように、コイル２０８ａと、コイル２０８ａを収容するヨーク２０８ｂとを有する。ヨーク２０８ｂは鉄などの透磁率の高い材料で構成され、一部に切り欠き（ポールピース２０８ｃ）が設けられている。
コイル２０８ａに電流を流して作られた磁力線が、ポールピース２０８ｃを介して空間に漏洩し、磁界が作られる。
焦点補正レンズ２１０は対物レンズ２０８の内部、例えばポールピース２０８ｃの高さに合わせて配置される。焦点補正レンズ２１０は静電レンズであり、リング状の３段の電極２１０ａ、２１０ｂ及び２１０ｃを有する。上下の電極２１０ａ及び２１０ｃには０Ｖの電圧を印加し、中段の電極２１０ｂには正の電圧を印加して、焦点補正レンズ２１０をプラスバイアスで運用する。
電子ビームが基板２４０に照射されると、基板２４０に入射して発生した二次電子（基板２４０に当たって反射した反射電子を含む）が電子鏡筒２２０内を上方へ進む。この二次電子は、対物レンズ２０８の磁界中で螺旋運動する。二次電子の軌道半径は、磁場が強い領域では小さく、磁場が弱い領域では大きくなる。
また、二次電子は、焦点補正レンズ２１０の電極２１０ｂ内を進む際は、電極２１０ｂに印加されている電圧の影響により、速度が大きくなる。二次電子は、電極２１０ｂを抜けると減速し、速度が小さくなる。
二次電子の軌道半径が小さくても、速度が大きい場合は、二次電子の密度が低くなり、電子銃２０１から出力された電子ビームの軌道に対する影響は小さい。また、二次電子の速度が小さくても、軌道半径が大きい場合は、二次電子密度が低くなり、電子銃２０１から出力された電子ビームの軌道に対する影響は小さい。
一方、二次電子の軌道半径が小さく、かつ速度が小さい場合は、二次電子密度が高くなり、電子銃２０１から出力された電子ビームの軌道を変化させ、ビーム位置精度を劣化させ得る。つまり、電極２１０ｂを抜けた後の領域の磁場が強いと、ビーム位置精度が劣化し得る。
そこで、本実施形態では、図４に示すように、静電レンズ２１０の電極２１０ｂの上端が、磁場（軸上磁場）の強さが所定値Ｂｔｈ以下となる領域に位置するような構成とする。これにより、磁場が強く、二次電子の軌道半径が小さい領域では二次電子の速度が大きく、二次電子密度が低くなる。電極２１０ｂを抜けて二次電子速度が小さくなる領域では、磁場が弱く二次電子の軌道半径が大きくなり、二次電子密度が低くなる。
二次電子密度の高い領域が発生することを防止できるため、ビーム位置精度の劣化を防止できる。また、焦点補正レンズ２１０をプラスバイアスで運用しているため、フォギング電子の影響を抑えることができる。
磁場強度Ｂｔｈは、ビーム照射位置の位置ずれ量が所定値以下となるように設定される。図５に示すような計算式からビーム照射位置の位置ずれ量Δｐｏｓが求められる。図５においてε０は真空の誘電率、Ｑは領域の電荷量、ｍは電子の質量、ｖｒは二次電子の半径方向速度、ｖ Z は二次電子のｚ方向速度、Ｌは領域の長さ、ｈは中段の電極２１０ｂの上端の基板２４０表面からの高さである。また、ｋｌは対物レンズ２０８の縮小率、ｅは電子素量、Ｉはビーム電流、Ｖ０はビームエネルギー、ηは反射効率、Ｖｓは二次電子エネルギーである。二次電子の出射角度は４５°とした。
図６は、この計算式から求めた位置ずれ量と、位置ずれ量の実験値とを示す。図６から、計算式と実験値のトレンドがほぼ一致することがわかる。
実験値から不定のパラメータを推測すると、位置ずれ量Δｐｏｓは以下のような計算式から求めることが可能となる。Ｃは比例定数である。
Δｐｏｓ＝Ｃ×Ｂ×Ｉ×ｈ／Ｖ０
この式から、例えば比例定数Ｃ＝１０００００のとき、ビーム電流Ｉを１μＡ、高さｈ＝１０ｍｍ、ビームエネルギーＶ０を５０ｋｅＶとした場合、位置ずれ量Δｐｏｓを１ｎｍ未満とするためには、所定値Ｂｔｈを０．０５Ｔ（テスラ）未満とすればよいことが求まる。すなわち、磁場の強さが０．０５Ｔ未満となる領域にまで静電レンズ２１０の電極２１０ｂが延在することで、ビーム照射位置の位置ずれ量を１ｎｍ未満に抑えることができる。言い換えれば、静電レンズ２１０の電極２１０ｂの上端の位置における磁場の強さが０．０５Ｔ未満となるように対物レンズ２０８のコイルに供給する電流を調整することで、ビーム照射位置の位置ずれ量を１ｎｍ未満に抑えることができる。
上記実施形態では、静電レンズ２１０の電極２１０ｂの下端も、磁場の強さが所定値Ｂｔｈ以下となる領域に位置する構成とすることが好ましい。すなわち、磁場の強さが所定値Ｂｔｈよりも大きくなる領域の全体にわたって電極２１０ｂが延在していることが好ましい。対物レンズ２０８の磁場の最も強い箇所は、電極２１０ｂの上端と下端との間にある。
上記実施の形態では、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したが、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。
上記実施形態では描画装置の例について説明したが、荷電粒子ビームを用いた検査装置にも適用できる。
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。
１００ 制御部
１１０ 制御計算機
１１１ ショットデータ生成部
１１２ 描画制御部
１４０ レンズ制御回路
１５０ 検出回路
２０８ 対物レンズ
２１０ 静電レンズ
２５０ Ｚセンサ

Claims (5)

  1. 荷電粒子ビームを放出する放出部と、
    前記荷電粒子ビームを成形する第１アパーチャと、
    前記荷電粒子ビームを前記第１アパーチャに照明する照明レンズと、
    前記第１アパーチャを透過した荷電粒子ビームを成形する第２アパーチャと、
    前記第１アパーチャを透過した荷電粒子ビームを前記第２アパーチャに投影する投影レンズと、
    前記第２アパーチャを透過した荷電粒子ビームの焦点を合わせる磁界型レンズである対物レンズと、
    描画対象の基板の表面高さに合わせて荷電粒子ビームの焦点補正を行う静電レンズと、
    を備え、
    前記静電レンズは前記対物レンズ内に配置され、該静電レンズの電極には正の電圧が印加され、前記対物レンズの磁場の強さがピーク値を有する部分は、前記電極の上端より下にあり、
    予め求められた、前記電極の上端における前記対物レンズの磁場の強さと、前記荷電粒子ビームのビーム電流値と、ビームエネルギーと、前記基板の表面からの前記電極の上端の高さと、の関係から得られた計算式を用いて求められる前記基板の表面におけるビーム照射位置の位置ずれ量が１ｎｍ以下となるように、前記電極の上端における前記対物レンズの磁場の強さを制御する、荷電粒子ビーム描画装置。
  2. 前記対物レンズのコイルに印加する電流量を制御するレンズ制御回路をさらに備え、
    前記レンズ制御回路は、前記電極の上端における前記対物レンズの磁場の強さＢが、前記基板の表面におけるビーム照射位置の位置ずれ量の許容上限Δｐｏｓ、予め実験的に求められる比例定数Ｃ、前記荷電粒子ビームのビーム電流Ｉ、ビームエネルギーＶ０及び前記基板の表面からの前記電極の上端の高さｈを含む以下の式を満たす値となるように、前記コイルに印加する電流量を制御する、請求項１に記載の荷電粒子ビーム描画装置。
    Δｐｏｓ＝Ｃ×Ｂ×Ｉ×ｈ／Ｖ０
  3. 前記静電レンズは、上段電極、中段電極及び下段電極の３段の電極を有し、
    前記上段電極及び前記下段電極には０Ｖの電圧が印加され、前記中段電極に前記正の電圧が印加されることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子ビーム描画装置。
  4. 荷電粒子ビームを放出する工程と、
    磁界型レンズである対物レンズを用いて、前記荷電粒子ビームの焦点を合わせて描画対象の基板に前記荷電粒子ビームを照射してパターンを形成する工程と、
    前記対物レンズ内に配置された静電レンズを用いて、前記基板の表面高さに合わせて前記荷電粒子ビームの焦点補正を行う工程と、
    を備え、
    前記静電レンズの電極に正の電圧を印加し、
    前記対物レンズの磁場の強さのピーク値を有する部分が、前記電極の上端より下となるように制御し、
    予め求められた、前記電極の上端における前記対物レンズの磁場の強さと、前記荷電粒子ビームのビーム電流値と、ビームエネルギーと、前記基板の表面からの前記電極の上端の高さと、の関係から得られた計算式を用いて求められる前記基板の表面におけるビーム照射位置の位置ずれ量が１ｎｍ以下となるように、前記電極の上端における前記対物レンズの磁場の強さを制御する、荷電粒子ビーム描画方法。
  5. 前記電極の上端における前記対物レンズの磁場の強さＢが、前記基板の表面におけるビーム照射位置の位置ずれ量の許容上限Δｐｏｓ、予め実験的に求められる比例定数Ｃ、前記荷電粒子ビームのビーム電流Ｉ、ビームエネルギーＶ０及び前記基板の表面からの前記電極の上端の高さｈを含む以下の式を満たす値となるように、前記対物レンズのコイルに印加する電流量を制御する、請求項４に記載の荷電粒子ビーム描画方法。
    Δｐｏｓ＝Ｃ×Ｂ×Ｉ×ｈ／Ｖ０
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