JPH02306614A

JPH02306614A - 電子ビーム露光装置

Info

Publication number: JPH02306614A
Application number: JP1128042A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yasuda; 洋安田; Juichi Sakamoto; 坂本　樹一; Akio Yamada; 章夫山田; Yoshihisa Daikyo; 義久大饗
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-05-22
Filing date: 1989-05-22
Publication date: 1990-12-20
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: JP2763334B2

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】（発明の概要〕可変矩形、電極配線の一部の形状、などにパターン化さ
れたビームを用いる電子ビーム露光装置に関し、ダイオードガンを露光装置に適するように改良して、均
一度が高く、アパーチャ損傷などの問題がない電子銃を
提供することを目的とし、電子銃から発生する電子ビー
ムを、ビームパターニング用のアパーチャの開口部に当
て、該アパーチャの開口を通過した電子ビームを用いて
描画を行なう電子ビーム露光装置において、該電子銃が
、電子発生材料のロッドとそれを支持し通電加熱するブ
ロックで構成される陰極、カッティングアパーチャ、お
よびアノードを備え、該ロッドの電子放出先端面は平面
に、かつ該ブロックの端面と同一平面に仕上げられ、カ
ッティングアパーチャの開口は、該ロッドの先端平面よ
り狭（、そして両者の中心を合わせて取付けられ、陰極
とカッティングアパーチャ間、カッティングアパーチャ
とアノード間には、各々の距離に比例する値の、そして
電子を加速する極性の電圧が加えられるよう構成する。

（産業上の利用分野〕本発明は、可変矩形、電極配線の一部の形状、などにパ
ターン化されたビームを用いる電子ビーム露光装置に関
する。

半導体集積回路パターンの描画に用いる電子ビーム露光
装置には■ポイントビームを用いるもの、■可変矩形成
形ビームを用いるもの、■ステンシルマスクを通してそ
のステンシルの形状にパターン化したビームを用いるも
の、■ブランキングアパーチャアレーを通してドツトパ
ターン化したビームを用いるもの、等がある。本発明は
上記■〜■のパターン化した電子ビームを用いる露光装
置に係るものである。

〔従来の技術〕

ポイントビームを用いる露光装置では、走査型電子顕微
鏡で使用されているタングステン（Ｗ）、またはホウ化
ランタン（ＬａＢ６）などの、１０μｍ程度の曲率を有
する比較的尖った熱電子放射陰極を用い、その先端から
出る熱電子を、陰極と陽極との間に印加する引出し電圧
で引出しつつ、ウェーネルトに阻止電位を印加して電子
レンズ作用を持たせることにより陰極付近にクロスオー
バを形成し、このクロスオーバの縮小像を２段から４段
の磁界または電界レンズを用いてウェハ上に形成し、こ
れを静電または電磁偏向器でラスタまたはベクトル走査
してパターン描画する。クロスオーバ像が点（ポイント
）であるので、この方法は点（ポイント）描画法と呼ば
れる。

点描画法用の電子銃には、ＷやＬａＢ６のロッドの先端
曲率を１０００人程度にして尖らせ、こ＼に電界を集中
させて１０’Ｖ／ｃｍ以上の強電界にし、フィールドエ
ミッションによって電子を引出す種類のものがあり、そ
れが使用されることがある。

しかし、ポイントビーム型の露光でウェハーの高速描画
を行なうことは絶望的である。仮に０．０１μｍのビー
ムで１ｃｍ”口を描画すると、１０”個の点があるから
、レジスト感度は微細パターン描画の限度であるｌＯ／
Ｉｃ／ｃＩ１１２、電流密度はフィールドエミッション
型の限度である１００ＯＡ／ｃＩ１１”としても、１０
’秒の露光時間がか−り、このような露光装置が半導体
ＩＣの製造ラインに用いられることは有り得ない。

可変矩形ビーム型では、第１の開口を有するアパーチャ
にビームを照射し、該アパーチャの開口を通過したビー
ムを電子レンズで第２のアパーチャの開口上に結像させ
、偏向（通常は静電偏向）によって該開口上で移動させ
て、第２のアパーチャの開口を通過するビームの形状と
大きさを変化させる。第１．第２のアパーチャの開口は
矩形であることが多いが、４５度の斜線エツジを有する
形状や、更に複雑な形状である場合もある。要は、本方
式は、第１．第２のアパーチャの重なり具合を変化させ
て可変サイズの矩形等の成形ビームを得る。

ステンシルマスク使用型では、上記の第２のアパーチャ
として、ＩＣの描画に必要な種々パターンの開口を備え
るもの（ステンシルマスク）を用い、これらの開口の任
意のものを選択できるように偏向器の偏向幅を大きく取
る。ＩＣではより繰り返し使用されるパターンがあり、
例えばＩＣメモリでは全く同じ形状のトランジスタやキ
ャパシタや配線パターンがチップ上で何１０万、何百万
となく繰り返されている。このくり返しの基本単位を形
成する各種パターンを配列して１つのブロックパターン
とし、また高頻度に使用される基本単位パターンを選び
出してこれを第２のブロックパターンとし、このような
ブロックパターンを、数μｍ〜数１０μｍの薄いシリコ
ン結晶板で作ったアパーチャ板上に配列してステンシル
マスクとし、これを用いである品種の、ある層のパター
ンを迅速、効率的に描画することができる。

しかしながらステンシルマスクは別の品種のＩＣの製造
には向かない。これは、各品種のＩＣのパターン形状に
は共通性が必らずしもないからであり、通常はステンシ
ルマスクは１品種の１つの層に１枚作られる。

ブランキングアパーチャアレー型では、前記の第２のア
パーチャの位置に、微細な開口を平面上に多数配列した
アパーチャ板を用いる。この開口の各々に２枚の電極が
あり、電極の一方をアース電位、他を０■または５ｖと
して、該開口を通るビームを直進／偏向させ、直進した
ビームは通すが偏向されたビームはカットする第３のア
パーチャを設けて、ウェハへ投射するビームをオン／オ
フし、パターン化する。ビームのパターン（マスクパタ
ーン）は各開口の電極へ加える電圧で任意に変更できる
から、各品種のＩＣの１つの層に１マスク必要というこ
とはなく、これに共通に使用できる。

前記■〜■のパターン化したビームを用いる露光装置で
はポイントビームを用いる露光装置に比べて露光速度を
大幅に向上させ得るが、共通的な問題点は、ビーム断面
上各点のビーム強度が正確に均一である必要があるが、
か＼るビームは得がたい、ことである。

第４図にビーム露光装置の電子銃の従来例を示す。１１
はＬａＢ、単結晶のロッドで、先頭は曲率が３０μｍか
ら２００μｍの曲面にされている。

１２はグラファイトのブロックでＬａＢａのロッド１１
を支持し、かつ通電加熱する。１３がその電源である。

１５はグリッドで、電′ｒｉ、１６により負電圧を与え
られ、また１７はアノードで、グランドに接続される。

カソードであるブロック１２゜１１は高抵抗１４により
グリッドに接続され、いわゆるオートバイアスにより負
に保たれる。この電子銃１０では、カソード、グリッド
間では電子ビームを抑制する電界が作用し、グリッド、
アノード間では電子ビームを加速する電界が作用し、電
源１３によりグラファイトブロック１２およびＬａ８６
０ツド１１を通電加熱すると、ロッド先端から電子が放
出され、グリッドの開口を通ったものがクロスオーバ２
１を作ったのち、アノードの開口を通って図示しないウ
ェハへ向けて投射される。ＬａＢ６のロッド１１の端面
は、グラファイトブロック１２より突出した平面とする
ものもある。

この型の電子銃１０は、ＬａＢ６を用いているので、高
電流かつ長寿命である。高真空にして使用し、その真空
を破ったのち再び高真空にして使用し、という使用態様
を繰り返しても電子放出に支障がなく、従ってビーム露
光装置に適する。ブラウン管などの電子銃に用いられる
酸化バリウム含浸型陰極ではこのような使用方法には耐
えられず、真空を破ったら再使用は不可能である。

しかしながらこの電子銃ＩＯはビームの強度分布が正確
に均一ではない。電子はロッド１１の先端からだけでな
く、根元（ロッド１１のグラファイトブロック１２側）
からも出ている。根元の方が加熱部に近く、温度が高い
ので、これは理由のないことではない。しかしこの電子
はカソード、−グリッド間の抑制電界により抑制され、
従ってロッド１１から放出されるビームの強度分布（特
にグリッド１５の開口を通る部分で見たそれ）は不均一
である。この電子銃では３極電子銃特有の電界分布によ
り静電レンズができており、電子は中心付近へ収束作用
を受けてクロスオーバ２１を形成し、クロスオーバを通
過した電子の照射の角度分布を次式で表わされるガウス
型分布をしている。

ｆ　−ｅｘｐ　（−θ２／Ａ）こ＼でθは角度方向のパラメータ、Ａは定数である。通
常、可変矩形ビーム型露光装置では、矩形ビーム内部で
５％以上の均一度が必要であり、このような条件を課す
とビーム（全放出電流）の２％程度しか利用できない。

今後更に微細なパターンを露光するには５％の均一度で
は不満があり、従って更に均一度を上げる必要があるか
ら、益々利用範囲が狭くなる。ロッド端面を平面にする
と均一度は若干改善されるが、質的にそれほど大差はな
い。

放出電流の僅かな部分しか利用されないということは、
全放出電流をそれに逆比例的に増大する必要があるとい
うことであり、電力損失、各部の損耗が問題になる。Ｌ
ａＢ、ロッド先端の消耗、第１の矩形成形用アパーチャ
の溶解、などがそれである。

通常、第１の矩形成形用アパーチャはシリコンウェハで
作られる。シリコンの場合＜１００＞基板に異方性アル
カリエツチングで＜１１１＞面を露出させるようにして
矩形開口を精度よく作ることができるが、全放出電流が
３０ＫＶで、７００μＡ〜１ｍＡになると溶解の危険性
がでて（る。

タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（
ＭＯ）等の高融点金属で第２アパーチヤを形成すると、
溶解に対しては強くなるが、矩形開口の精度に不満が残
る。

このような損傷、消耗問題の解決には、カソードからの
放出電流を減らすことが必要である。放出電流が矩形ア
パーチャ通過電流に比べて大きい場合には、無駄な電子
流がクロスオーバに集まり、こ＼で電子が相互に反発、
散乱するので、ビームのエネルギ分布が拡がる。エネル
ギ分布が広くなると、ウェハ面上での、電子レンズによ
る色収差が大になり、シャープなビームが得られないの
で微細パターンの露光ができなくなる。

ＬａＢ、、ロッドは温度が１５００°Ｃ−１６００°Ｃ
で使用するが、使用中に表面付近のＬａＢ、が蒸発して
行き、結晶面＜１００＞が露出してくるため形状が変化
し、放出電流の強度及び分布が変化して行（。このため
に寿命が余り長くない（１０００〜２０００時間）。先
端を平面にしたＬａＢ、ロッドも事情は大同小異で、ビ
ーム強度の均一性が充分でなくて、第２のアパーチャの
溶解の危険性が高く、根元も消耗するため段々に細くな
り、先端面積が小さくなるので、電子ビーム照射特性が
変化して行く。

電子銃にはダイオードガンと呼ばれるものがあり、これ
はテレビジョンの分野では広く使われている。ダイオー
ドガンは第５図に示すようにカソード１８、カッティン
グアパーチャ１９、アノード１７を備え、カソードはＯ
■、アパーチャは＋２０Ｖ、アノードは＋３００■にす
るので、いずれもカソードからの放出熱電子を加速する
。ビーム２０は図示の如くなり、クロスオーバは作らず
、エネルギ分布が特別な拡がることはなく、均一度は高
い。しかしテレビジョンに使用するダイオードガンでは
、カソードは酸化バリウム含浸型で、アパーチャ、アノ
ード電圧も低く、電子ビーム露光には使用できない。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように従来のＬａＢ６使用電子銃は、ポイントビー
ム型の露光装置には適しているもあの、パターン化ビー
ム型の露光装置では均一度不充分、カソードやアパーチ
ャの消耗、損傷、等の問題がある。また、テレビジョン
用のダイオードガンでは、露光装置には使用できない。

しかしダイオードガンは均一度が高いという点で、パタ
ーン化ビーム型の露光装置の電子銃に注目される。

ポイントはか＼る点に着目するものであり、ダイオード
ガンを露光装置に適するように改良して、均一度が高く
、アパーチャ損傷などの問題がない電子銃を提供するこ
とを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

第１図に示すように本発明では、ＬａＢ、ロッド１１と
それを支持し通電加熱するグラファイトブロック１２で
構成される陰極と、カッティングアパーチャ１９と、ア
ノード１７を備える電子銃１０とする。

ロッド１１の先端面は平面（１００面）であり、グラフ
ァイトブロック１２の少なくともロッド１１の周囲の端
面も平面でかつロッド１１の先端平面と同一平面とする
。ロッド１１の直径は１００μｍ〜５００μｍである。

カッティングアパーチャ１９の開口は、ロッド１１の先
端平面より狭く、そして該先端平面のはイ中夫に位置す
るように配置する。またアノード１７の開口は、ビーム
２０がアノードと衝突せずその開口中央部を貫通するよ
うに、ビーム断面より広くしておき、該開口１５とビー
ム中心を合わせてアノードを設置する。

アノード１７はグランド電位、カソードは負電位ｖ１例
えば−３０ＫＶとし、アパーチャ１９の電位■２は■２
＝ｖ１・Ｌ、／Ｌ２とする。これは均−電界の条件であ
り、これにより電位線はカソードからアノードまで等間
隔で、アノード等と平行に走り、電界はこれと直角に走
り、従ってビーム２０は図示の如き平行ビームになる。

アパーチャ１９と陰極との間の電圧はＩＯＶ〜ＩＫＶが
好ましく、アパーチャ１９に入射する電子流による加熱
熱量はＩＯＷ以下であるのがよい。

またアパーチャ１９の開口を通過するビームの、矩形成
形用アパーチャに入射する分は８０％以下とするのが好
ましい。

〔作用］この構成の電子銃では、電子ビーム２０の均一度が高い
（電子ビームの断面各点のビーム強度が均一）。これは
、■ＬａＢ６０ッド１１の先端面が平面であると、■支
持加熱用グラファイトブロック１２の端面も平面で、ロ
ッド１１の先端平面と同一平面であるので、エツジ効果
がないこと、■電界が全て加速電界で、平行、均一であ
ること、等に依る。

電子放出はＬａＢ６０ツド１１が行なうので、大電流が
得られ、真空を破ったのちの再使用も支障ない。電子を
放出する先端面は平面であり、電界は均一電界であるか
ら、該先端面が使用で消耗しても電子放出に格別の影響
がない。

またビーム２０は平行ビームで、アパーチャ１９により
所要の矩形に成形しておくと、矩形成形用アパーチャ２
２でカットする部分が少なくなる（これは零にしたい所
であるが、露光装置の各エレメントの位置ずれを考える
と、零にするのは困難）ので、該矩形成形用アパーチャ
２２の加熱、損傷を軽減できる。２３はアパーチャ２２
におけるビーム２０の強度分布を示す。

カッティングアパーチャ１９はその開口部に対応するロ
ッド１１の面から出た電子は該開口を通してアノード側
へ送るが、開口周囲の板部に対応するロッド１１の面か
ら出た電子は該板部に吸引し、この電子流はアパーチャ
１９を加熱することになる。この点では、アパーチャ１
９の開口はロッド１１の端面と同じ大きさにするのがよ
い（大きくするとビーム強度や均一性で問題）が、位置
ずれを考慮すると同じ大きさにするのは問題で、若干小
さくせざるを得ない。従ってロッド１１からアパーチャ
１９への電子流は避けられないが、この間の距離（ＬＩ
　　Ｌ２）が小さく、電界もそれ程強くはないので、電
子の衝突エネルギは小さく、アパーチャ１９の過熱問題
は深刻ではない。

〔実施例〕

第１図の電子銃でＬ＋＝１０ｍｍ、ＬＩ−Ｌｚ＝１００
μｍ、Ｖｔ＝　　３０ＫＶ、従ってＶ２−Ｖ、＝＋３０
０Ｖ、ＬａＢｂロッドの先端面は〈１００〉面で面積は
３００μｍφとすると、ＬａＢ６の電流密度は１０　Ａ
／ａｍ２、全放出電流は約７ｍＡになる。アパーチャ１
９へ与えられるエネルギは２Ｗ、アパーチャ１９の開口
径はｌＯＯμｍφ、アパーチャ通過電流は７００μＡで
ある。坪度βはＪ・Ｖ、／ΔＥで、ΔＥ＝０．３　ｅ　
Ｖ、　Ｖ＋＝３０ＫＶとするとβ＝ｌＯ６Ａ／Ω２とな
る。輝度１０６Ａ　／　ｃｍ　”は、従来の丸い頭のＬ
ａＢ６電子銃で得られている値２０〜３０ＫＶで３Ｘ１
０５Ａ／印２に比べて可成り大きい。

ＬａＢａは余り細くすると研摩時に切損事故を起し易（
、このため３００μｍφ以下のものは製作しにくい。ま
たカソードとアパーチャとの間隔１００μｍも限界に近
く、これ以上接近させるとカソード加熱時に熱膨張で接
触、放電事故を生じ易い。

カッティングアパーチャ１９の開口をＬａＢ。

ロッド１１の端面より相当に小さくすると、ビームの均
一度はよくなるが、アパーチャへ入る電子が多くなって
過熱が問題になる。例えば上記の３００μｍφΦものに
対して１０００μｍφのもの（材料はＴａ）を作って動
作させてみた所、アパーチャ電流は７０ｍＡ、終エネル
ギは２１Ｗに達し、Ｔａ製、５０μｍ厚みのアパーチャ
は溶損してしまった。

第２図に本発明の電子銃を具体的な形で示す。

全図を通してそうであるが、同じ部分には同じ符号が付
しである。２５．２６は支持柱で、Ｍｏ。

Ｔａなどで作り、グラファイトブロック１２を支持し、
これに電流を供給する。２７は支持柱２５゜２６を機械
的に連結し支持体で、セラミック（Ａ２□０３　）で作
る。（ｂ）は（ａ）のカソード部の端面図である。１９
ａはアパーチャ１９の開口である。

グラファイトブロック１２へＬａＢ６０ツド１１を取付
けるには、該ブロック１２へ孔をあけ、そこへ同径の該
ロッド１１を挿し込み、ロッドｌｌの不要部を切除し、
端面をブロック１２の端面と共に研磨して同一平面に仕
上げるという方法をとるが、グラファイトブロック１２
へあける孔は浅くても（この場合理め込まれるロッド１
１の長さは短くなる）、または深く、更には貫通させて
もよい。第３図（ａ）（ｂ）は後者の例を示す。１２ａ
はブロック１２へあけた貫通孔であり、こ＼へ長さ１ｍ
ｍＬａＢ６０ツド１１を同図（ｂ）の如く挿し込む。

グラファイトブロックを２つ割にするのもよい方法であ
る。第３図（Ｃ）にこの例を示す。ブロック１１に孔を
あけたら、ブロック１２を２つ割にし、ＬａＢ、ロッド
１１を線孔に挟んで保持する。なお孔は２つ割り後に溝
の形で形成してもよい。ＬａＢ６０ツド１１の加熱は、
グラファイトブロック１２に通電して加熱し、その熱を
ＬａＢ、ロッドに伝えて該ロッド１１を加熱する、とい
う経過をとるのが一般的である。第３図（Ｃ）でも同様
で、２つ割りブロック１２．１２の接触抵抗が大きいと
ロッド１１を電流が流れるが、これによるロッド１１の
加熱効果は殆んどない。

Ｌａ８６０ツドは１５５０’Ｃで先端からＩＯＡ／ｃｍ
２の電流が流れる。カソードから出る全電流は７ｍＡで
、先端から１０Ａ／ｃＴＩＩ２の電流密度で電子が出る
。カソードからでる全電流は７０ｍＡ以下であり、カッ
ティングアパーチャの消費電力は２．ＩＷで、この程度
では溶解しない。

アパーチャ１９の５０μｍの孔を出るビームは７０μＡ
で、輝度は１０’Ａ／ｃｍ”となり、第１のシリコンの
矩形成形用アパーチャに照射する。

このビームの均一度は中心から２５μｍの部分でも９８
％以内であってビームの強度分布はは望矩形である。従
って２５μｍ口のアパーチャ開口をおいて約３０μへの
矩形ビームを形成できる。シリコンアパーチャでカット
する分は４０μＡで、３０ＫＶの加速電圧で１．２Ｗの
熱発生であり、これではシリコンが溶解することはない
。

アノードまでの空間に磁界レンズを置いて、カッティン
グアパーチャの４倍像を第１の矩形成形用アパーチャ上
に作れば、１００μｍ口の該シリコンアパーチャが均一
に照射できる。

本発明の電子銃をブランキングアパーチャアレイ方式の
露光装置に使用すると、１００Ａ／ｃｍ”の電流密度、
０．０２μｍの最小パターンサイズ、１０μｃ／ｃｍ”
のレジストを使用して、任意のパターンルールにおいて
、１．３秒で１１２０の領域が露光できる。従ってｌＧ
ピッ）ＤＲＡＭ（最小パター７０．１ａｍ）８インチウ
ェハが５分以内で露光できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、■カッティングアパー
チャに当たるビットを減らしてなおかつ、■均一電界を
かけて電子を引き出してＬａ８６チツプの最高輝度ＬＯ
６Ａ／ｃｍｚを達成することができ、■比較的少ない電
流をドリフト空間の中にとりだすので、電子−電子相互
作用によるエネルギ分散を抑え、■第１の矩形成形アパ
ーチャの溶解を押さえて、■矩形ビームの均一度とエツ
ジシャープネスをあげ、微細なビームによって超大規模
なＬＳＩの露光が可能となる、効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の詳細な説明図、第３図はブロック１２へのロッド１１の取付は方法の説
明図、第４図および第５図は従来例の説明図である。第１図で１１は電子発生材料のロッド、１２は支持通電
加熱ブロック、１９はカッティングアパーチャ、１７は
アノード、２２は矩形成形用アパーチャである。１０：ｉｔ子銃Ｌｌ本発明の原理説明スブロック１２へのロットｌ！の取付は方法の説明図第３
図

Claims

【特許請求の範囲】１、電子銃から発生する電子ビームを、ビームパターニ
ング用のアパーチャの開口部に当て、該アパーチャの開
口を通過した電子ビームを用いて描画を行なう電子ビー
ム露光装置において、該電子銃が、電子発生材料のロッ
ド（１１）とそれを支持し通電加熱するブロック（１２
）で構成される陰極、カッティングアパーチャ（１９）
、およびアノード（１７）を備え、該ロッドの電子放出先端面は平面に、かつ該ブロックの
端面と同一平面に仕上げられ、カッティングアパーチャの開口は、該ロッドの先端平面
より狭く、そして両者の中心を合わせて取付けられ、陰極とカッティングアパーチャ間、カッティングアパー
チャとアノード間には、各々の距離（Ｌ＿１−Ｌ＿２、
Ｌ＿２）に比例する値の、そして電子を加速する極性の
電圧が加えられることを特徴とする電子ビーム露光装置
。