JPH0630336B2 - 荷電粒子装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、荷電粒子装置に関するものであり、更に詳
述すれば、電子ビームのような荷電粒子を加速し、蓄積
して、偏向部から発生する放射光(シンクロトロン放射
光，SORとも呼ばれている)ビームを利用する荷電粒子装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は半導体の露光に利用する従来の荷電粒子装置の
一例を示す平面図である。図において、(1)は荷電粒子
を長時間蓄積する蓄積リングである。なお、本例では入
射部(2)から入射される荷電粒子は、既に所定のエネル
ギーに加速されている場合について説明するが、入射粒
子を所定のエネルギーよりも低く入射し、そして入射後
これを加速して蓄積する場合も同様である。(3)は荷電
粒子を偏向し平衡軌道(4)を形成するための偏向電磁石
である。(5)は前記荷電粒子が偏向する際に発生する放
射光を外部に取り出して利用するための放射光ビームラ
インである。なお図中、放射光ビームライン(5)は単数
で示したが、これは通常複数本の放射光ビームラインで
構成される。また、ここでは説明の都合上放射光ビーム
ラインが１本の場合を示した。(6)は放射光ビームライ
ン(5)を用いて半導体の微細リソグラフィを行うための
露光部であり、露光部(6)には、マスク(7)および表面に
レジストを塗布したウエハ(8)が互いに密着あるいは近
接して配置される。(9)は荷電粒子の発散を防ぐための
収束用四極電磁石である。(10)は荷電粒子の通路である
真空ドーナツツを示す。(11)は放射光ビームラインの放
出に伴う粒子のエネルギー損失を補い、そして所定のエ
ネルギーに加速あるいは維持するための高周波空洞であ
る。なお、本図ではこの他の機器、例えば真空排気装置
やビーム制御調整用の各種電磁石類はこれを省略してあ
る。

次にその動作について説明する。まず、入射部(2)から
入射された荷電粒子は、予めリング中の電磁石すなわ
ち、偏向電磁石(3)と収束用四極電磁石(9)等の配置によ
り定まつた平衡軌道(4)に入り、そしてこの平衡軌道(4)
に沿つて長時間回転し続ける。荷電粒子が偏向電磁石
(3)の磁界により偏向を受ける際、正道放射により電磁
波は軌道接線方向に放射（これが放射光である）され
る。なお、放射光ビームラインの空間分布を第６図の模
式図に示した。第６図に示すように放射光ビームの軌道
面(5)に対する縦方向の広がり(δ)は、ほぼ下式で示さ
れる。

δ(radian)2/γ（但しγ＝1／1−β²,β＝v/c） ここで、ｖは粒子の速度、ｃは光の速度である。通常、
放射光ビームラインを利用する荷電粒子装置では、ｖ
ｃの高速粒子を用いる。そこでリソグラフイー用途の代
表的なパラメータを上式に代入すると、ほぼγの値は
1,000から2,000 の範囲となる。すなわち、放射光ビー
ムの縦方向の広がりは１〜２(m radian)である。従つ
て、従来の荷電粒子装置から発生する放射光ビームは、
軌道面に沿つた横方向には十分広いが、縦方向には極め
て狭いといえる。なお、横方向の広がりは、第６図にお
ける放射光ビームライン(5)の幅が制限を与えるのみ
で、横幅を広くとれば、利用できる放射光の横幅は自由
に選択することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

さて、前記放射光を半導体リソグラフイーに適用する場
合の大きな問題の一つは、縦方向の照射面積が極めて狭
いことである。これを解決するために従来から幾つかの
方法が提案されている。第７図は鳳氏が“シンクロトロ
ン放射光リソグラフイー”の題名で“応用物理”誌、第
５３巻第１号(1984,pp17〜25)に紹介された縦方向照射
面積拡大の従来装置に関する模式図である。第７図にお
いて、(12)は放射光ビームライン(5)の上流側に設置さ
れた揺動可能な全反射鏡である。これにより前記放射光
ビームラインを上下方向に振つてウエハへの照射面積を
拡大するものである。この方法では、全反射鏡(12)を真
空の放射光ビームライン中で極めて高精度に振らすため
の制御機構が複雑となり、また、放射光ビームにより全
反射鏡(12)がダメージを受けるという大きな２つの問題
があつた。さらに全反射鏡(12)の材料の反射，吸収，透
過等の光学特性の最適化も技術課題であり、加えるに、
反射鏡で前記放射光ビームを反射させる従来方法の本質
的な短所は、放射光ビームの平行性を損なうという点で
ある。もともと放射光ビームラインを半導体のリソグラ
フイーに適用する際の光源としての大きなメリツトの一
つは、放射光ビームのもつ高い平行性であつた。それが
第７図の方法では、反射鏡(12)を中心として、上下方向
に放射光ビームラインを発生させるものと等価であり、
その振動の幅は平行性の観点から極端に制限されるもの
である。

第８図は従来から知られている縦方向照射面積拡大法の
他の方法を示す模式図である。これは、荷電粒子の平衡
軌道(4)を蓄積リング内の(b)部に設けた横磁界発生用電
磁石により、該リングの(a)部を節として上下方向に揺
らし、それにより発生する放射光ビームを上下方向に揺
動させるものである。この方法においては、平行性を保
つたままで放射光ビームラインを上下方向に振らすこと
が可能であるが、この平衡軌道の揺動幅が放射光ビーム
の不安定性に基づく制限により、それほど大きくできな
いという欠点があつた。さらに、本質的な問題として、
複数の放射光ビームラインから揺動幅の異なる放射光ビ
ームしか得られないという欠点がある。さらにまた、荷
電粒子のビーム制御自体が極めて複雑であり、かつ理論
的な予測が難しいことも欠点である。

更に他の拡大方法としては、第７図に示す露光部(6)内
のマスク(7)とレジストを塗布したウエハ(8)との相対位
置関係を変えずに両者を一体にして上下方向に可動させ
る方法が考えられる。すなわち、荷電粒子装置からの放
射光ビームラインによる照射面積を変えずに、試料側で
大面積露光を考える方式である。しかし、この方法では
分割露光方式の際に問題が生ずると指摘されている。す
なわち、１ステツプの露光の間は試料を動かさずに十分
な面積を取る必要性があるので、試料を動かすこの方法
は分割露光ができない。なぜならば放射光ビームライン
を用いるリソグラフイーでは、線幅が０．１ミクロン級
のものを対象としており、そしてマスクとウエハを一体
で動かすときの相対的な位置関係のわずかな誤差も許さ
れないという事情がある。そのため、マスクと試料ウエ
ハを一体で動かすための機構が極めて複雑となることで
ある。

なお、前記分割露光方式でない場合でも、マスク(7)と
ウエハ(8)とをわずかな（例えば露光すべき線幅の1／10
としても、0.01ミクロン程度）相対的なずれを許さず、
これらを一体で動かすための機構は大変複雑となり、ま
た、信頼性にも難がある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明における荷電粒子装置は、荷電粒子の平衡軌道
を上下に平行に移動させることにより、発生する放射光
ビームラインの縦方向における照射範囲を拡大して大面
積の照射を可能としたものである。すなわち、荷電粒子
の平衡軌道を上下に平行に移動させるには、蓄積リング
を平行にかつ上下方向に移動できる構成とする。

〔作用〕

この発明における荷電粒子装置は、蓄積リングを平行に
上下方向に可動としたので、放射光ビームラインの照射
面積は該放射光ビームの特性を損なうことなく拡大する
ことができる。すなわち、放射光ビームラインを発生さ
せている状態で、蓄積リングを上下方向に平行に移動を
繰り返す構成としたので、放射光ビームラインの縦方向
における照射面積つまり露光面積は従来のものに比べ
て、数倍から数１０倍に拡大することができる。しか
も、放射光ビームラインや、蓄積リングあるいは露光部
を複雑な構成にすることなく可能となる。また、放射光
の平行性の長所を十分に生かすことができる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例による装置を第１図の正面図
を用いて説明する。(13)は蓄積リング(1)を固定する架
台、(14)はこの架台(13)を矢印(m)の上下方向に移動さ
せる油圧シリンダに代表される可動機構、(15)はこの荷
電粒子装置を設置する床、(16)は放射光ビームライン
(5)の一部に挿着された真空ベローズである。

次にその動作について説明する。まず、蓄積リング(1)
に所定の荷電粒子を蓄積した後、可動機構(14)により予
め設定された動作曲線に従い、蓄積リングを上下に移動
させる。ここで、蓄積リング(1)の上下方向における移
動は、放射光ビームラインの平行性を生かすためであ
る。そして前記の移動は蓄積リング(1)の構成要素であ
る偏向電磁石(3)、四極電磁石(9)およびその他の軌道電
磁石を互いの相対位置を変えることなく、全体を平行に
移動する必要がある。このためには、第１図に示すよう
に、蓄積リング(1)を共通架台(13)上に固定し、そして
この架台(13)を油圧制御により上下方向に振動させるこ
とが最も簡便でありかつ高精度である。なお、架台(13)
の振動は特に油圧制御に限定されるものではなく、空気
でもあるいは機械式の可動機構でもよいことは明らかで
ある。また、第１図では、複数の油圧シリンダを用いた
方式を示したが、これは単数にしても良い。

第２図は蓄積リングの縦方向における移動位置を示す波
形図である。なお、第２図(A)に示したように滑らかに
移動動作させても、また第２図(B)のように段階状に移
動動作させても本発明の本質には何等変わりが無い。そ
して、前記上下方向の移動動作に関してその移動量，移
動速度および繰り返し数等を、露光側の条件に合わせて
プログラマブルとしておくと本発明の効果を一層高める
ことができる。

さらに、この動作波形を予め設定するだけではなく、放
射光ビームの光量をモニタすると共に、そのモニタ信号
により前記照射される光量の時間積分値が、ウエハの異
なつた位置で常時一定となるように、蓄積リング(1)の
上下方向における移動速度もしくはその繰り返し数を制
御する制御系を設けることも可能である。

第３図は上記のような制御系により設定された移動速度
の変化の模様を示す波形図である。図中、第３図(B)の
場合は放射光ビームの単位当たりの光量が、第３図(A)
の場合に比べて約1／2に低下した状態に対応する。これ
は、蓄積リング(1)内の荷電ビーム量が通常、時間とと
もに減少することを示したものである。なお、放射光ビ
ームの単位時間当たりの光量は、荷電ビーム量に比例す
る。このような状態においても、ウエハ(8)に転写され
るパターンの露光深さは、放射光ビームの照射時間と単
位時間当たりの光量の積（厳密には、時間の積分値）で
定まるため、一定のパターン深さを得るには、放射光の
上下方向における繰り返し数を増やす（一定の移動速度
の場合）か、または１回の繰り返しの時間を長くする
（一定の繰り返し数の場合）ことが必要となる。第３図
(B)は、これを移動速度を遅くして補償した例である。

本発明では、上述のような制御が容易にできるので、均
一な露光を得られるという長所もある。なお、放射光ビ
ームの光量のモニタは、直接放射光を光電変換するもの
等があるが、蓄積リング中の荷電ビーム量、すなわちビ
ーム強度をモニタすることで代用できることは、上述の
説明の中で明らかである。次に蓄積リングを上下方向に
動かしたときに、放射光もそれに応じて上下方向に移動
する原理について説明する。まず、一般に粒子を高エネ
ルギーに加速したり、蓄積したりする加速器の平衡軌道
とベータトロン振動とを簡単に説明する。ここで前記平
衡軌道とは、荷電粒子あるいは荷電粒子の集団の中心が
通る閉じた閉軌道のことである。実際の荷電粒子は、こ
の平衡軌道を中心として、わずかに振動しながら蓄積リ
ング内すなわち、高真空ドウナツツ(10)内を回つてい
る。このわずかな振動をベータトロン振動という。これ
らの平衡軌道，ベータトロン振動はいずれも蓄積リング
を構成する電磁石群の配置により一義的に定まる。つま
り、電磁石の位置を少し変えると、それに応じた位置に
平衡軌道がずれることになる。勿論、電磁石群をバラバ
ラに勝手に動かすと、前記の閉軌道自体が存在しなくな
つたり、またビームが不安定になつて失われるという事
態が生じるので、電磁石群のそれぞれ相互の位置関係は
充分設計段階で検討した後で、その据え付け誤差をでき
るだけ小さくして床面に固定されるのが普通である。

さて、本発明では、電磁石群の相互の位置関係を変えず
に全体を上下に移動するので、平衡軌道の形はそのまま
で単にその高さ方向の位置が上下にずれるだけである。
一方、予め元の平衡軌道を回つていた荷電粒子ビーム
は、平衡軌道の移動に伴つて新しい平衡軌道に移つてい
く。この荷電粒子（ビーム）の移動は、ミクロにみると
次のメカニズムで説明される。

いま、荷電粒子の新しい平衡軌道が元の軌道に対して
(δ)mmだけ短時間に移つたとする。ここで元の軌道にい
た荷電粒子は、(δ)mmを初期振幅値とするベータトロン
振動が始まるが、このベータトロン振動は縦方向の振動
である。なお、この振動は放射光ビームラインを放出し
ていることによる放射制動により極めて短時間に減衰す
る。この減衰の時定数は、放射光利用のための蓄積リン
グで通常数ミリ秒であり、これをマクロにみると新しい
平衡軌道に瞬時に荷電粒子が移行すると考えても全く問
題はない。従つて、放射光ビームラインは荷電粒子位置
から発生するので、放射光も上下方向に移動する。但
し、数ミリ秒の間に電磁石の空隙距離をはずれる位の大
きな距離を移動させると、振幅が減衰するよりも早く電
磁石の磁極に粒子が当たるという事態が生ずるので、移
動の速度はそのような超高速ではいけない。勿論、本発
明における蓄積リングの移動は、そのような超高速でや
る必要がないので、全く問題がない。第１図の真空ベロ
ーズ(16)は、露光部(6)と蓄積リング(1)の上下方向の変
位を吸収するために用いる。

なお、図中では、荷電粒子入射部(2)の上流側を省略し
ているが、この入射ラインの一部にも同様の真空ベロー
ズを配置すれば、図では省略した入射器との高さの変位
を吸収することができることは、前記放射光ビームライ
ン(5)の場合と同様である。

第４図は本発明の他の実施例による装置を示した正面図
で、この場合、蓄積リング(1)の偏向電磁石(3)は超電導
電磁石から成る。この超電導電磁石は磁界の強さを大き
くできるので、放射光量を増やせる、あるいは全体に蓄
積リングを小形軽量にできる等の特徴がある。また、そ
の他の実施例として弱収束電磁石を用いた小形の蓄積リ
ングに本発明を適用することも勿論可能である。

なお、上記実施例では、真空ドーナツツ(10)も電磁石
(3)等と共に移動するようにしたが、上述した動作原理
で述べたように、電磁石群のみを一様に上下方向に移動
するだけでも、その効果は何等変わらない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の実施例によれば、蓄積リング
(1)を床面(15)に対して上下方向に平行移動するように
構成したので、安価で、かつ単純な構成で平行性に優
れ、かつ従来にない高性能の大面積照射ができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による荷電粒子装置を示す
正面図、第２図(A),(B)および第３図(A),(B)はそれぞれ
この発明における動作特性図、第４図は本発明の他の実
施例による荷電粒子装置を示す正面図、第５図は従来の
荷電粒子装置を示す正面図、第６図は従来の放射光ビー
ムラインの空間分布を示す模式図、第７図および第８図
はそれぞれ従来の放射光ビームラインの拡大法を示す模
式図である。 図中、(1)は蓄積リング、(2)は入射部、(3)は偏向電磁
石、(4)は平衡軌道、(5)は放射光ビームライン、(6)は
露光部、(7)はマスク、(8)はウエハ、(9)は四極電磁
石、(10)は真空ドーナツツ、(11)は高周波空洞、(12)は
反射鏡、(13)は架台、(14)は可動機構、(15)は床、(16)
は真空ベローズである。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放射光ビームを発生しこれを利用する荷電
   粒子装置において、荷電粒子の平衡軌道を上下方向に平
   行移動させることにより、発生する放射光ビームライン
   の縦方向の照射範囲を拡大し、もつて大面積の照射を可
   能としたことを特徴とする荷電粒子装置。
2. 【請求項２】複数の電磁石と真空ドーナツツから成る蓄
   積リングを共通の架台とともに上下方向に平行に移動可
   能としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   荷電粒子装置。
3. 【請求項３】複数の電磁石と真空ドーナツツから成る蓄
   積リングにおいて、複数の電磁石が互いの相対的な位置
   関係を一定のままでそれぞれを独立にあるいは複数のグ
   ループに分けてこれらを上下方向に平行に移動可能とし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の荷電粒
   子装置。
4. 【請求項４】上下方向の移動を油圧あるいは空圧制御に
   て行うことを特徴とする特許請求の範囲第２項，第３項
   記載の荷電粒子装置。
5. 【請求項５】放射光ビームラインの上流側は平衡軌道と
   ともに上下方向に移動し、下流側は床面に対し一定の高
   さに固定され、かつ上流側と下流側とが真空ベローズに
   よりフレキシブルに結合されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の荷電粒子装置。
6. 【請求項６】蓄積リングが超電導電磁石より成る偏向電
   磁石を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の荷電粒子装置。
7. 【請求項７】上下方向の移動量および移動速度、繰り返
   し数をプログラマブルとしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第２項および第３項記載の荷電粒子装置。
8. 【請求項８】上下方向の移動速度、繰り返し数のいずれ
   かあるいは両方を、放射光モニタからの信号により照射
   される光量の時間積分値が常に一定となるような制御系
   を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第２項および
   第３項記載の荷電粒子装置。
9. 【請求項９】放射光強度モニタとして、蓄積リングの荷
   電ビーム強度モニタを用いることを特徴とする特許請求
   の範囲第８項記載の荷電粒子装置。
10. 【請求項１０】荷電粒子入射ラインの下流側（蓄積リン
    グ側）は平衡軌道とともに上下方向に移動し、上流側
    (入射器側)は床面に対し一定の高さに固定され、かつ上
    流側と下流側とが真空ペローズによりフレキシブルに結
    合されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
    載の荷電粒子装置。