JP5777445B2 - 荷電粒子線描画装置及び物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線描画装置及び物品の製造方法に関する。

半導体回路の微細化のために、マルチビーム描画装置は、極微細パターンを形成することが必要であり、基板上で電子ビームを１０ｎｍ径程度に集光させる。このために、電子ビームを集光させる最終段の静電レンズは、焦点距離を短くする必要があり、例えば焦点距離は１ｍｍ程度かそれ以下である。静電レンズは３枚の電極板から構成されているので、厚さが０．２ｍｍの電極板であれば最もレジストに近い電極板とレジストの距離は０．５ｍｍ以下である。ビーム１本毎にこの静電レンズが１つずつ配置されている。マルチビーム描画装置は効率良くパターンを描画するために、数万本の電子ビームを用いる。数万本のビームをそれぞれ結像させるために、静電レンズは同数の電子ビームが通る穴を持つ電極板により構成されている。これら多数の電子ビームは、例えば０．０５ｍｍの間隔で配置され、仮に総数が２５万本であれば５００本×５００本分の静電レンズが配置されている。静電レンズの面積は、単純計算で２５ｍｍ×２５ｍｍ必要となるが、２５万本のビームをそれぞれ制御するためには配線等の都合から、例えば５ｍｍ×５ｍｍ毎のブロックに分割する。１つのブロックには１００本×１００本分の静電レンズが配置されている。分割の仕方はいろいろあるが、例えば効率良く描画するために、互いに５ｍｍの間隔をおいて配置することもある。その結果、電子ビームは４５ｍｍ×４５ｍｍの領域に配置された２５ブロックに分散される。この電極板を保持する枠等も必要となるため、電子ビーム鏡筒のウエハと対向する面は少なくとも５０ｍｍ×５０ｍｍ程度の大きさとなる。露光されるウエハのサイズは直径３００ｍｍ程度のものであり、ウエハと電極板は０．２ｍｍの間隔で、広い面積にて対向することになる。

静電レンズの一つのブロックの斜視図を図７に示す。図７において、荷電粒子ビームが通過するグレーに表示された第１領域２には１００本×１００本分のビームを集光するレンズを形成する１００００個の開口１が形成されている。図中の楕円部分の断面拡大図を図の左上に示す。拡大図に示されるように、静電レンズを形成する０．０５ｍｍの開口１を等間隔に並べた３枚の電極板３ａ，３ｂ，３ｃはスペーサ６を挟んで配置されている。電極板３ａ，３ｂ，３ｃの厚みはいずれも０．２ｍｍ程度であるため、径０．０５ｍｍの開口１は筒状形状となっている。静電レンズを構成する開口１はブロック内に１００×１００のマトリクス状に配置されて開口群を形成し、開口群の周囲の白地の第２領域４には荷電粒子ビームが通らないため開口は存在しない。このようなブロックを５×５個配置すると、全部で２５万本のビームに対応した静電レンズになる。

荷電粒子ビームは大気中に存在する気体成分によっても散乱されて著しく減衰するため、荷電粒子ビーム描画装置の荷電粒子ビームを制御する電子光学系は、荷電粒子ビームが減衰しないように真空状態に保たれている。ウエハと電極板の間隙も同様に真空に保たれている。荷電粒子ビームによる描画が開始されると、ウエハ上に塗布されたレジストに荷電粒子ビームが照射される。荷電粒子ビームが照射された部分のレジストを構成する分子は一旦結合が切られる。レジストによってはその後架橋反応が進むものもあり、荷電粒子ビームが照射された位置と照射されない位置での分子状態に差が生じることで描画パターンが形成される。レジストに荷電粒子ビームが照射され、分子状態が変化する際に、レジスト構成材料の一部は気化してレジスト外に放出される。

特許第３７２８２１７号公報

荷電粒子ビームに照射された瞬間から、有機成分が混入されたガスがレジストから多く放出される。荷電粒子ビームの照射が終了した後においても、レジストの分解反応が進む間はガスが放出され続ける。レジスト周辺のガス排出能力によって、ガスが滞留する時間が決まる。前述したように、ウエハとそれに対向する電極板は、例えば５０ｍｍ×５０ｍｍ程度の面積にて、０．２ｍｍの間隔で対向することになる。この状態で、荷電粒子ビームがウエハ上のレジストに照射されると、一部分解された分子がレジストから放出され、ウエハと電極板との間の空間に充満する。レジストから放出されたガスがウエハと電極板との間の隙間を通って水平方向外側に抜けるためには時間がかかる。ガスの一部は静電レンズの各開口を通ってウエハから見て静電レンズの反対側（上方向）に抜けるが、その量も決して大きくない。更に荷電粒子ビームの照射が続くため、ウエハと電極板との間の空間内にレジストから放出されたガスが溜まる。この結果、この空間の圧力が上昇する。多くのレジストは有機物にて構成されているため、この空間にレジストから放出された有機性分子が溜まってしまうことにより、電極板の表面に有機性分子が付着し堆積する。この現象は、荷電粒子ビーム照射時にウエハ面から発生する二次電子が対向する電極板に到達し、物理吸着していた有機性分子に作用して電極板の表面に有機性分子を結合させることによると考えられている。静電レンズの電極板に有機性分子が堆積することによって静電レンズの開口形状が変化すると、荷電粒子ビームの集光点が変わってしまい、描画精度が低下する。また、堆積した有機性分子が二次電子によって帯電することにより、静電レンズの電場が乱れて、荷電粒子ビームの集光点の位置がずれてしまい、これも描画精度に影響を与える。

更に、静電レンズの電極板には荷電粒子ビームを集光するために数ｋＶの高電圧が印加されている。そのため、レジストから放出されたガスが溜まることによって、静電レンズが配置されている空間の真空度が低下し、電極板間で放電が起きてしまうという課題も発生する。特許文献１には、静電レンズの電極板間に残留する気体を排気する方法が開示されている。特許文献１に開示の方法は、互いに対向する電極板の形成する空間の気体を排気するための排気口とバルブをそれぞれの空間に対応して設置する。電極板間の残留ガスを排気するためにはこの方法も有効であるが、電極板間の間隔が非常に狭く広い場合でかつ残留ガスの圧力が１Ｐａ以下であるような場合には、コンダクタンスを大きくすることは難しいため、排気能力は必ずしも高くならず、効果は低い。

本発明は、レジストから放出されたガスの影響の小ささの点で有利な描画装置を提供することを例示的目的とする。

本発明の１つの側面は、真空下において複数の荷電粒子線で基板に描画を行う描画装置であって、前記基板を保持して走査方向に移動する基板ステージと、前記基板に対向するべき電極板を含み、該電極板を介して前記複数の荷電粒子線を前記基板に投影する静電レンズと、を備え、前記電極板は、前記複数の荷電粒子線をそれぞれ通過させる複数の第１の開口と、前記複数の第１の開口とは別の、前記複数の荷電粒子線のうちの荷電粒子線を通過させない複数の第２の開口とが形成され、前記複数の第２の開口は、前記走査方向において前記複数の第１の開口に隣接し、前記複数の第２の開口の合計面積は、前記複数の第１の開口の合計面積より小さくない、ことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、レジストから放出されたガスの影響の小ささの点で有利な描画装置を提供することができる。

第１実施形態における静電レンズの斜視図。 第１実施形態における静電レンズの正面図。 第２実施形態における静電レンズの正面図。 第３実施形態における静電レンズの斜視図。 第３の実施形態における静電レンズの正面図。 荷電粒子描画装置の構成図。 従来技術における静電レンズの斜視図。

本発明は、真空下において複数の荷電粒子線（電子線、イオン線等）で基板に描画を行う描画装置に適用可能であるが、複数の電子ビームを用いる電子ビーム描画装置について図６を用いて説明する。なお、電子線の経路は、不図示の真空ポンプ等により、電子光学系の筐体内も含めて、真空下に置かれている。電子銃１１はクロスオーバ像１２を形成する。１３、１４はクロスオーバ１２から出射した電子ビームの軌道を示している。クロスオーバ１２から出射した電子ビームは、電磁レンズで構成されたコリメーターレンズ１３の作用により平行ビームとなり、アパーチャアレイ１６に入射する。アパーチャアレイ１６は、マトリクス状に配列した複数の円形状の開口を有し、入射した電子ビームは複数の電子ビームに分割される。アパーチャアレイ１６を通過した電子ビームは、円形状の開口を有した３枚の電極板（図中では、３枚を一体で図示している）から構成される静電レンズ１７に入射する。

静電レンズ１７が最初にクロスオーバを形成する位置に開口をマトリクス状に配置したストッピングアパーチャ１９が配置される。このストッピングアパーチャ１９での電子ビームのブランキング動作は、マトリクス状に電極を配置したブランキング偏向器１８により実行する。ブランキング偏向器１８は、ブランキング制御回路３２により制御され、ブランキング制御回路３２は描画パターン発生回路２９、ビットマップ変換回路３０、ブランキング指令生成回路３１によって生成されるブランキング信号により制御される。ストッピングアパーチャ１９を通過した電子ビームは、複数枚、（例えば３枚の電極板を含む静電レンズ２１によりウエハ又はマスクなどの基板２２の上に投影されて元のクロスオーバ１２の像を結像する。

基板ステージ（ステージ）２３は、基板２２を保持して基板２２の表面に平行な方向（Ｙ方向）に走査可能である。パターンの描画中、基板２２はＹ方向にステージ２３により連続的に移動し、レーザ測長機などによるステージ２３の測長結果を基準として、基板２２の表面上の像が偏向器２０によりＸ方向に偏向され、かつブランキング偏向器１８でブランキングされる。偏向器２０は、偏向信号発生回路３３により発生される偏向信号を偏向アンプ３４に送信することによって制御される。コリメーターレンズ１３、静電レンズ１７、静電レンズ２１は、レンズ制御回路２８により制御され、全ての露光動作はコントローラー２７により統括される。

この描画装置における描画方式について説明する。電子銃１１から出射した電子ビーム１３は、格子状の配置からＸ方向に相互に距離Ｌだけずれた千鳥配置となるように、アパーチャアレイ１６でＭ行Ｎ列に分割されている。描画の際には、ステージ２３が第１方向（Ｘ方向）に直交する第２方向（Ｙ方向）に連続的に移動する間に、複数の電子ビームは、基板２２の面上でＸ方向に走査可能な距離Ｌの範囲を画素単位で偏向器２０により偏向を繰り返す。この距離Ｌは、偏向器２０の偏向ストロークにより決定される。このときのステージ速度は、レジスト感度と電子ビームの電流密度の値とから決定される。

基板２２に対してＹ方向に設定された距離だけ連続移動描画をした後、ステージ２３をＹ方向にＮ行分だけステップ移動して再びＹ方向への連続移動描画を行う。基板２２の折り返し位置では、Ｘ方向にＭ行分だけステップ移動して再びＹ方向への連続移動描画を行う。この動作を繰り返すことでレジストが塗布された基板２２全面に電子ビームによるパターン描画を行うことができる。以下、本発明の実施例に係る電子光学系の最終段に配置される静電レンズ２１について説明する。

［実施例１］
図１及び図２は、実施例１の３枚の電極板３ａ，３ｂ，３ｃを有する静電レンズ２１を示した図である。静電レンズの各電極板３は、４つのブロックの境界に設置されたスペーサ６によって電極板３間の間隔が所定の間隔に維持される。各ブロックの中央には複数の電子ビームが通過するための多数の第１の開口１を有する第１領域２が少なくとも１つ形成されている。実施例１では、４つの第１領域２が形成されている。各電極板３の電子ビームが通過しない第２領域４には、第１領域２を取り囲むように第１の開口１とは別の第２の開口８が形成されている。図に示すような第１の開口群をもつブロック構造の電極板３では、電極板３の面積に対する第１の開口１の合計面積の割合は１０％程度である。電極板３ａの下方には図示していないが、基板２２のレジスト面が近接している。更に電極板３ｂ、３ｃが重なるように配置されているため、第１の開口１だけではコンダクタンスが小さくなり、レジストから発生するガスが電極板３の反対側空間（上方空間）に抜けにくい構造となっている。面積の大きい基板２２と電極板３ａが対向しているために両者の間隙で発生したアウトガスが水平方向に沿って抜けてゆくことが困難であり、結果的に基板２２と電極板３ａとの間の空間の圧力が上昇する。

そこで、図１、図２に示すように、静電レンズ２１を構成する電極板３の電子ビームが通過しない第２領域４に、電子ビームが照射されたレジストから発生するアウトガスを逃がすための第２の開口８を設置する。これら第２の開口８は、電極板３の構造的な強度を維持しつつ、できるだけ大きくかつ多数、更に３枚の電極板３で同様に設置する。図１、図２では、アウトガスを逃がすための第２の開口８の形状を円形状としたが、楕円形状でも矩形形状でも良い。例として、直径１ｍｍの第２の開口８を５ｍｍ×５ｍｍのブロックにおける第１の領域２の周囲に並べると、第２の開口８を１つのブロックに１６個程度設置可能である。このようにした場合、コンダクタンスは倍程度になり、基板２２と電極板３の間の圧力上昇は半分になる。

ブロック１つに注目すると、ガス抜きのために多数設置した第２の開口８は、それらの合計面積が広い方がより圧力上昇を抑えられることは言うまでもない。しかし、仮に第２の開口８の合計面積が同じならば、小さい開口を多く設置するよりも大きい開口を少なく設置する方がコンダクタンスは大きくなるため、より圧力上昇を抑える効果は高い。本実施例のように、第１の開口１の径が電極板３ａ〜３ｃの厚みに比べて小さい場合は、第１の開口１は筒状となるためコンダクタンスが低下する。第２の開口８の大きさは、電極板３の厚みよりも大きい方が好ましい。より具体的な例としては、第２の開口８が円形状であれば直径が、長方形であれば短辺が、楕円形状であれば短径がそれぞれの電極板３の厚みよりも大きい方が好ましい。

電子光学系の最終段に配置される静電レンズ２１は通常３枚の電極板３ａ〜３ｃにて構成されている。この３枚の電極板３ａ〜３ｃが、アウトガスを逃がすための第２の開口８の径と同程度かそれ以上の間隔を持って配置されている場合、第２の開口８の位置が３枚の電極板３ａ〜３ｃでずれていてもアウトガスの通過には大きな影響はない。しかし、本実施例のように第２の開口８の間隔が０．５ｍｍ程度で径が１ｍｍ程度の場合に第２の開口８の電極板３ａ〜３ｃにおける位置が大きくずれていると電極板３枚を通過するガス分子の移動に影響が生じる。３枚の電極板３ａ〜３ｃの第２の開口８の少なくとも一部が揃う、つまり貫通する部分がある場合、電極板３ａ〜３ｃに衝突することなく静電レンズ２１の反対側（上方）に抜けることができるアウトガス分子が少なからず存在するので、排気効率は良くなる。そのためにも、３枚の電極板３ａ〜３ｃの第２の開口８は位置を揃えて貫通するような配置とすることが好ましい。

［実施例２］
図３に実施例２の静電レンズ２１を示す。実施例２では、実施例１に比較して小さい第２の開口８を多数、各電極板３に形成する。従来技術にて説明したように、マルチビーム照射にてパターンを描画する際には、電子ビームを偏向器２０の偏向電極で電圧を変化させながら各ビームをオンオフすることで、基板２２上に線又は点を打つことができる。これを電子ビームの走査とする。この電子ビームの走査では特定の方向に１ライン描画する。描画方法によっては、この電子ビームの走査方向に対して垂直の方向にも走査できるような偏向器を用いて面を描画するものもあるが、本実施例では、電子ビームの走査方向と垂直な方向にはステージ２３を移動させる。これをステージの走査と呼ぶ。

電子ビームに照射された基板２２上のレジストは、エネルギー照射により化学結合状態が変化するため、レジストの一部が気化して放出される。これは電子ビームが照射された瞬間から始まり、例えば化学増幅型のレジスト等はその反応が連鎖的に進むため、電子ビームの照射が終了しても反応は進む。このため、電子ビームの照射後でもレジストから気化する分子が存在する。更に、レジストは例えば５０ｎｍ程度の厚さを有し、表面ばかりでなく基板２２に近い場所でも反応は起きる。この時にレジストの内部で気化した分子は、レジストを抜けて表面から離脱するが、これも電子ビームの照射後に出てくることになる。このように、電子ビーム描画時にレジストから発生するアウトガスは電子ビームが照射された瞬間から始まり、照射後もしばらくはレジストから出続けることになる。そのため、これらアウトガスを適切に逃がさないとレジスト表面上の空間は圧力が上昇することになる。第２領域のうち、レジストを照射して放出されるアウトガスの局所分布を考えるとステージ２３の走査方向９に沿う領域４ａにおいて走査方向と直交する方向に沿う領域４ｂよりもレジストのアウトガスが多く発生し、多く溜まる。領域４ａは、ステージ２３の走査方向において複数の第１の開口１に隣接する領域であり、領域４ｂは、ステージ２３の走査方向に直交する方向において複数の第１の開口１に隣接する領域である。

本実施例では、複数の電子ビームが通過する第１領域２は、第２方向（ステージ２３の走査方向９）に平行な一対の第１の辺と、第１方向に直交する第２方向に平行な一対の第２の辺とで囲まれた矩形形状を有する。第２領域４のうち、第２の辺から第２方向に沿って一定の幅を有する領域４ａで第２の開口８が占める割合（面積密度）を、第１の辺から第１方向に沿って前記一定の幅を有する領域４ｂで第２の開口８が占める割合（面積密度）より大きくする。こうすることで、電子ビームの照射後にレジストから発生するアウトガスを効率的に静電レンズ２１の反対側（上方）に逃がすことができる。このように走査方向９と平行な第２方向に沿う領域４ａで第２の開口８を多く設置することによって電極板３の剛性が低くなった分を、走査方向９と直交する第１方向に沿う領域４ｂで第２の開口８の設置数を少なめにすることで補うことができる。

［実施例３］
次に、図４、図５に実施例３の静電レンズ２１を説明する。本実施例は、筒状部材１０が３枚の電極板３を貫通し、実施例１，２よりも大幅に大きな第２の開口８が筒状部材１０の内側面で画定された例である。筒状部材１０は、３枚の電極板３を所定の間隔を保持して支持している。このとき、筒状部材１０は、電極板３を支持して各電極板間を維持するスペーサの役割を持つため、開口壁１０は絶縁材料で構成される。更に、静電レンズ２１を構成する電極板３には例えば５ｋＶ程度の電位差が生じるため、筒状部材１０は、それに十分耐えることのできる絶縁耐性を有する必要がある。筒状部材１０は、それ自身からのアウトガスが少ないもの、例えばガラスやセラミックスを使用しうる。このような筒状部材１０を設置することで、レジストから発生したアウトガスは静電レンズ２１の電極板３の間に侵入せずに静電レンズ２１を抜けることができるという利点がある。アウトガスの全てが第１の開口１に侵入しないわけではないが、第１の開口１に侵入するアウトガスの量を抑えることができる。この第２の開口８をブロック配置した第１領域２の間及び第１領域２の周囲に配置する。第２の開口８の大きさは、例えば２ｍｍ×６ｍｍとした。このような大きな第２の開口８を設置できると、静電レンズ２１のコンダクタンスを大きくすることができる。そのため、基板２２と電極板３の間隙のアウトガスによる圧力上昇は、第２の開口８が存在しない場合に比較して約１桁小さく抑えることができた。本実施例の筒状部材１０とは別に電極板３の支持材やスペーサとして絶縁物を設置しても良い。

実施例１〜３によれば、静電レンズ２１を構成する電極板３とレジストとの間の空間にレジストからのアウトガスが滞留することを防止することができる。これにより、電極板３に対するカーボンコンタミネーション（コンタミナントまたは汚染物質）の付着を少なくする効果がある。また、レジストアウトガスによる電極板間の圧力上昇も抑えることができ、放電の可能性を低くする効果がある。

［デバイス製造方法］
本発明の実施形態に係る物品の製造方法は、例えば、半導体デバイス等のマイクロデバイスや微細構造を有する素子等の物品を製造するのに好適である。該製造方法は、レジストが塗布された基板の該レジストに上記の描画装置を用いて潜像パターンを形成する工程（基板に描画を行う工程）と、当該工程で潜像パターンが形成された基板を現像する工程とを含みうる。さらに、該製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含みうる。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

Claims (5)

1. 真空下において複数の荷電粒子線で基板に描画を行う描画装置であって、
   前記基板を保持して走査方向に移動する基板ステージと、
   前記基板に対向するべき電極板を含み、該電極板を介して前記複数の荷電粒子線を前記基板に投影する静電レンズと、を備え、
   前記電極板は、前記複数の荷電粒子線をそれぞれ通過させる複数の第１の開口と、前記複数の第１の開口とは別の、前記複数の荷電粒子線のうちの荷電粒子線を通過させない複数の第２の開口とが形成され、前記複数の第２の開口は、前記走査方向において前記複数の第１の開口に隣接し、前記複数の第２の開口の合計面積は、前記複数の第１の開口の合計面積より小さくない、ことを特徴とする描画装置。
2. 真空下において複数の荷電粒子線で基板に描画を行う描画装置であって、
   電極板を含み、該電極板を介して前記複数の荷電粒子線を前記基板に投影する静電レンズを備え、
   前記電極板は、前記複数の荷電粒子線をそれぞれ通過させる複数の第１の開口と、前記複数の第１の開口とは別の、前記複数の荷電粒子線のうちの荷電粒子線を通過させない複数の第２の開口とが形成され、前記複数の第２の開口の合計面積は、前記複数の第１の開口の合計面積より小さくなく、
   前記静電レンズは、複数枚の前記電極板と、該複数枚の電極板を貫通する複数の筒状部材とを有し、前記複数の筒状部材は、絶縁材料で構成され、前記複数の第２の開口は、前記複数の筒状部材の内側面によって、それぞれ画定されている、ことを特徴とする描画装置。
3. 真空下において複数の荷電粒子線で基板に描画を行う描画装置であって、
   前記基板を保持して走査方向に移動する基板ステージと、
   電極板を含み、該電極板を介して前記複数の荷電粒子線を前記基板に投影する静電レンズと、を備え、
   前記電極板は、前記複数の荷電粒子線をそれぞれ通過させる複数の第１の開口と、前記複数の第１の開口とは別の、前記複数の荷電粒子線のうちの荷電粒子線を通過させない複数の第２の開口とが形成され、前記複数の第２の開口の合計面積は、前記複数の第１の開口の合計面積より小さくなく、
   前記走査方向において前記複数の第１の開口に隣接する前記複数の第２の開口の面積密度は、前記走査方向に直交する方向において前記複数の第１の開口に隣接する前記複数の第２の開口の面積密度より大きい、ことを特徴とする描画装置。
4. 前記複数の第２の開口それぞれの面積は、前記複数の第１の開口それぞれの面積より大きい、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の描画装置。
5. 請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の描画装置を用いて基板に描画を行う工程と、
   前記工程で描画を行われた前記基板を現像する工程と、
   を含むことを特徴とする物品の製造方法。