JP3658235B2

JP3658235B2 - 電子銃および電子銃を用いた描画装置および電子線応用装置

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Publication number: JP3658235B2
Application number: JP08894899A
Authority: JP
Inventors: 敬清由井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: US6593686B1; JP2000285840A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子銃およびこの電子銃を用いる電子線応用装置に関し、特に４Ｇビット以上の記憶容量を有するDRAMなどの半導体デバイスのリソグラフィ工程において、高スループット、高精度を実現することのできるマルチビーム描画装置などに好適に用いられる電子銃、および該電子銃を用いる電子線描画装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子線描画装置は、DRAMやMPUなどの半導体デバイスの原版であるマスクを作成するために永く用いられてきた。近年、その解像力の高さから微細化が進む半導体製造プロセスのなかで、リソグラフィ工程で用いられる露光装置への応用がなされている。
【０００３】
現在、４ＧビットDRAM以降のデザインルールに適用可能な装置として、電子銃から放出される電子ビームを収束させて、その収束位置を偏向器、電磁レンズなどで制御して半導体基板上に描画する、いわゆる直接描画タイプの電子線露光装置が開示されている。
【０００４】
しかしながら、半導体デバイスの量産プロセスに、これらの装置を適用するにはいくつかの問題点がある。そのなかで最も重要なものは描画速度であり、いわゆるマスク描画機の数十〜数百倍の高スループットが要求される。
【０００５】
この問題を解決する一手段として、電子銃から放出される電子ビームを複数本に分割して、例えば、電子ビームを数千本に分割してマトリックス状に並べ、各々のビームで同時にパターンを描画するマルチビーム方式の電子線描画装置がある。これらの装置は複数の電子ビームで、より広い視野に同時にパターンを描画するので、スループットを飛躍的に向上させることができる。
【０００６】
このような装置すなわち、より広視野にビーム強度のそろった複数の電子ビームを用いて直接描画するような装置の電子銃に要求される特性は、分割された各電子ビームで直接パターンを描画するため、ある程度高輝度である必要がある。且つ、ひとつの電子ビームから広い視野にわたって複数の電子ビームに分割するので、ビーム強度の角度電流分布が平坦でなければならず、そのためにはエミッタンスも大きくなければならない。
【０００７】
一般に輝度およびエミッタンスは、保存量であってそれらの値は光源である電子銃によって決定される。
【０００８】
従来の電子線描画装置に使用されている電子銃の基本的な構成は、輝度を高くするために先端の凸形状あるいは鋭く尖らせたカソードと、カソードに印加する電圧よりも低い電位を与えられカソードから射出される電子を収束させるためのウェーネルトと、アース電極をもつアノードからなっている。
【０００９】
このような三極タイプの電子銃は構造が簡単で扱いやすいので、広く一般に用いられている。
図４は、このような従来例の三極構造の電子銃要部の概略構成を示す模式説明図である。
【００１０】
同図の電子銃は電子源であるカソード５０と、ウェーネルト５１と、アノード５２の三極同軸構造で、絶縁体５３、支持電極５６および５７と、ヒータ５４および５５を備えている。カソード５０の先端は、微小領域に電界を集中させるために尖っており、曲率半径は５０〜１００μm程度である。
【００１１】
カソード５０の加熱は、支持電極５６および５７を介してヒータ５４および５５に電流を流すいわゆる通電加熱によって行う。カソード５０から放出された電子を加速して所定のエネルギーにするため、アノード５２にはカソード電位よりも１０〜５０kV程度高い電圧が印加される。
【００１２】
実際にはアノード５２は接地されているので、カソード５０にバイアス抵抗５８および５９を介して支持電極５６および５７に負の高電圧が印加されている。ウェーネルト５１の電位はカソード電位よりもさらに１００〜１０００V程度低く、この電位によってカソード５０から放出される電子電流が制限されると同時に、収束作用を有するレンズとして動作しクロスオーバ６０が形成される。
【００１３】
図５の１０１は、このような電子銃の角度電流分布の一例である。
この例での電流密度は２×１０⁶程度で、このときのクロスオーバ径は凡そ５μmであった。
【００１４】
一般的に、この種の電子銃の輝度およびエミッタンスは、それぞれ、〜１０⁶A/ cm²/str、〜５０μm・mrad程度である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、前述のような電子銃は輝度を高くするとエミッタンスが小さくなり、逆にエミッタンスを大きくしようとすると輝度が低下してしまい、輝度をある程度高くしたままでエミッタンスを大きくすることができなかった。
本発明はこのような問題点に着目し、比較的高い輝度を保ちつつ、角度電流分布が平坦で広い視野にわたって均一な強度分布の電子線を照射し得る電子銃を提供することを目的とし、さらに、その電子銃を用いた種々の電子線応用装置、特に高スループットの電子線描画装置を提供することをも目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段および作用】
上記の目的を達成するため本発明の電子銃は、電子放出面が半球状であるカソードと、前記カソードと対向して配置され光軸上に第一のアパーチャを有するアノードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置され、前記光軸上に第二のアパーチャを有し、前記カソードに印加される電位より低い電位が印加されるバイアス電極とを備え、前記カソードの半球状電子放出面の先端は、前記バイアス電極の第二のアパーチャの内径を直径とする球殻上に、または、前記球殻の外側に、配置されており、前記バイアス電極の第二のアパーチャの内径は、前記カソードの半球状電子放出面の直径の２倍以上であることを特徴とする電子銃である。
【００１７】
上記のごとく、本発明では電子放出面を半球状にして電子を放出させ、なお且つバイアス電極の内径を直径とするような球殻上またはその外側にカソードを配置することにより、クロスオーバ上の角度電流分布が平坦になるような電界レンズを形成し、輝度が高くエミッタンスの大きな電子銃を得ることができ、更に、前記バイアス電極の第二のアパーチャの内径を、前記カソードの半球状電子放出面の直径の２倍以上にして、半球面全体から電子を放出させてさらに電子ビームの強度を上げるようにしてもよい。
【００１８】
又、前記カソードの半球状電子放出面の先端と前記球殻の中心との距離が、前記球殻の半径の１ . １ないし１ . ２倍にすることにより、最大エミッタンスを得ることができる。
【００１９】
前記アノードの第一のアパーチャの内径を、前記バイアス電極の第二のアパーチャの内径よりも小さくすることにより、前記第二のアパーチャによって形成される凹レンズの効果を弱め電子ビームの発散を防止するようにしても良い。
【００２０】
さらに、前記アノードを前記カソードの半球状電子放出面に向かって凸形状にして、前記バイアス電極が形成する電界レンズの強度をあげ、角度電流分布がより平坦な電子銃を得ることもできる。
【００２１】
さらに前記いずれかの電子銃と、前記電子銃からの電子線を所望の特性を有する露光ビームに加工するための成形系と、前記露光ビームの位置を制御するための偏向系と、前記露光ビームを試料である基板上に収束させて所望のパターンを描画するための投影系とを有する電子線描画装置が得られる。
【００２２】
このように前記電子銃の高輝度、高エミッタンスという特徴を種々の電子線応用装置に適用することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき実施例により本発明の実施態様を具体的に説明する。
[実施例１]
図１は、本発明の電子銃構成の概要を示す模式説明図で、同図において１は電子を放出するカソード、２および３はカソード１を加熱するためのヒータ、４および５はカソード１とヒータ２および３を挟み込んで固定するするともに、カソード１に電圧を印加し、且つヒータ２および３に電流を流すための支持電極、６はバイアス電極、７は第二のアパーチャ、８はカソード１から放出された電子を加速して所望のエネルギーにするためのアノード、９は第一のアパーチャ、１０は第三のアパーチャである。１１は支持電極４および５とバイアス電極６を絶縁するための絶縁体、１２,１３および１４はバイアス回路、１５はバイアス回路１２,１３,１４を介してカソード１に電圧を印加するための高圧電源、１６はヒータ２および３に電流を供給しカソード１を加熱するための加熱電源である。
【００２４】
なお、カソード１およびバイアス電極６およびアノード８およびそれらの各アパーチャは電子ビームの光軸を中心軸とする同軸構造である。
【００２５】
同図において１は電子を放出するカソードであり、円柱状の六ホウ化ランタン(ＬaＢ₆)単結晶の先端を半球状に加工してある。カソード１の側面は円柱の軸を挟んで対称となるように平坦な切り欠きを設け、その切り欠き部分をグラファイトのヒータ２および３で挟み込み、さらにその外側から支持電極４および５で挟み込んで固定してある。
【００２６】
カソード１には高圧電源１５によって、バイアス回路１２,１３,１４を介して負の高電位が与えられていて、本実施例では５０kVである。６はバイアス電極であり、カソード１に与える電位よりさらに５００〜１０００Ｖ程度低い電圧を印加してある。７は第二のアパーチャである。カソード１はヒータ２,３に加熱電源１６から電流を供給することにより加熱されると電子を放出する。
【００２７】
なお、本実施例の電子銃はカソード１の温度を上げて放出電流が空間電荷によって決定される領域、いわゆる空間電荷制限領域で動作している。放出された電子ビーム１７は、アノード８によって加速されると同時に、バイアス電極６による電界レンズの効果で収束し、アノード８の第一のアパーチャ９を通過してクロスオーバ１８を形成する。アノード８の第三のアパーチャ１０は制限開口として作用し、電子ビーム１７の周辺部分を遮蔽して電流分布が平坦な中心部分だけを通過させる。
【００２８】
図２は、本発明の(実施例１による)電子銃におけるカソード１とバイアス電極６、アノード８の各要素の幾何学的配置を示す模式図であり、同図で、バイアス電極６の第二のアパーチャ７の内径の半径はＲ1であり、このＲ1を半径とする球殻Ｂがカソード１の電子放出面である半径ｒの半径の頂点に接している。
【００２９】
また、半球状電子放出面の半径rとバイアス電極６の第二のアパーチャ７の内径の半径Ｒ1との関係は、Ｒ1≧２rであり、半球状電子放出面のほぼ全域から射出される電子を効率よく第二のアパーチャ７を通過させクロスオーバ１８の形成に寄与させている。
【００３０】
さらにアノード８の第一のアパーチャ９の内径の半径はＲ2であり、バイアス電極６の第一のアパーチャ７の内径の半径Ｒ1との関係はＲ1≧Ｒ2である。アノード８の形状は電子ビームの光軸に対して垂直であれば、バイアス電極６とアノード８の距離が大きくとれ、異常放電に対して有利であるが、電子ビームの電流分布の平坦度は若干悪くなる。
【００３１】
本実施例では、アノード８の形状がカソード１に向かって凸形をしており、この場合の電流の角度分布は図５の１０２のごとくであり、従来の電子銃の角度電流分布１０１に較べてその平坦度が改善されている。アノード８の凸形状の突き出し量をさらに大きくしていくと、それに伴って角度電流分布の平坦度がさらに改善され、図５の１０３のごとく最大電流密度付近ではその角度電流分布がほぼ平らになり、周辺で急激に降下するようになる。
【００３２】
これは、バイアス電極６とアノード８の間の電界によるレンズ作用が増大するためで、この傾向はアノード８の第一のアパーチャ９の内径Ｒ2が小さくなるほど顕著である。ただしアノード８の凸形状の突き出し量を大きくするには、バイアス電極６とアノード８の距離をより小さくする必要がある。
これは、アノード８の凸形状によってカソード１の半球状電子放出面に集中する電界が弱くなり電子放出カットオフしてしまうためで、アノード８の凸形状の突き出し量が大きくなるほど、その距離を小さくしなければならない。
【００３３】
その場合、アノード８とバイアス電極６の間の放電に留意することと、クロスオーバ１８がアノード８の第一のアパーチャ９付近に、またはそれよりもカソード側に形成され、なお且つ電子ビーム１７の開き角が急激に大きくなり、例えばビーム半角で２００mrad程度になり、アノード８のカソード側の面に電子ビームが衝突するようになることに留意する必要がある。
【００３４】
なお、本発明による図５の１０２および１０３の角度電流分布を有する電子銃のクロスオーバ径は１０〜１５μｍであり、エミッタンスとしては２５０〜４５０μｍ・mrad程度であり、それらの輝度はいずれも１０⁶オーダを下回ることはなかった。
【００３５】
ここで図２の電子銃においては、カソード１の電子放出面の先端が球殻Ｂに接するように構成されているが、該球殻Ｂの外側であってもよい。その場合、カソード１の先端と該球殻Ｂの中心との距離が、１.１Ｒ1〜１.２Ｒ1であるときに最大のエミッタンスを得ることができる。
本実施例では、その電子源として六ホウ化ランタン(LaB₆)の単結晶を用いているが、他の電子源例えば、タングステン(Ｗ)などの高融点金属を用いてもよい。
【００３６】
[実施例２]
次に、図１に示す電子銃を用いた電子線描画装置の一実施例を図３をもとに説明する。図３は本発明の電子銃を光源として、試料に所望のパターンを直接描画する電子線描画装置の概要を示す模式説明図であり、同図において、１は本発明の実施例１による電子銃で、本描画装置の光源である。この光源から放射された電子ビームはその前側焦点位置が前記光源位置であるコンデンサーレンズ３０によって略平行の電子ビームとなる。
【００３７】
この略平行の電子ビームは複数の要素電子光学系３２が配列された、成形系３１に入射する。ブランキング電極を有する要素電子光学系３２は複数の光源の中間像３３,３４をブランキングアパーチャ３５の開口付近に形成すると同時に、複数のブランキング電極を各々個別に作動させてブランキングアパーチャ３５により複数の電子ビームを遮蔽することができる。
【００３８】
次に、磁界レンズ３７,３８は磁気対称ダブレットで投影系を構成しており、制限開口４２を有している。ここで、磁界レンズ３７,３８相互の距離は各々のレンズの焦点距離の和に等しく、前記光源の中間像３３,３４は磁界レンズ３７の焦点位置にあって、それらの像は磁界レンズ３８の焦点位置に形成される。
このとき磁界レンズ３７と磁界レンズ３８の焦点距離の比が投影倍率となる。
【００３９】
さらに、磁界レンズ３７,３８の磁界が、互いに逆方向に作用するように設定されているため、球面収差、非点収差、コマ収差、像面湾曲、軸上色収差のいわゆる五つの収差を除く他のサイデル収差、回転と倍率の色収差が打ち消されている。４０は収束磁界とMOL条件を満足する磁界偏向器、４１は電界によって偏向を行う静電偏向器で、これら二つの偏向器を用いて複数の中間像３３,３４からの電子ビームを偏向させて、複数の中間像の像を試料４３の上で平面的に移動させるようになっている。
【００４０】
ここで磁界偏向器４０と静電偏向器４１は、光源像の移動距離によって使い分けている。３９は偏向器を作動させた際に発生する偏向収差によるフォーカス位置のずれを補正するためのダイナミックフォーカスコイル、３６は同様な過程で発生する非点収差を補正するダイナミックスティグコイルである。また、４４は試料４３をX,Y,Z方向に移動するためのXYZステージであり、複数のレーザー干渉計によって位置や移動速度が正確に制御されている。
【００４１】
実際の描画は、パターンデータに基いて、複数の中間像の像の投影系によって試料４３上に投影し、複数の要素電子光学系のブランキング電極を作動させて複数の電子ビームをオン・オフさせながら、磁界偏向器４０と静電偏向器４１を用いて試料４３上を走査し、且つXYZステージ４４を協動せしめ所望の露光パターンを得ている。
【００４２】
なお本例は実施形態の一例であり、広い視野にわたって所望のパターンを描画する場合には、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとり得るものである。
【００４３】
さらに、本実施例は、本発明の電子銃を電子線描画装置に適用したものであるが、高輝度、高エミッタンス、あるいは広視野における電子ビームの照射が要求される場合、なかでも一つの電子ビームを複数の電子ビームに分別して用いる、いわゆるマルチビーム系の電子線応用装置にも直ちに適用できることは明らかである。
【００４４】
[実施例３]
次に、上記の電子線描画装置を利用したデバイスの製造方法の実施例を図６および図７を基に説明する。
【００４５】
図６は、微小デバイス(ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等)の製造フローを示す。
ステップ１(Ｓ1:回路設計)では、半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２(Ｓ2:露光制御データ作製)では、設計した回路パターンに基づいて露光装置の露光制御データを作製する。一方ステップ３(Ｓ3:ウエハ製造)では、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。
【００４６】
ステップ４(Ｓ4:ウエハプロセス)は前工程と呼ばれ、上記用意した露光制御データが入力された露光装置とウエハを用い、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５(Ｓ5:組み立て)は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程(ダイシング、ボンディング)、パッケージング工程(チップ封入)等の工程を含む。
【００４７】
ステップ６(Ｓ6:検査)では、ステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これがステップ７(Ｓ7:出荷)で出荷される。
図７は、上記ウエハプロセスの詳細な製造フローを示す。
【００４８】
ステップ１１(Ｓ11:酸化)では、ウエハ表面を酸化させる。ステップ１２(Ｓ12:ＣＶＤ)では、ウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３(Ｓ13:電極形成)では、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４(Ｓ14:イオン打込み)では、ウエハにイオンを打込む。ステップ１５(Ｓ15:レジスト処理)では、ウエハに感光剤を塗布する。
【００４９】
ステップ１６(Ｓ16:露光)では、上記説明した露光装置によって回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７(Ｓ17:現像)では、露光したウエハを現像する。ステップ１８(Ｓ18:エッチング)では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９(Ｓ19:レジスト剥離)では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。
【００５０】
これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
本実施形態の製造方法を用いることにより、従来製造が困難であった高集積度の半導体デバイスを製造することが可能となる。
【００５１】
【発明の効果】
上記本発明の電子銃および該電子銃を用いる電子線描画装置は、下記のような顕著な効果を奏する。
(１) カソードの電子放出面を半球状にし、その半球の頂点をバイアス電極のアパーチャの内径を直径とする球殻上かまたはその外側に配置することにより、比較的高い輝度を保ちつつ、角度電流分布が平坦で広い視野にわたって均一な強度分布の電子線を照射することができる。
(２) アノードのアパーチャの内径をバイアス電極のアパーチャの内径よりも小さくして、またアノードの形状をバイアス電極に向かって凸形状にすることにより、さらに角度電流分布を平坦にし、エミッタンスを大きくすることができる。(３) 本発明の電子銃を用いた電子線描画装置は、広い視野に配列された複数の電子ビームによる複数の中間像を試料上に同時に照射して描画するので、高いスループットで所望のパターンを描画することができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における電子銃の概要を示す模式説明図。
【図２】実施例１の電子銃の各要素の幾何学的配置を示す模式図。
【図３】本発明(実施例１)の電子銃を用いた実施例２における電子線描画装置の概要を示す模式説明図。
【図４】従来の電子銃の要部構成を示す模式説明図。
【図５】従来の電子銃と本発明(実施例１)の電子銃の角度電流分布を対比して示すグラフ図。
【図６】本発明(実施例３)の微小デバイスの製造方法(前半)を示すブロックフロー図。
【図７】本発明(実施例３)の微小デバイスの製造方法(後半)を示すブロックフロー図。
【符号の説明】
１カソード
２,３ヒータ
４,５支持電極
６バイアス電極
７第二のアパーチャ
８アノード
９第一のアパーチャ
１０第三のアパーチャ
１１絶縁体
１２,１３,１４バイアス回路
１５高圧電源
１６加熱電源
１７電子ビーム
１８クロスオーバ
３０コンデンサーレンズ
３１成形系
３２要素電子光学系
３３,３４中間像
３５ブランキングアパーチャ
３６ダイナミックスティグコイル
３７,３８磁気対称ダブレット(磁界レンズ)
３９ダイナミックフォーカスコイル
４０磁界偏向器
４１静電偏向器
４２制限開口
４３試料
４４ XYZステージ

Claims

電子放出面が半球状であるカソードと、前記カソードと対向して配置され光軸上に第一のアパーチャを有するアノードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置され、前記光軸上に第二のアパーチャを有し、前記カソードに印加される電位より低い電位が印加されるバイアス電極とを備え、前記カソードの半球状電子放出面の先端は、前記バイアス電極の第二のアパーチャの内径を直径とする球殻上に、または、前記球殻の外側に、配置されており、前記バイアス電極の第二のアパーチャの内径は、前記カソードの半球状電子放出面の直径の２倍以上であることを特徴とする電子銃。
前記カソードの半球状電子放出面の先端と前記球殻の中心との距離が、前記球殻の半径の１.１ないし１.２倍であることを特徴とする請求項１記載の電子銃。
前記アノードの第一のアパーチャの内径が、前記バイアス電極の第二のアパーチャの内径よりも小さいことを特徴とする請求項１または２記載の電子銃。
前記アノードが、前記カソードの半球状電子放出面に向かって凸形状であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の電子銃。
請求項１ないし４の何れかに記載の電子銃と、前記電子銃からの電子線を所望の特性を有する露光ビームに加工するための成形系と、前記露光ビームの位置を制御するための偏向系と、前記露光ビームを試料である基板上に収束させて所望のパターンを描画するための投影系とを有することを特徴とする電子線描画装置。
請求項５記載の電子線描画装置を用いて半導体デバイスを製造することを特徴とするデバイス製造方法。
ウエハに感光剤を塗布する工程と、請求項５記載の電子線描画装置を用いて前記ウエハを露光する工程と、露光された前記ウエハを現像する工程と、を有することを特徴とするデバイス製造方法。