JP2019036580A - マルチ荷電粒子ビーム描画装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成形アパーチャアレイで放射され、ブランキングアパーチャアレイに照射されるＸ線の量を低減する。【解決手段】本実施形態によるマルチ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１１１と、複数の開口１２を荷電粒子ビームの一部がそれぞれ通過することによりマルチビームを形成する成形アパーチャアレイ１０と、複数の開口１２を通過したマルチビームのうち、それぞれ対応するビームが通過する複数の開口２２が形成され、成形アパーチャアレイ１０に荷電粒子ビームが照射されることで放射されるＸ線を遮蔽するＸ線シールド板２０と、開口１２及び開口２２を通過したマルチビームのうち、それぞれ対応するビームが通過する複数の開口３２が形成され、各開口３２にビームのブランキング偏向を行うブランカが設けられたブランキングアパーチャアレイ３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、マルチ荷電粒子ビーム描画装置に関する。

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。

マルチビームを使った描画装置は、１本の電子ビームで描画する場合に比べて、一度に多くのビームを照射できるので、スループットを大幅に向上させることができる。マルチビーム描画装置の一形態であるブランキングアパーチャアレイを使ったマルチビーム描画装置では、例えば、１つの電子銃から放出された電子ビームを複数の開口を持った成形アパーチャアレイに通してマルチビーム（複数の電子ビーム）を形成する。マルチビームは、ブランキングアパーチャアレイのそれぞれ対応するブランカ内を通過する。ブランキングアパーチャアレイはビームを個別に偏向するための電極対と、その間にビーム通過用の開口を備えており、電極対（ブランカ）の一方をグラウンド電位で固定して他方をグラウンド電位とそれ以外の電位に切り替えることにより、それぞれ個別に、通過する電子ビームのブランキング偏向を行う。ブランカによって偏向された電子ビームは遮蔽され、偏向されなかった電子ビームは試料上に照射される。ブランキングアパーチャアレイは、各ブランカの電極電位を独立制御するための回路素子を搭載する。

マルチビームを形成する成形アパーチャアレイで電子ビームを止める際に、制動放射Ｘ線が放射される。このＸ線がブランキングアパーチャアレイに照射されると、トータルドーズ（ＴＩＤ）効果により回路素子に含まれるＭＯＳ電界効果型トランジスタの電気特性が劣化し、回路素子の動作不良を引き起こすおそれがあった。

特開２０１３−０９３５６６号公報 特開２００５−０５０５７９号公報 特開２００５−０９３８３７号公報

本発明は、成形アパーチャアレイで放射され、ブランキングアパーチャアレイに照射されるＸ線の量を低減するマルチ荷電粒子ビーム描画装置を提供することを課題とする。

本発明の一態様によるマルチ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、複数の第１開口が形成され、前記複数の第１開口全体が含まれる領域に前記荷電粒子ビームの照射を受け、前記複数の第１開口を前記荷電粒子ビームの一部がそれぞれ通過することによりマルチビームを形成する成形アパーチャアレイと、前記複数の第１開口を通過したマルチビームのうち、それぞれ対応するビームが通過する複数の第２開口が形成され、前記成形アパーチャアレイに前記荷電粒子ビームが照射されることで放射されるＸ線を遮蔽するＸ線シールド板と、前記複数の第１開口及び前記複数の第２開口を通過したマルチビームのうち、それぞれ対応するビームが通過する複数の第３開口が形成され、各第３開口にビームのブランキング偏向を行うブランカが設けられたブランキングアパーチャアレイと、を備えるものである。

本発明の一態様によるマルチ荷電粒子ビーム描画装置において、前記Ｘ線シールド板は、積層された複数のシールド板を含む。

本発明の一態様によるマルチ荷電粒子ビーム描画装置において、前記第３開口の配列ピッチは、前記第１開口の配列ピッチよりも狭く、前記第１開口の配列ピッチと前記第２開口の配列ピッチとが異なる。

本発明の一態様によるマルチ荷電粒子ビーム描画装置において、前記複数のシールド板は、上層のシールド板と下層のシールド板とで前記第２開口の位置をずらして積層されている。

本発明の一態様によるマルチ荷電粒子ビーム描画装置において、前記Ｘ線シールド板は、前記成形アパーチャアレイに固着されており、前記成形アパーチャアレイはシリコンを含み、前記Ｘ線シールド板はタングステンを含む。

本発明によれば、成形アパーチャアレイで放射され、ブランキングアパーチャアレイに照射されるＸ線の量を低減できる。

本発明の実施形態によるマルチ荷電粒子ビーム描画装置の概略図である。 成形アパーチャアレイの平面図である。 成形アパーチャアレイ及びＸ線シールド板の断面図である。 Ｘ線シールド板の実効厚と酸化膜が吸収するＸ線量との関係を示すグラフである。 変形例によるＸ線シールド板の断面図である。 変形例によるマルチ荷電粒子ビーム描画装置の概略図である。 変形例によるＸ線シールド板の断面図である。 変形例によるＸ線シールド板の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。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する。但し、荷電粒子ビームは電子ビームに限るものでなく、イオンビーム等でもよい。

図１は、実施形態に係る描画装置の概略構成図である。図１に示す描画装置１００は、マルチ荷電粒子ビーム描画装置の一例である。描画装置１００は、電子鏡筒１０２と描画室１０３とを備えている。電子鏡筒１０２内には、電子銃１１１、照明レンズ１１２、成形アパーチャアレイ１０、Ｘ線シールド板２０、ブランキングアパーチャアレイ３０、縮小レンズ１１５、制限アパーチャ部材１１６、対物レンズ１１７及び偏向器１１８が配置されている。

ブランキングアパーチャアレイ３０は実装基板４０に実装（搭載）されている。実装基板４０の中央部には、電子ビーム（マルチビームＭＢ）が通過するための開口４２が形成されている。

描画室１０３内には、ＸＹステージ１０５が配置される。ＸＹステージ１０５上には、描画時には描画対象基板となるレジストが塗布された、まだ何も描画されていないマスクブランクス等の試料１０１が配置される。また、試料１０１には、半導体装置を製造する際の露光用マスク、或いは、半導体装置が製造される半導体基板（シリコンウェハ）等が含まれる。

図２に示すように、成形アパーチャアレイ１０には、縦ｍ列×横ｎ列（ｍ，ｎ≧２）の開口（第１開口）１２が所定の配列ピッチで形成されている。各開口１２は、共に同じ寸法形状の矩形で形成される。開口１２の形状は、円形であっても構わない。これらの複数の開口１２を電子ビームＢの一部がそれぞれ通過することで、マルチビームＭＢが形成される。

図３に示すように、成形アパーチャアレイ１０の上面にはプレアパーチャアレイ１４が成形アパーチャアレイ１０と一体的に設けられている。プレアパーチャアレイ１４には、成形アパーチャアレイ１０の各開口１２の配置位置に合わせて、電子ビーム通過用の開口１６が形成されている。開口１６の径は、開口１２の径よりも大きく、開口１２と開口１６とが連通している。

成形アパーチャアレイ１０及びプレアパーチャアレイ１４は、例えばシリコン基板に開口を形成したものである。

成形アパーチャアレイ１０の下面（ビーム進行方向の下流側の面）にＸ線シールド板２０が設けられている。例えば、Ｘ線シールド板２０は、銀ペーストにより成形アパーチャアレイ１０に固着されている。Ｘ線シールド板２０には、成形アパーチャアレイ１０の各開口１２の配置位置に合わせて、電子ビーム通過用の開口２２（第２開口）が形成されている。開口２２のピッチ（開口２２の中心から、隣接する開口２２の中心までの距離）は、開口１２のピッチと同じである。

開口２２の径は開口１２の径と同じか、又は開口１２の径よりも大きく、開口２２と開口１２とが連通している。Ｘ線シールド板２０が開口１２を塞がないように、開口１２と開口２２との位置合わせ精度を考慮して、開口２２の径を開口１２の径よりも大きくすることが好ましい。

Ｘ線シールド板２０は成形アパーチャアレイ１０（及びプレアパーチャアレイ１４）で電子ビームを止める際に制動輻射で発生するＸ線を減衰させて、ブランキングアパーチャアレイ３０に設けられた回路素子へのダメージや、試料１０１上のレジストの感光を防ぐ。

Ｘ線シールド板２０は、原子番号が大きい程、Ｘ線吸収率が高くなる。そのため、Ｘ線シールド板２０は、重金属、例えばタングステン、金、タンタル、鉛等で構成されていることが好ましい。

成形アパーチャアレイ１０は、マルチビームＭＢを成形する際に、電子ビームＢの大部分を阻止するため発熱して熱膨張する。成形アパーチャアレイ１０に接合されるＸ線シールド板２０が、成形アパーチャアレイ１０と同程度に熱膨張することが好ましい。例えば、成形アパーチャアレイ１０の材料がシリコンである場合、Ｘ線シールド板２０の材料には、シリコンと熱膨張係数（線膨張係数）の近いタングステンを用いることが好ましい。

ブランキングアパーチャアレイ３０は、Ｘ線シールド板２０の下方に設けられ、成形アパーチャアレイ１０の各開口１２の配置位置に合わせて通過孔（第３開口）３２が形成されている。各通過孔３２には、対となる２つの電極の組からなるブランカが配置される。ブランカの電極の一方はグラウンド電位で固定されており、他方をグラウンド電位と別の電位に切り替える。各通過孔３２を通過する電子ビームは、ブランカに印加される電圧（電界）によってそれぞれ独立に偏向される。

このように、複数のブランカが、成形アパーチャアレイ１０の複数の開口１２を通過したマルチビームＭＢのうち、それぞれ対応するビームのブランキング偏向を行う。

電子銃１１１（放出部）から放出された電子ビームＢは、照明レンズ１１２によりほぼ垂直に成形アパーチャアレイ１０全体を照明する。電子ビームＢが成形アパーチャアレイ１０の複数の開口１２を通過することによって、複数の電子ビーム（マルチビーム）ＭＢが形成される。マルチビームＭＢは、Ｘ線シールド板２０の開口２２を通過し、ブランキングアパーチャアレイ３０のそれぞれ対応するブランカ内を通過する。

ブランキングアパーチャアレイ３０を通過したマルチビームＭＢは、縮小レンズ１１５によって、縮小され、制限アパーチャ部材１１６の中心の穴に向かって進む。ここで、ブブランカによって偏向された電子ビームは、制限アパーチャ部材１１６の中心の穴から位置がはずれ、制限アパーチャ部材１１６によって遮蔽される。一方、ブランカによって偏向されなかった電子ビームは、制限アパーチャ部材１１６の中心の穴を通過する。ブランカのオン／オフによって、ブランキング制御が行われ、ビームのオフ／オンが制御される。

このように、制限アパーチャ部材１１６は、複数のブランカによってビームオフの状態になるように偏向された各ビームを遮蔽する。そして、ビームオンになってからビームオフになるまでの時間が、制限アパーチャ部材１１６を通過したビームによる１回分のショットとなる。

制限アパーチャ部材１１６を通過したマルチビームは、対物レンズ１１７により焦点が合わされ、成形アパーチャ１０の開口１２の形状（物面の像）が試料１０１（像面）に所望の縮小率で投影される。偏向器１１８によってマルチビーム全体が同方向にまとめて偏向され、各ビームの試料１０１上のそれぞれの照射位置に照射される。ＸＹステージ１０５が連続移動している時、ビームの照射位置がＸＹステージ１０５の移動に追従するように偏向器１１８によって制御される。

一度に照射されるマルチビームは、理想的には成形アパーチャアレイ１０の複数の開口１２の配列ピッチに、上述した所望の縮小率を乗じたピッチで並ぶことになる。描画装置１００は、ショットビームを連続して順に照射していくラスタースキャン方式で描画動作を行い、所望のパターンを描画する際、不要なビームはブランキング制御によりビームオフに制御される。

本実施形態では、Ｘ線シールド板２０が、成形アパーチャアレイ１０で放射されたＸ線がブランキングアパーチャアレイ３０に搭載された回路素子等に照射されることを防止する。これにより、Ｘ線による回路素子の動作不良の発生を防止すると共に、回路素子の寿命（電気的に正常に動作する時間）を長くすることができる。

Ｘ線シールド板２０は、厚い程、Ｘ線の吸収率が高くなる。図４は、Ｘ線シールド板２０の厚みと、Ｘ線シールド板２０の下方（ビーム進行方向の下流側）に設けられたシリコン酸化膜に吸収されるＸ線量との関係について、実験とシミュレーションから得られた結果を示すグラフである。シリコン酸化膜は、ブランキングアパーチャアレイ３０の回路素子に含まれるトランジスタのゲート絶縁膜あるいは素子分離層を想定したものである。

シミュレーションでは、Ｘ線シールド板２０の材料をタングステンとした。図４のグラフの横軸は、Ｘ線シールド板２０の実効厚とした。Ｘ線シールド板２０には、複数の開口２２が形成されており、実効厚は、開口率（体積）を考慮した厚みである。例えば、厚さ４００μｍのＸ線シールド板２０において、開口２２の開口率が５０％であった場合、実効厚は２００μｍとなり、開口率が２５％であった場合、実効厚は３００μｍとなる。

以下の数式から、シリコン酸化膜のＸ線吸収量Ｄを求めることができる。

上記の数式において、ｅはＸ線のエネルギー、ｋは係数、ｔはビーム照射時間、ｆ（ｅ）は実測による制動放射Ｘ線強度、ｇ（ｅ）はＸ線シールド板を透過するＸ線透過率、ｈ（ｅ）はシリコン酸化膜のＸ線吸収率を示す関数である。

図４に示すように、Ｘ線シールド板２０の厚み（実効厚）が大きい程、Ｘ線の吸収率が高く（＝透過率が低く）なり、シリコン酸化膜のＸ線吸収量が減少する。シリコン酸化膜のＸ線吸収量が少ない程、回路素子（トランジスタ）の寿命は長くなる。例えば、Ｘ線シールド板２０を設けない場合のトランジスタの寿命が１〜２時間であるとすると、実効厚２００μｍのＸ線シールド板２０を設けた場合のトランジスタの寿命はその約１０００倍、４０〜８０日程度となる。ブランキングアパーチャアレイ３０の回路素子に望まれる（要求される）交換頻度から、Ｘ線シールド板２０の好適な厚さを決定することができる。

Ｘ線シールド板２０は、厚みが大きい程、Ｘ線吸収率が高くなることから、高アスペクト比の開口２２を持つことが要求される。そのため、例えば、図５に示すように、開口２２Ａが形成された板厚の小さいＸ線シールド板２０Ａを複数枚積層した構造としてもよい。

図６は、描画装置の変形例の構成の一部を示す図である。上記実施形態では、図１に示したように、縮小レンズ１１５と対物レンズ１１７によって縮小光学系を構成した。そのため、電子銃１１１から放出された電子ビームＢは、照明レンズ１１２によりほぼ垂直に成形アパーチャアレイ１０全体を照明したが、これに限るものではない。図６では、縮小レンズ１１５を用いずに、照明レンズ１１２と対物レンズ１１７によって縮小光学系を構成する場合を示している。

電子銃２０１から放出された電子ビームＢは、制限アパーチャ部材１１６の中心に形成された穴でクロスオーバーを形成するように、照明レンズ１１２により収束され、成形アパーチャアレイ１０全体を照明する。成形アパーチャアレイ１０によって形成されるマルチビームの各ビームは、制限アパーチャ部材１１６の中心の穴に向かって角度を持って進む。マルチビームＭＢ全体のビーム径は、成形アパーチャアレイ１０を通過してから徐々に小さくなっていく。そのため、成形アパーチャアレイ１０によって形成されるマルチビームのビームピッチよりも狭くなったピッチで、ブランキングアパーチャアレイ３０を通過する。開口３２の配列ピッチは、開口１２の配列ピッチよりも狭いものとなる。

制限アパーチャ部材１１６を通過したマルチビームＭＢは、対物レンズ１１７により焦点が合わされ、所望の縮小率のパターン像となり、偏向器１１８によって、制限アパーチャ部材１１６を通過した各ビーム（マルチビーム全体）が同方向にまとめて偏向され、各ビームの試料１０１上のそれぞれの照射位置に照射される。

上述したように、図６に示す描画装置では、マルチビームＭＢの各ビームは、制限アパーチャ部材１１６の中心の穴に向かって角度を持って進む。そのため、図７、図８に示すように、Ｘ線シールド板の開口が、マルチビームＭＢの各ビームを遮らないようにすることが好ましい。図７は、１層構造のＸ線シールド板２０Ｂを示し、図８は板厚の小さいＸ線シールド板２０Ｃを複数枚積層した構造を示す。Ｘ線シールド板２０Ｂの開口２２Ｂのピッチは、開口１２のピッチと異なる。

図８に示す例では、各ビームの軌道に合わせて、開口２２Ｃの位置を僅かにずらしながら、複数枚のＸ線シールド板２０Ｃを積層している。マルチビームＭＢは磁界の中で旋回しながら進行するため、上層のＸ線シールド板２０Ｃに対し、開口２２Ｃの位置をｘ方向及びｙ方向にずらして、下層のＸ線シールド板２０Ｃを配置することが好ましい。

Ｘ線シールド板２０に、成形アパーチャアレイ１０の開口１２よりも多数の開口２２を形成しておき、開口２２のうち、成形アパーチャアレイ１０の開口１２とのアライメントの良い領域を利用するようにしてもよい。

成形アパーチャアレイ１０の材料を軽元素とすることで、放射Ｘ線の発生量を低減することができる。例えば、成形アパーチャアレイ１０をシリコンカーバイド（ＳｉＣ）やカーボン（Ｃ）で作製することが好ましい。

成形アパーチャアレイ１０の材料の熱膨張係数と、Ｘ線シールド板２０の材料の熱膨張係数とが（大きく）異なる場合は、成形アパーチャアレイ１０の熱がＸ線シールド板２０に伝わりにくい構成とすることが好ましい。例えば、熱抵抗の大きい接着剤を使用して、Ｘ線シールド板２０を成形アパーチャアレイ１０に固着する。Ｘ線シールド板２０を成形アパーチャアレイ１０に点接触するように配設して、接触面積を小さくしてもよい。また、成形アパーチャアレイ１０とＸ線シールド板２０とを間隔を空けて配置してもよい。

プレアパーチャアレイ１４は、成形アパーチャアレイ１０の下面に設けられていてもよい。また、成形アパーチャアレイ１０とプレアパーチャアレイ１４とは一体となっていなくてもよく、分離していてもよい。

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。

１０ 成形アパーチャアレイ
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ Ｘ線シールド板
３０ ブランキングアパーチャアレイ
４０ 実装基板
１００ 描画装置
１０１ 試料
１０２ 電子鏡筒
１０３ 描画室
１１１ 電子銃

Claims (5)

1. 荷電粒子ビームを放出する放出部と、
   複数の第１開口が形成され、前記複数の第１開口全体が含まれる領域に前記荷電粒子ビームの照射を受け、前記複数の第１開口を前記荷電粒子ビームの一部がそれぞれ通過することによりマルチビームを形成する成形アパーチャアレイと、
   前記複数の第１開口を通過したマルチビームのうち、それぞれ対応するビームが通過する複数の第２開口が形成され、前記成形アパーチャアレイに前記荷電粒子ビームが照射されることで放射されるＸ線を遮蔽するＸ線シールド板と、
   前記複数の第１開口及び前記複数の第２開口を通過したマルチビームのうち、それぞれ対応するビームが通過する複数の第３開口が形成され、各第３開口にビームのブランキング偏向を行うブランカが設けられたブランキングアパーチャアレイと、
   を備えるマルチ荷電粒子ビーム描画装置。
2. 前記Ｘ線シールド板は、積層された複数のシールド板を含むことを特徴とする請求項１に記載のマルチ荷電粒子ビーム描画装置。
3. 前記第３開口の配列ピッチは、前記第１開口の配列ピッチよりも狭く、前記第１開口の配列ピッチと前記第２開口の配列ピッチとが異なることを特徴とする請求項２に記載のマルチ荷電粒子ビーム描画装置。
4. 前記複数のシールド板は、上層のシールド板と下層のシールド板とで前記第２開口の位置をずらして積層されていることを特徴とする請求項３に記載のマルチ荷電粒子ビーム描画装置。
5. 前記Ｘ線シールド板は、前記成形アパーチャアレイに固着されており、
   前記成形アパーチャアレイはシリコンを含み、前記Ｘ線シールド板はタングステンを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のマルチ荷電粒子ビーム描画装置。

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