JP3034285B2

JP3034285B2 - 荷電ビーム露光装置

Info

Publication number: JP3034285B2
Application number: JP2203545A
Authority: JP
Inventors: 忠宏滝川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 2000-04-17
Anticipated expiration: 2015-04-17
Also published as: JPH0488626A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、荷電ビーム露光装置に係わり、特にマスク
パターンを分割して試料面上に転写する荷電ビーム露光
装置に関する。

（従来の技術） LSIの高集積化，微細化は年々進み、2000年には最小
線幅0.15μｍの1GビットDRAMが出現すると予測されてい
る。さらに、2000年を越えて、最小線幅0.1μｍ以下のL
SIの出現も予測されている。

ところで、このような微細なLSIのパターン形成法は
現時点では確立されていない。現在、主流の光露光法の
解像限界は0.2μｍ程度といわれており、次の露光法の
出現が強く望まれている。その中で、電子ビーム露光は
解像度が100Åと極めて高く、有力な技術の一つであ
る。

第８図は、従来用いられてきた直接描画方式の電子ビ
ーム露光装置を示す概略構成図である。電子銃101から
放射された電子ビームはコンデンサレンズ102で電流密
度が調整され、ビーム成形第１アパーチャ103を均一に
照明する。この第１アパーチャ103の像は、投影レンズ1
04によりビーム成形第２アパーチャ105の上に結像され
る。この２つのアパーチャの重なりの程度はビーム成形
偏向器106により制御され、これによりビーム寸法は任
意に変わる。アパーチャ103,105の光学的重なりによる
像は、縮小レンズ107及び対物レンズ108により縮小され
てウェハ109上に結像される。そして、ビームの試料面
上の位置は主偏向器110及び副偏向器111により0.01μｍ
程度の分解能で制御される。

このような装置により、成形ビームでパターンを形成
する場合には、描画の速度は露光に用いる成形ビームの
数（ショット数）に依存する。ショット数は1GビームDR
AMに対しては、６インチウェハ上で10¹²以上にも及ぶ。
成形ビームの電流密度を50A/cm²、レジスト感度を５μC
/cm²とすれば、１ショットの露光時間は0.1μｓだか
ら、６インチウェハの全面では10⁵sec、即ち30時間程度
となる。従って、第８図の描画装置で1GビームDRAMパタ
ーンを形成することは現実的でない。

LSIが高密度化するに従い、従来の一筆描画では壁に
突き当たる。もう一つの電子ビーム露光によるパターン
形成法として、第９図に示すような縮小投影露光法が研
究されてきた。この方式では、電子銃201から放射され
た電子ビームはコンデンサレンズ202により平行光とな
り、マスク203を照明する。マスク像は結像光学系204に
よりウェハ205上に結像される。この方式では、1cm²当
たり1secの露光時間が得られており、また縮小比は10:1
〜4:1が用いられている。ウェハ上でチップの寸法が20m
m角とすれば、4:1のマスクの場合はその寸法は80mm角と
なる。しかし、数十mmに渡って収差の極めて少ないレン
ズを開発すること、また均一な照明を行うことは至難で
あり、その実用化は殆ど困難である。このため、この方
式の電子ビーム露光装置は原理実験の段階に止まってい
る。

（発明が解決しようとする課題）このように従来、一筆露光では、露光時間が数十時間
と長くなり、高密度のLSIのパターン形成には適用でき
ない。また、縮小転写露光では、露光時間は短いが、露
光フィールドが大きすぎて、荷電ビーム光学系の開発が
困難である。また、上記問題は電子ビーム露光装置に限
らず、イオンビーム露光装置についても同様にいえるこ
とである。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、現実的に構成可能な荷電ビーム光
学系を用いて縮小転写露光を行うことができ、露光時間
の短縮化及び装置構成の容易化をはかり得る荷電ビーム
露光装置を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、マスクを一括にして縮小露光する代
わりに、マスクを仮想的に複数に分割して縮小露光を行
うことにある。このために、マスクを一方向に移動する
と共に、これと同期してウェハを移動させ、マスクを分
割した小領域毎に順次試料面上に縮小露光する。

即ち本発明は、荷電ビームを用いてマスクのパターン
を試料面上に転写露光する荷電ビーム露光装置におい
て、荷電ビームを発生する荷電ビーム源と、この荷電ビ
ーム源から発生した荷電ビームを所望の形状に成形する
アパーチャと、このアパーチャで成形された荷電ビーム
を、マスクを仮想的に複数に分割した小領域の１つに照
射し、且つ該小領域内でステップ的に順次走査する手段
と、前記荷電ビームを小領域内で１つの位置から次の位
置に移動する間はビームをブランキングする手段と、マ
スクのビーム照射された小領域を縮小して試料面上に投
影する手段と、マスクを保持しビーム方向軸と直交する
方向に移動するマスクステージと、試料を保持しマスク
ステージと同期してビーム軸方向と直交する方向に移動
する試料ステージとを具備し、マスクのパターンを該マ
スクを分割した各小領域毎に順次試料面上に転写するよ
うにしたものである。

（作用）本発明によれば、アパーチャで成形された荷電ビーム
（アパーチャ像）をマスクに照射することにより、マス
クの一部（小領域）が荷電ビームで照明され、マスクの
小領域の像が試料面上に縮小投影される。また、マスク
及び試料を同期して移動させることにより、マスクの次
の小領域が試料面上に縮小投影される。この操作を繰り
返しマスクの全面に渡って順次アパーチャ像をマスクに
照射し、試料面上に縮小投影することにより、試料面上
にマスクの全体のパターンが転写されることになる。そ
してこの場合、各小領域の転写に要する露光フィールト
は十分小さいため、荷電ビーム光学系の開発が極めて容
易となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。

第１図は本発明の一実施例に係わる電子ビーム露光装
置の光学系構成を示す斜視図である。図中11は電子銃で
あり、この電子銃11から放射された電子ビームはコンデ
ンサレンズ12により適切な電流密度に調節され、ビーム
成形アパーチャ13を照明する。アパーチャ13の像は、投
影レンズ14によりマスク17の一部に照射（投影）され
る。このアパーチャ像の照射位置は、ビーム成形用偏向
器15により移動される。マスク17は、ビーム軸方向と直
交する方向に移動可能なマスクステージ16上に載置され
ている。また、マスク17には、チップパターンと共に、
前記第８図に示す第２アパーチャと同一の機能を持つ矩
形穴18が形成されている。従って本装置では、寸法を可
変とする矩形ビームを合わせて発生することができる。

アパーチャ像が照射されたマスク17の小領域の像、又
はアパーチャ像と矩形穴との重なりによる像は、縮小レ
ンズ19及び対物レンズ20により、ウェハ24上に縮小投影
される。なお、図中21はアパーチャ像をウェハ24上に位
置づける主偏向器21であり、22はマウス17とウェハ24と
のアライメント等に使用される副偏向器（高速偏向器）
である。また、23はウェハ24を載置してビーム軸と直交
する方向に移動可能なウェハステージを示している。

この実施例では、レンズ19,20による倍率は４である
ので、20mm角のチップパターンに対し、マスク17は80mm
角である。主偏向器21の露光フィールドは2mm角、アパ
ーチャ13のウェハ24上での寸法は100μｍ角なので、マ
スク17上でのストライプの幅は8mm、アパーチャ13のマ
スク17上での大きさは400μｍ角となる。また、ウェハ
ステージ23の移動速度は40mm/sec、マスクステージ16の
移動速度は160mm/secとした。

第２図は本実施例装置の制御系の構成を示す図であ
り、第１図と同一部分には同一符号を付している。な
お、光学系構成において第１図では省略したが、この図
ではビーム成形のための副偏向器25及びブランキングの
ためのブランキング偏向器26が示してある。

前記マスクステージ16は、制御計算機（CPU）30から
の指令により作動する駆動回路31により駆動され、ビー
ム軸方向と直交する方向、例えばＸ方向（紙面左右方
向）及びＹ方向（紙面表裏方向）に移動される。マスク
ステージ16の移動位置は、位置回路34にて検出され、こ
の検出情報はCPU30と共に後述する副偏向回路42に送ら
れる。なお、位置回路34は、レーザ光源32からマスクス
テージ16にレーザ光を照射し、その反射光を受光素子33
で検出した出力に基づいて位置測定を行うものである。

前記ウェハステージ23は、制御計算機（CPU）30から
の指令により作動する駆動回路35により駆動され、ビー
ム軸方向と直交する方向、例えばＸ方向及びＹ方向に移
動される。ウェハステージ23の移動装置は、位置回路38
にて検出され、この検出情報のCPU30と共に後述する副
偏向回路45に送られる。なお、位置回路38は、レーザ光
源36からウェハステージ23にレーザ光を照射し、その反
射光を受光素子37で検出した出力に基づいて位置測定を
行うものである。

前記ビーム成形用主偏向器15には、CPU30により制御
された主偏向回路41から偏向電圧が与えられる。さら
に、ビーム成形用副偏向器25には、CPU30及び位置回路3
4からの位置情報の入力する副偏向回路42から偏向電圧
が与えられる。これにより、主偏向器15はアパーチャ像
をマスク13上で移動させる。また、副偏向器25は、マス
クステージ16の理論位置と現実位置との差に応じてアパ
ーチャ像の位置を補正するものとなっている。

同様に、前記主偏向器21には主偏向回路44から偏向電
圧が与えられ、副偏向器22には副偏向回路45から偏向電
圧が与えられる。これにより、主偏向器21は小領域のマ
スク像をウェハ24上で移動させる。また、副偏向器22は
ウェハステージ23の理論位置と現実位置との差に応じて
マスク像の位置を補正する。なお、図中43はブランキン
グ偏向器26にブランキング電圧を印加するためのブラン
キング回路を示している。

次に、第３図乃至第６図を参照して、マスク・ウェハ
の移動の様子と露光のシーケンスについて説明する。マ
スク17は、第３図のように複数のストライプ17₁,17₂〜,
17_Nに分割される。先に説明したようにマスクの大きさ
を800mm角、ストライプの幅を8mmとすれば、ストライプ
の数は10個である。そして、マスク17は矢印A₁の方向に
連続移動され、この連続移動時に第１マスクストライプ
17₁が照明される。次いで、矢印A₂のようにマスク17は
連続移動方向と直角の方向にステップ移動され、その後
に矢印A₃のように連続移動され、第２マスクストライプ
17₂が照明される。ここで、マスク17へのアパーチャ像
の照明は、マスク17を上記ストライプと共にストライプ
方向と直交する方向に分割した小領域毎に行われる。

第４図（ａ）に第３図にハッチングで示す小領域60の
一つを拡大して示す。小領域60の照明は、第４図（ｂ）
に同図（ａ）の部分拡大図を示すように、小領域60より
も微小なアパーチャ像61をB₁,B₂,B₃…のようにステップ
移動して行われる。このアパーチャ像61の移動（走査）
には、前記ビーム成形用主偏向器15が用いられる。ま
た、アパーチャ像が一つの位置から次の位置に移動する
間は、前記ブランキング偏向器26によりビーム強度は略
零（ビームオフ）に制御される。ここで、マスクの大き
さを80mm×80mm、小領域の大きさを8mm×8mm、アパーチ
ャ像61のマスク16上での大きさを400μｍ×400μｍとし
た。

マスク17の移動に同期してウェハ24は、第５図（ａ）
に示すように矢印C₁（連続移動），矢印C₂（ステップ移
動），矢印C₃（連続移動），矢印C₄（ステップ移動）、
と移動して露光される。ウェハ24の露光は、第５図
（ｂ）に同図（ａ）の部分拡大図を示すように、チップ
上でアパーチャ像62を次々にステップ移動して行われ
る。このアパーチャ像62の移動は、前記アパーチャ像61
をマスク17上で移動することに行われる。また、第５図
はウェハ24の１つのチップ領域を示している。

このようにして１つのチップの露光が終了すれば、第
６図に示すように順次隣のチップの露光を行う。ここ
で、ウェハ24のチップの大きさはレンズ19,20による縮
小倍率を1/4とすれば20mm×20mmの大きさとなり、チッ
プの小領域の大きさは2mm×2mmとなる。

なお、マスク17の４隅には51,〜,54に示すアライメン
トマークが配置され、ウェハ24の各チップの４隅には7
1,〜,74に示すアライメントマークが配置されている。
そして、マスク17上のマーク51,〜,54とチップ上の４隅
のマーク71,〜,74とが位置合わせられる。この位置合わ
せにおいては、アパーチャ13の像とマスク17の矩形穴18
との重なりによる矩形ビームと、副偏向器22とが用いら
れる。

また、マスク17上でのビームの偏向領域は8mm角であ
り、さほど大きくないとはいえ、偏向歪みが無視できな
い量となって現われる場合がある。この場合は、マスク
17上でのアパーチャ像の寸法が、400μｍ角であるか
ら、400μｍ角単位で偏向歪みの補正を行えばよい。さ
らに、ウェハ24上でもビームの寸法100μｍ角単位の偏
向歪み補正を行えば、より高精度のパターン転写を行う
ことが可能となる。

上記露光の様子を第７図を参照して、更に詳しく説明
する。

マスク17はＹ方向（A₁）に連続移動され、80mm移動し
た点で、Ｘ方向（A₂）に8mmステップ移動され、その後
−Ｙ方向（A₃）に連続移動される。これに同期してウェ
ハ24は、Ｙ方向（C₁）に連続移動され、20mm移動した点
で、Ｘ方向（C₂）に2mmステップ移動され、その後−Ｙ
方向（C₃）に連続移動される。なお、本実施例ではマス
ク17の像が回転せずにウェハ24に転写されるものとした
が、マスク17の像が例えば180゜回転してウェハ24に転
写される場合は、ウェハ24の移動方向をマスク17の移動
方向と逆にすればよい。

さて、マスク17をA₁方向に8mm移動する間にマスク17
の一つの小領域がウェハ24に転写され、マスク17を80mm
移動する間にマスク17の一つのストライプが転写され
る。小領域の転写においては、マスク17上において400
μｍ×400μｍのアパーチャ像が8mm×8mmの小領域を順
次ショットするため、１つの小領域に対するショット数
は、400となる。このとき、チップ上においては100μｍ
×100μｍのアパーチャ像が2mm×2mmの小領域を順次シ
ョットすることになる。さらに、１つのストライプに小
領域が10個あるため、１つのストライプに対するショッ
ト数は4000となる。また、１つのマスク17にストライプ
が10個あるため、マスク全体に対するショット数は4000
0となる。即ち、１チップ当りのショット回数は４×10⁴
となる。

次に、この装置の描画速度について説明する。チップ
の寸法を20mm×20mmと仮定する。１チップ当りの露光回
数（ショット回数）ｎは、先に説明したようにｎ＝（20mm/0.1mm）^２＝４×10⁴ …… となる。

ショット移動時間10^-5secとすれば、１チップに対す
るショット移動時間Taは0.4secとなる。加速電圧を50kV
とすれば、ビームのボケを0.07μｍに制限したときのビ
ーム電流は約１μＡとなる。電流密度ＪはＪ＝１×10^-6A/（0.01cm）^２＝１×10^-2A/cm² …… である。レジストの感度を2.5μC/cm²とすれば、１ショ
ット当りの露光時間teは te＝2.5×10^-6/1×10^-2 ＝2.5×10^-4sec …… となる。従って、チップ当りの正味露光時間Teは Te＝2.5×10^-4×４×10⁴ ＝10sec …… である。ステージのステップ移動（例;A₂,A₄）に要する
時間を0.2secとすれば、ストライプの幅2mmに対し、１
チップ当りのステップ回数は10回だから、１チップ当り
のステップ移動時間Tbは2secとなる。マスクとウェハの
アライメント時間Tcを2secとすれば、第６図に示すよう
に６インチウェハに対し20mm角チップは32個配置できる
から、６インチウェハ全面の露光時間ＴはＴ＝32×（Te＋Ta＋Tb＋Tc）≒500sec …… となる。従って、１時間当りの６インチウェハは処理量
は７枚となる。この処理量、即ち露光速度は、一筆露光
に対して格段に速いものであり、十分に実用に供するも
のである。

かくして本実施例によれば、マスク17を仮想的に小領
域に分割し、小領域毎に順次ウェハ24上に露光すること
により、一筆露光では到底得られない高速の露光速度が
達成され、スループットの向上をはかることができる。
そしてこの場合、従来のマスク17を一括して縮小露光す
る方式とは異なり、露光フィールドは数mm角と極めて小
さいので、新たに露光フィールドの大きな電子光学系を
開発する必要はなく、従来の電子光学系をそのまま適用
することが可能である。従って、露光スループットの格
段の向上と共に、その実現が容易であり、実用性大なる
効果が得られる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。実施例では、マスク及びウェハを連続移動しなが
ら露光したが、マスクを仮想的に分割した小領域毎にス
テップ＆リピートで露光するようにしてもよい。さら
に、マスクの小領域が繰り返しパターンの場合、マスク
の移動を停止し、ウェハのみを移動しながら小領域毎の
露光を行うようにしてもよい。また、実施例ではマスク
の小領域をこの領域よりも微小な電子ビーム（アパーチ
ャ像）で走査して露光したが、アパーチャ像の大きさを
小領域と同じ大きさにして、小領域単位で一括露光する
ようにしてもよい。また、本発明は電子ビーム露光装置
に限らず、イオンビーム露光装置に適用できるのは、勿
論のことである。その他、本発明の要旨を逸脱しない範
囲で、種々変形して実施することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、マスクを一方向
に連続移動すると共に、それと同期してウェハも連続移
動させ、マスクを一括して縮小露光する代わりに、マス
クパターンを多数に分割して順次縮小露光しているの
で、現実的に構成可能な荷電ビーム光学系を用いて露光
することができ、露光時間の短縮及び装置構成の容易化
をはかることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例に係わる電子ビー
ム露光装置の概略構成を説明するためのもので、第１図
は光学系構成を示す斜視図、第２図は制御系構成を示す
図、第３図乃至第７図はマスク・ウェハの移動の様子と
露光シーケンスを説明するための模式図、第８図及び第
９図は従来の電子ビーム露光装置を示す概略構成図であ
る。 11……電子銃、 12……コンデンサレンズ、 13……アパーチャ、 14……投影レンズ、 15……ビーム成形用偏向器、 16……マスクステージ、 17……マスク、 18……矩形穴、 19……縮小レンズ、 20……対物レンズ、 23……ウェハステージ、 24……ウェハ、 25……ビーム成形用副偏向器、 51〜54,71〜74……マーク、 60……小領域、 61……マスク上のアパーチャ像、 62……ウェハ上のアパーチャ像、

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電ビームを発生する荷電ビーム源と、こ
の荷電ビーム源から発生された荷電ビームを所望の形状
に成形するアパーチャと、このアパーチャで成形された
荷電ビームを、マスクを仮想的に複数に分割した小領域
の１つに照射し、且つ該小領域内でステップ的に順次走
査する手段と、前記荷電ビームを小領域内で１つの位置
から次の位置に移動する間はビームをブランキングする
手段と、前記マスクのビーム照射された小領域を縮小し
て試料面上に投影する手段と、前記マスクを保持しビー
ム軸方向と直交する方向に移動するマスクステージと、
前記試料を保持してマスクステージと同期してビーム軸
方向と直交する方向に移動する試料ステージとを具備
し、前記マスクを該マスクの分割された各小領域毎に順
次試料面上に転写することを特徴とする荷電ビーム露光
装置。
【請求項２】荷電ビームを発生する荷電ビーム源と、こ
の荷電ビーム源から発生された荷電ビームを所望の形状
に成形するアパーチャと、このアパーチャで成形された
荷電ビームを、マスクを仮想的に複数に分割した小領域
の１つに照射し、且つ該小領域内でステップ的に順次走
査する手段と、前記荷電ビームを小領域内で１つの位置
から次の位置に移動する間はビームをブランキングする
手段と、前記マスクのビーム照射された小領域を縮小し
て試料面上に投影する手段と、前記マスクを保持しビー
ム軸方向と直交する方向に移動するマスクステージと、
前記試料を保持しマスクステージと同期してビーム軸方
向と直交する方向に移動する試料ステージと、前記マス
クよりも荷電ビーム源側に配置された主・副２段の偏向
器とを具備し、前記マスクを該マスクの分割された各小
領域毎に順次試料面上に転写することを特徴とする荷電
ビーム露光装置。
【請求項３】荷電ビームを発生する荷電ビーム源と、こ
の荷電ビーム源から発生された荷電ビームの所望の形状
に成形するアパーチャと、このアパーチャで成形された
荷電ビームを、マスクを仮想的に複数に分割した小領域
の１つに照射し、且つ該小領域内でステップ的に順次走
査する手段と、前記荷電ビームを小領域内で１つの位置
から次の位置に移動する間はビームをブランキングする
手段と、前記マスクのビーム照射された小領域を縮小し
て試料面上に投影する手段と、前記マスクを保持しビー
ム軸方向と直交する方向に移動するマスクステージと、
前記試料を保持しマスクステージと同期してビーム軸方
向と直交する方向に移動する試料ステージと、前記マス
クよりも試料側に配置された主・副２段の偏向器とを具
備し、前記マスクを該マスクの分割された各小領域毎に
順次試料面上に転写することを特徴とする荷電ビーム露
光装置。
【請求項４】前記各ステージは一方向に連続移動、これ
と直交する方向にステップ移動するものであり、ウェハ
ステージはマスクステージと同一方向に移動し、且つマ
スクステージの移動量に前記投影手段による縮小率を乗
じた量だけ移動するものであることを特徴とする請求項
１〜３の何れかに記載の荷電ビーム露光装置。
【請求項５】前記マスクには、試料面上に転写すべきパ
ターンと共に、矩形穴が設けられていることを特徴とす
る請求項１〜３の何れかに記載の荷電ビーム露光装置。
【請求項６】荷電ビームを発生する荷電ビーム源と、こ
の荷電ビーム源から発生された荷電ビームの所望の形状
に成形するアパーチャと、このアパーチャで成形された
荷電ビームを、マスクを仮想的に複数に分割した小領域
の１つに照射する手段と、前記荷電ビームを１つの小領
域から次の小領域に移動する間はビームをブランキング
する手段と、前記マスクのビーム照射された小領域を縮
小して試料面上に投影する手段と、前記マスクを保持し
ビーム軸方向と直交する方向に移動するマスクステージ
と、前記試料を保持しマスクステージと同期してビーム
軸方向と直交する方向に移動する試料ステージとを具備
し、前記マスクを該マスクの分割された各小領域毎に順
次試料面上に転写することを特徴とする荷電ビーム露光
装置。