(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線を用いてマスク上のパターンをウェハに縮小投影する電子線露光装置において、
中央部が凹形状となっている電子放出面を有する電子源と、
前記電子源と前記マスクの間に設けられ、前記電子源からリング状に放出される前記電子線の照射領域に円弧形状のスリットを有するスリット部材と、を備えることを特徴とする電子線露光装置。
【請求項２】
前記マスクに照射される前記電子線の強度を測定する強度測定手段をさらに備え、
前記強度測定手段の測定結果に基づいて、前記電子源の動作電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の電子線露光装置。
【請求項３】
前記電子源と前記マスクの間に設けられた照明用電子光学系と、
前記マスクに照射される前記電子線の形状を測定する形状測定手段と、をさらに備え、
前記形状測定手段の測定結果に基づいて、前記照明用電子光学系の駆動電流を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の電子線露光装置。
【請求項４】
電子線を用いてマスク上のパターンをウェハに縮小投影する電子線転写露光装置において、
中央部が凹形状となっている電子放出面を有する電子源と、
前記電子源と前記マスクの間に設けられ、前記電子源からリング状に放出される前記電子線の照射領域に円弧形状のスリットを有するスリット部材と、
前記マスクと前記ウェハを同期させながら走査する走査手段と、を備えることを特徴とする電子線露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子製造のパターン露光プロセスにおける電子線露光技術に関し、特に、電子線の利用効率が高く生産性の優れた電子線転写露光装置（電子線露光装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体記憶素子の製造プロセスにおいては、生産性の高い光露光方式が用いられてきたが、露光パターンの最小線幅が０．２μｍ以下の加工が必要とされる１Ｇ、４ＧＤＲＡＭの半導体記憶素子の生産においては、光露光方式に代る露光技術として、解像度の優れた電子線露光方式が有望視されている。
【０００３】
近年、従来のガウシアン型や可変整形型の電子線露光装置に比べ生産性の向上を目的とした転写型の電子線露光装置、すなわち所望のパターンを配置したマスク面上に電子線を照射し、マスクを透過した電子線を投影レンズによって縮小転写し、ウェハにマスクのパターンを投影する露光装置の開発が進んでいる。
【０００４】
図７は、従来の電子線転写露光装置の構成を示す図である。図７に示す従来の電子線転写露光装置では、電子銃１０１より照射された電子線は、矩形状のアパーチャ１２１が形成されたコンデンサレンズ１０２で縮小され、フィールドレンズ１０３によりマスク１０４の表面に均一に照明される。マスク１０４としては、電子線が透過するメンブレンの上に電子線を散乱させる散乱体でパターンを設けた散乱型、または、メンブレンの上に電子線を吸収する吸収体でパターンを設けたステンシル型のいずれを用いることもできる。マスク１０４のパターンにおいて散乱も吸収もされない電子線は縮小投影レンズ１０５，１０６によりウェハ１０７上に結像されて照射され、これによりマスク１０４のパターンがウェハ１０７に露光される。電子線は矩形状のアパーチャ１２１を透過するので、図８に示すように、ウェハへ１０７の電子線の照射領域１１０も矩形形状となる。また、マスク１０４は、その面内方向に走査できるＸＹステージに搭載され、ウェハ１０７は、ウェハステージに搭載されている。このＸＹステージをウェハステージと同期して走査することで、ウェハ１０７の全面が露光される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した電子線転写露光装置の生産性を決定する主要因の一つは、ウェハ面上での電子線の露光面積（照射面積）である。特に、ウェハステージの走査方向と垂直な方向での電子線の露光幅（ストライプ幅）Ｗ（図８参照）が重要な要因である。この露光面積は、電子光学系の投影レンズの軸外収差によって決定される。１Ｇあるいは４ＧのＤＲＡＭの製造における電子線の露光面上でのボケ量の許容値は２０〜３０ｎｍといわれている。従って、電子光学系の収差によるボケ量の許容値はこの値以下にする必要があり、具体的な露光面積の数値例としては、現状は０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍ程度である。この場合のスループットは、８インチウェハの５枚／（時間）であり、生産性の点で十分な性能が得られていない（J.Alexander Liddle et al, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34(1995) PP.6663-6671）。
【０００６】
また、電子線の強度について考えると、仮に軸外収差を低減でき露光面積を数十ｍｍ四方とした場合の電子銃のエミッタンスは、１０-5〜１０-4（ｃｍ／ｒａｄ）程度必要である。この値は、通常のＬａＢ６のエミッタを用いた電子銃で得られる値の１〜２桁大きな値である。一方、レジスト感度とステージ走行速度で決まる電子線の電流密度の条件を満足した状態で露光領域を拡大した場合は、電子銃のエミッタンスの制限を受け、露光領域を広げた状態で十分な電子線強度を得るには問題がある。
【０００７】
このように、従来の電子線露光装置では、生産性の高いスループットを得るのに必要な電子線の強度を維持した状態で露光領域を拡大するのが難しかった。
【０００８】
そこで本発明は、露光に必要な電子線強度を維持しつつ、大きな照射幅が得られる電子線転写露光装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の電子線露光装置は、電子線を用いてマスク上のパターンをウェハに縮小投影する電子線転写露光装置において、
中央部が凹形状となっている電子放出面を有する電子源と、
前記電子源と前記マスクの間に設けられ、前記電子源からリング状に放出される前記電子線の照射領域に円弧形状のスリットを有するスリット部材と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記のとおり構成された本発明の電子線転写露光装置では、電子銃の電子源は、電子放出面の中央部が凹形状となっているので、周縁部から放出された電子によって、リング状の電子線が形成される。従って、このリング状の電子線を露光に利用することによって、軸外収差は無視できるほど小さくなり、電子線のボケが除去される。しかも、上記のような電子放出面の形状により、電子放出面の周縁部の電界強度は中央部よりも高くなるので、電子放出面の周縁部から照射される電子線の輝度は高く、露光領域を拡大しても、露光に必要な電子線強度が得られる。
【００１１】
また、電子源からリング状に放出される電子線の照射領域に円弧形状のスリットが設けられたスリット部材を、電子源とマスクとの間に配置することで、上記リング状の電子線が効率的に利用される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の電子線転写露光装置の一実施形態の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の電子線転写露光装置は、電子銃１と、電子銃１から照射された電子線をマスク４に照射させるための、コンデンサレンズ２およびフィールドレンズ３で構成される照明用電子光学系と、マスク４を保持するマスクステージ(不図示)と、マスク４を透過した電子線を縮小してウェハ７に照射させるための、複数の縮小投影レンズ５，６で構成される露光用電子光学系と、ウェハ７を保持するウェハステージ(不図示)とを有する。電子銃１、コンデンサレンズ２、フィールドレンズ３および縮小投影レンズ５，６は、それぞれ同軸上に配置されている。
【００１４】
電子銃１は、リング状の電子線を照射するものであり、その構成および原理は後述する。コンデンサレンズ２は、電子銃１から照射された電子線を収束させるためのものであるが、電子線が照射される領域の一部に所望の大きさの開口をもつスリット２１が形成されたスリット部材が設けられている。スリット２１は、図２に示すように、コンデンサレンズ２の光学軸を中心とした円弧形状のスリット２１である。これにより、コンデンサレンズ２に入射した電子線は、円弧形状に整形され、収束される。コンデンサレンズ２によって円弧形状に整形された電子線は、フィールドレンズ３によって光学軸と平行とされる。また、照明用電子光学系を構成するコンデンサレンズ２およびフィールドレンズ３により、マスク４の表面が所望の大きさで均一に照明される。
【００１５】
マスク４は、電子線が透過するメンブレンの上に、電子線を散乱させる散乱体でパターンを設けたもの（散乱型）や、電子線を吸収する吸収体でパターンを設けたもの（ステンシル型）を用いることができる。マスク４のパターンにおいて散乱も吸収もされない電子線は縮小投影レンズ５，６によりウェハ７上に結像されて照射され、これによりマスク４のパターンがウェハに露光される。電子線は円弧形状のスリット２１を透過しているので、ウェハへ７の電子線の照射領域も円弧形状となる。そして、また、マスクステージをウェハステージと同期して走査することで、ウェハの全面が露光される。
【００１６】
ところで、広い露光領域の電子線を使ってマスク４上の露光パターンをウェハ７上に結像させようとすると、縮小投影レンズ５，６の光学軸から離れる（光学軸に対して動径方向に離れる）に従って、軸外収差（特に、像面湾曲、非点）が大きくなる。図３に、軸外収差の主要因である像面湾曲を子午的像面（ΔＭ）と同径的像面(ΔＳ)とに分けて示す。図３に示すように、結像位置は光学軸からの距離が大きくなるにつれてずれていく。
そこで、コンデンサレンズ２に、その光学軸を中心とした円弧形状のスリット２１を設け、縮小投影レンズ５，６の、従来のように光学軸近傍（図２に破線で示した領域）ではなく、光学軸から離れた位置に円弧形状の電子線を照射させることで、投影レンズ５，６に入射される電子線の、光学軸からの距離は一定となり、像面湾曲は考慮する必要がないほど微小となる。従って、ウェハ７の位置を円弧形状の電子線の最小散乱円の位置に配置すれば、軸外の露光領域の像面湾曲収差による電子線のボケを除去することができる。その結果、露光領域を従来に比べて大幅に広げることができるようになる。
【００１７】
例えば、縮小率が１／４の投影レンズを用いた場合、露光領域幅を約５ｍｍ、電子線収束角を０．１ｍｒａｄとしたとき、従来の電子線転写露光装置では、像面湾曲収差によるボケ量は約１００ｎｍにもなる。これに対して、円弧形状に整形した電子線を用いた場合には、電子線の幅が約２００μｍで、ボケ量を１０ｎｍまで低減することができる。
【００１８】
ここで、図１に示した電子銃１について、詳細に説明する。
【００１９】
図４は、図１に示した電子銃を電子線の軌道とともに拡大して示す図である。図１に示すように、電子銃１は、電子源１１と、グリッド電極１２と、加速電極（不図示）とで構成され、電子源１１の電子放出面１１ａは、中央部が凹形状となっている。
【００２０】
電子銃１に動作電圧が引加されると、電子銃１には電場が形成される。そのときの等電位線の分布を符号１３で示す。この電場により加熱された電子源１１より熱電子が放出され、放出された熱電子は電位分布によって軌道が決定され、クロスオーバー像が形成される。電子放出面１１ａは、中央部が凹形状となっているので、中央部から放出された電子によって軸上ビーム１５が形成され、周囲のリング状の部分から放出された電子によってリング状ビーム１４が形成される。
【００２１】
放出される電子の強度は、主に電子源１１の電子放出面１１ａの近傍の電界強度によって決まり、電界強度が高いほど、空間電荷効果による放出電流の制限を受けずに大きな電流を取り出すことができる。上述のように、中央部が凹形状の電子放出面１１ａでは、中央部の電界強度は周辺部に比べてかなり低い。従って、露光に寄与するリング状の電子線（リング状ビーム１４）の利用効率を上げることができる。また、スリット２１（図１参照）への電子線の照射量が減り、発熱やコンタミネーションの蓄積を抑制することができる。
【００２２】
図５に、図４に示した電子銃でのビーム発散角とビーム輝度との関係を示すグラフを示す。図５において、ビーム発散角が０〜１０ｍｒａｄの範囲に分布しているビームは図４に示した軸上ビーム１５であり、２５〜４２ｍｒａｄの範囲に分布しているビームが図４に示したリング状ビーム１４である。図５から分かるように、リング状ビーム１４は軸上ビーム１５と同等の輝度をもつ。
【００２３】
電子線転写露光装置において、露光時間Ｔは、感光材の感度Ｒと電子線の電流密度Ｊとにより、
Ｔ＝Ｒ／Ｊ  …（１）
で表わされる。また、電子線の電流密度Ｊは、電子線電流をＩ、照射面積をＳ、輝度をβ、電子線収束角をαとしたとき、
Ｊ＝Ｉ／Ｓ＝β×πα2  …（２）
で表わされる。
【００２４】
（１）、（２）式より、露光時間を短縮するためには、電流密度Ｊを高める、すなわち電子線の輝度βを高める必要がある。電子線電流Ｉが一定の場合は、エミッタンス（電子線の立体角と電子線面積との積）が増大すると輝度βは低下する。従って、従来の露光法と同一の露光領域の幅（ストライプ幅）の場合、電子線をリング状とすることで電子線の照射面積を低減することができ、電流密度Ｊを高めることができる。図４に示した電子源１１の電子放出面１１ａの周辺部から放射されるリング状ビーム１４を露光に用いることで、図５に示したような高い輝度で、数ｍｍ〜数十ｍｍの露光領域の幅が得られるため、生産性の高い電子線転写露光装置が実現できる。
【００２５】
次に、本発明における円弧形状の電子線の強度の設定方法について図６を用いて説明する。
【００２６】
電子銃１より発生したリング状の電子線は、コンデンサーレンズ２およびスリット２１で円弧形状に成形され、フィールドレンズ３を通過した後、マスクステージに設けられた電流分布測定器３１で電子線の強度および形状が測定される。この電流分布測定器３１としては、アレイ型マルチチャンネルプレートや、二次元のフォトダイオードが考えられる。電流分布測定器３１で測定された電子線は、電流分布モニター３４にて、現在設定されている円弧形状の電子線の大きさおよび強度がモニターされる。電子線強度（電流密度等）と、電流分布測定器３１で検出された検出電圧との関係をあらかじめ計測しておけば、実際の電子線強度を測定することができる。
【００２７】
電子線強度を所望の値に設定する場合は、電子銃バイアス回路３３にて、電子銃１へのバイアス電圧を可変することで、所望の電流密度に設定することができる。また、円弧形状の電子線の大きさは、コンデンサーレンズ２およびフィールドレンズ３のそれぞれのレンズ電流駆動制御回路３２を制御することで所望の大きさに設定することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電子線露光装置は、電子源の電子放出面を中央部が凹状となる形状とすることで、電子放出面の周縁部から照射されたリング状の電子を露光に利用すれば、電子線のボケを除去することができ、露光領域を従来に比べて広げることができる。しかも、電子放出面の周縁部から照射されたリング状の電子線は輝度が高いので、露光領域を拡大しても露光に必要な電子線強度を得ることができ、生産性の高い電子線露光装置を実現することができる。また、電子銃とマスクとの間に、円弧形状のスリットが設けられたスリット部材を配置することで、電子銃から照射されるリング状の電子線を効率的に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子線転写露光装置の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１に示したコンデンサレンズのスリットの形状を示す図である。
【図３】像面湾曲を説明するためのグラフである。
【図４】図１に示した電子銃を電子線の軌道とともに拡大して示す図である。
【図５】図４に示した電子銃でのビーム発散角とビーム輝度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明における円弧形状の電子線の強度の設定方法を説明するための図である。
【図７】従来の電子線転写露光装置の構成を示す図である。
【図８】図７に示した電子線転写露光装置での、ウェハへの電子線の照射領域を示す図である。
【符号の説明】
１    電子銃
２    コンデンサレンズ
３    フィールドレンズ
４    マスク
５，６    縮小投影レンズ
７    ウェハ
１１    電子源
１２    グリッド電極
１４    リング状ビーム
１５    軸上ビーム
２１    スリット
【図１】
0003658149.tif 000002
【図２】
0003658149.tif 000003
【図３】
0003658149.tif 000004
【図４】
0003658149.tif 000005
【図５】
0003658149.tif 000006
【図６】
0003658149.tif 000007
【図７】
0003658149.tif 000008
【図８】
0003658149.tif 000009