(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを生成する電子銃と、
前記電子ビームの通路に配置され、マスクを保持するマスク段と、
前記マスクを通過した電子の通路に配置され、被加工物を保持する被加工物段とを有する電子ビームリソグラフィ装置であって、前記電子銃は、
電子放出面を備えた陰極と、
前記陰極に近接配置された陽極であって、前記陰極から前記陽極に向けて放射される電子を加速する電界を前記陰極と前記陽極の間に生成する加速電圧電源に接続される陽極と、
前記陽極と前記陰極の間に配置され、制御格子電源に接続される電流密度断面制御格子であって、不均一な電流密度断面をもつ電子ビームを生成するために前記陰極および前記陽極と協働する電流密度断面制御格子とを含み、
前記電流密度断面制御格子は、前記陰極の前記電子放出面に最も近接する側に凸状表面を備えている、
電子ビームリソグラフィ装置。
【請求項２】
電子ビームを生成する電子銃と、
前記電子ビームの通路に配置され、マスクを保持するマスク段と、
前記マスクを通過した電子の通路に配置され、被加工物を保持する被加工物段とを有する電子ビームリソグラフィ装置であって、前記電子銃は、
電子放出面を備えた陰極と、
前記陰極に近接配置された陽極であって、前記陰極から前記陽極に向けて放射される電子を加速する電界を前記陰極と前記陽極の間に生成する加速電圧電源に接続される陽極と、
前記陽極と前記陰極の間に配置され、制御格子電源に接続される電流密度断面制御格子であって、不均一な電流密度断面をもつ電子ビームを生成するために前記陰極および前記陽極と協働する電流密度断面制御格子とを含み、
前記電流密度断面制御格子は、前記陰極の前記電子放出面に最も近接する側に凹状表面を備えている、
電子ビームリソグラフィ装置。
【請求項３】
電子ビームを生成する電子銃と、
前記電子ビームの通路に配置され、マスクを保持するマスク段と、
前記マスクを通過した電子の通路に配置され、被加工物を保持する被加工物段とを有する電子ビームリソグラフィ装置であって、前記電子銃は、
電子放出面を備えた陰極と、
前記陰極に近接配置された陽極であって、前記陰極から前記陽極に向けて放射される電子を加速する電界を前記陰極と前記陽極の間に生成する加速電圧電源に接続される陽極と、
前記陽極と前記陰極の間に配置され、制御格子電源に接続される電流密度断面制御格子であって、不均一な電流密度断面をもつ電子ビームを生成するために前記陰極および前記陽極と協働する電流密度断面制御格子とを含み、
前記電流密度断面制御格子は、実質的に平坦な第１の表面領域と実質的に平坦な第２の表面領域とを含み、前記第２の表面領域は、前記第１の表面領域から前記電子銃の軸方向に変位している、
電子ビームリソグラフィ装置。
【請求項４】
前記格子電源によって前記電流密度断面制御格子に負電位が印加される請求項１記載の電子ビームリソグラフィ装置。
【請求項５】
前記格子電源によって前記電流密度断面制御格子に正電位が印加される請求項２記載の電子ビームリソグラフィ装置。
【請求項６】
前記電流密度断面制御格子は、第1の電位で電気的に接続される第１の表面領域と第２の電位で電気的に接続される第２の表面領域とを含み、前記電流密度断面制御格子の前記第1および第２の表面領域は、互いに電気的に絶縁されている請求項１から５のいずれかに記載の電子ビームリソグラフィ装置。
【請求項７】
前記不均一な電流密度断面は、電流密度が電子ビームの中央部分で低く、電子ビームの周縁領域で高くなっている請求項１から６のいずれかに記載の電子ビームリソグラフィ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子ビームリソグラフィ装置用の照射システムと、その照射システムを備えた荷電粒子ビームリソグラフィ装置と、更に、半導体集積回路を含むマイクロデバイス製造装置とに関するものである。
【０００２】
【関連技術の説明】
リソグラフ装置は、例えば集積回路（ＩＣ）の製造に使用することができる。その場合、ＩＣの個々の層に対応する回路パターンがマスクに設けられ、放射感応材料（レジスト）層でコーティングされた基板（シリコンウエハ）上の目標部分（例えば、１つ以上のダイを含む）に、そのパターンの像を形成することができる。一般に、単一のウエハは、１つづつ順次照射される隣接目標部分からなる網目構造になっている。一般的なリソグラフ装置に関する詳しい情報は、例えば、米国特許６，０４６，７９２から得られる。
【０００３】
リソグラフィ装置を使用する製造プロセスでは、放射感応材料（レジスト）層で少なくとも部分的に覆われた基板にマスクパターン像が形成される。この像形成ステップに先立って、レジストコーティングおよびソフトベーク等の様々な処理を基板に施すことができる。更に露光後には、例えば、露光後ベーク（ＰＥＢ）、現像、ハードベーク、像輪郭の測定／検査等の処理を基板に施すことができる。この一連の処理は、ＩＣ等のデバイスの各層をパターニングする際の基本として使われる。このようにパターニングされた層には、次にエッチング、イオン注入（ドーピング）、メタライゼーション、酸化、化学機械的研磨などの様々なプロセスを施すことが可能であり、これらはいずれも、個々の層の仕上げを行うためのプロセスである。いくつかの層が必要な場合は、新しい各層に対して、この全処理手順またはその代替手順を反復する必要がある。最終的には、基板（ウエハ）上にデバイスの配列が形成される。各デバイスは、ダイシングやソーイング等によって個々に分離され、個々のデバイスは、キャリアに搭載あるいはピンに接続することができる。これらのプロセスに関する詳細は、例えば、引用として、ここに包含される”Microchip Fabrication: A Practical Guide to Semiconductor Processing”, Third Edition,by Peter van Zant, McGraw Hill Publishing Co., 1997, ISBN 0-07-067250-4に記載されている。
【０００４】
リソグラフィ装置は、２つ以上の基板テーブル（および／または２つ以上のマスクテーブル）を備えたタイプとすることができる。このような「多段」装置では、付加テーブルを並列使用するか、あるいは１つ以上のテーブル上で準備ステップを実行すると共に別の１つ以上のテーブルを露光に使用することができる。例えば、米国特許５，９６９，４４１およびＷＯ９８／４０７９１には２段リソグラフィ装置に関する記述がある。
【０００５】
２０年以上にわたって、半導体プロセスにおけるリソグラフィに電子ビーム（ｅビーム）露光装置が使用されている。初期のｅビーム露光装置は、対象平面をラスタスキャンする高焦点ビームの飛点走査概念に基づいている。このアプローチでは、電子ビームは、スキャン時に変調されるので、ビーム自体がリソグラフィパターンを生成する。これらの装置は、リソグラフィマスクの作成などの高精度作業に広く使用されているが、ラスタスキャンモードは、半導体ウエハ処理に要する高スループットを達成するには遅すぎる。装置におけるこのタイプの電子源は、電子顕微鏡に使用されるものと同様であり、微小スポットビームに焦点を合わせた高輝度源である。
【０００６】
最近、ＳＣＡＬＰＥＬ法（Scattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithography）に基づいた新しい電子ビーム露光装置が開発されている。このアプローチでは、リソグラフィマスクを通して対象平面に広域電子ビームが照射される。半導体ウエハ上の比較的広い領域を一度に露光することができるので、スループットは、増加する。この装置は、分解能が高いので、超細線リソグラフィ、すなわちサブミクロンリソグラフィにおいて関心を引いている。
【０００７】
ＳＣＡＬＰＥＬ露光装置の電子ビーム源の条件は、従来の収束ビーム露光装置、あるいは従来の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）または走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の条件とはかなり相違がある。高解像度の像形成が主目標であることには違いはないが、ウエハスループットを改善するために比較的高い（１０〜１００μＡ）電子銃電流で高解像度の像形成を行う必要がある。軸方向の明るさは、例えば１０2〜１０4Ａｃｍ-2ｓｒ-1とする必要があり、これは典型的な収束ビーム源の１０6〜１０9Ａｃｍ-2ｓｒ-1と比較してかなり低い値である。しかし、所要のリソグラフィのドーズ・ラティテュード（ｄｏｓｅ  ｌａｔｉｔｕｄｅ）とＣＤ制御を得るためには、比較的広い領域で非常に均一なビーム束が必要になる。
【０００８】
ＳＣＡＬＰＥＬ装置の開発は、比較的暗く比較的広い領域に均一な電子フラックスを照射する放射率（Ｄ×αａで定義され、一般にミクロン×ミリラジアンの単位で表される。Ｄはビーム径、αは発散角）の高い電子源の開発を志向している。従来の最先端電子ビーム源では放射率を０．１〜４００ミクロン×ミリラジアンの範囲とするビームを生成するが、ＳＣＡＬＰＥＬの類の装置は、１０００〜５０００ミクロン×ミリラジアン範囲の放射率を必要とする。従来のＳＣＡＬＰＥＬ照射システムの設計は、ガウス銃か格子制御銃のいずれかに基づいている。両タイプに共通する欠点は、ビーム放射率が実際のウェーネルト（Ｗｅｈｎｅｌｔ）バイアスに依存し、回避不能な放射率変化が電流制御に影響を及ぼすことである。システムの観点からは、制御がビーム電流とビーム放射率に依存しないことが好ましい。
【０００９】
更に、粒子投射システムのスループットは、荷電粒子間のクーロン相互作用による分解能に依存する。クーロン相互作用は、ビームぼけの原因となり、ビームぼけは、ビーム電流の増加にしたがって増加するので、与えられた分解能のシステム性能が制限される。
【００１０】
クーロン相互作用に基づく３つの個別効果を区別することができる。第１は、グローバルな、あるいは平均的な効果であって、グローバル空間電荷（Ｓｃ）効果とも呼ばれる。投射コラムに沿うビームのすべての断面図で電流密度分布が均一であれば、グローバルＳｃ効果は、イメージの焦点ぼけと倍率変化を引き起こすだけである。この場合、Ｓｃは、理想的な負レンズとして働き、その効果は、レンズ焦点距離を変えるか、ガウス平面に対する画像平面位置を変えるだけで修正することができる。また、第２は、グローバルＳｃ効果であるが、ビーム電流密度プロフィールが不均一な場合には、上記焦点ぼけと倍率変化の他に、像収差が生じる。
【００１１】
第３は、確率的な空間電荷効果であって、これは離散的な荷電粒子から成るフラックス中の粒子間で相互に働くクーロン相互作用力のランダム性に起因する。確率的相互作用によってビームぼけが生じるが、その原因は、コラムに沿って移動する粒子の軌道偏向による直接的な原因か、粒子エネルギ拡散（いわゆるベルシュ効果）に基づくレンズの色収差による間接的な原因のいずれかである。
【００１２】
軌道変化もベルシュ効果も、決定的なグローバル空間電荷効果と違って確率的なものであるから、修正することはできない。慎重な設計を行う以外に、それらを制御することはできない。
【００１３】
高スループット投射システムでは、空間電荷に起因するグローバル収差（上記第２の効果）の影響が最も大きく、これを制御する装置および方法が現在必要とされる。コラムに沿ったビームのすべての断面で荷電粒子の層状フラックスの電流密度断面が均一になるようなシステム設計であれば、グローバルＳｃに起因する収差は、原則的に修正または回避することができる。リソグラフィおよび測定法で使用される低電流ないし中間電流のビームでは、層状（すなわち、粒子軌道が互いに交差しない）フラックスを実現することはできない。これは、例えばマスクやウエハ面等の臨界面で均一な照射強度または電流密度が得られるとしても、コラムの断面では必ずしも同様にならないことを暗示している。したがって、電流密度が均一にならないコラムの領域において空間電荷効果は、ビームぼけの原因となる。
【００１４】
グローバル空間電荷効果は、一般に、ビーム電流Ｉとビーム電圧Ｖの関数であるビームパービアンスＰ＝Ｉ／Ｖ3/2によって特徴付けられる。空間電荷による焦点ぼけは、完全に補正可能であって、コラム長Ｌに比例するが、空間電荷のレンズ機能によるぼけは、ビーム電流の非均一性の度合いと、コラムの電流密度が均一でない部分だけの有効長Ｌeffとで定義される。
【００１５】
粒子投射システムでは、マスク面で均一に照射されたサブフィールドを得るために、ケーラ（Ｋｏｅｈｌｅｒ）照射が利用される。ケーラ照射の光学系は、陰極の任意の一点または仮想源からマスク面上のサブフィールド全体へビーム束を投射する。サブフィールドのサイズと形状を固定した投射デバイスでは、可変形状システムにおけるマスクまたはウエハ面に対する光学的共役面に設置された１つまたは２つの長方形整形開口を用いてサブフィールドが形成される。
【００１６】
現在の電子投射システムでは、電子銃は、比較的大型の均一放出低輝度陰極と、適切に設計された電極を備えており、空間的に均一な強度の付勢電子（通常、１００ｋｅＶ）を電子源から所定の角度範囲（ＮＡを開口数として、制限開口の角度に合わせるために、整形開口通過後の範囲は約ＮＡ／４）に均一に放射する。なお、プローブ形成システムで使用される電子源は、高輝度ＬａＢ6陰極と、本質的に不均一なガウス電流密度をもつ数十ミクロンの細長いクロスオーバを形成する電極とを備えている。ＮＡが小さく、ビーム電流密度の非均一性度合いが低いほど、グローバルＳＣに起因するぼけは少なくなり、これがＮＡの減少に伴って増加する確率的なぼけと対照的である。これはＮＡの小さい初期の粒子投射システム、すなわち低スループットのシステムにおいて確率的なぼけとレンズ収差が重要な問題だった理由である。本発明は、スループットを改善するために高ＮＡ光学系を使用する高スループット電子投射リソグラフィシステムに関するものである。高ＮＡシステムにおけるグローバルな空間電荷による収差は、クーロン確率相互作用に起因するビームぼけより更に深刻な問題である。
【００１７】
【発明の概要】
本発明は、空間電荷に起因する収差を制御および／または抑制する装置および方法に関するものである。本発明の１つの側面は、電子ビームリソグラフィ装置用の電子銃であって、この電子銃は、電子放出面を備えた陰極と、陰極から放出される電子を加速する電界を陰極との間に生成するために加速電圧電源に接続される陽極と、前記陽極と前記陰極の間に配置される電流密度断面制御格子（以後、格子あるいは制御格子と呼ぶ）とを有する。電流密度断面制御格子は、不均一な電流密度断面をもつ電子ビームが電子銃から発生するように構成される。
【００１８】
本発明のもう１つの側面は、上述の電子銃を有する電子ビームリソグラフィ装置である。
【００１９】
本発明もう１つの側面は、半導体デバイスの製造方法であって、この方法は、不均一な電流密度断面をもつ荷電粒子ビームを生成するステップと、荷電粒子ビームでマスクを照射するステップと、マスクを通過した荷電粒子ビームの荷電粒子で被加工物を露光するステップとを含む。
【００２０】
本発明のもう１つの側面は、上記方法によって製作されるマイクロデバイスである。
【００２１】
発明に関する上記および他の目的と特徴は、添付図面にしたがって以下に述べる好ましい実施例の説明によって明らかにされる。
【００２２】
【好ましい実施例の説明】
図１は、本発明の代表的実施例による電子ビームリソグラフィ装置２０の概要図である。電子ビームリソグラフィ装置２０は、電子銃２２と、照射レンズシステム２４と、マスクホルダに取り付けられたマスク２６と、対物レンズシステム２８と、後部焦点面フィルタ３０と、投射レンズシステム３２と、基板ホルダに取り付けられた露光媒体（基板）３４と、整合システム３６とを有し、これらは電子ビーム通路に沿ってこの順序で配置される。この明細書において、露光媒体３４は、被加工物と呼ぶこともある。外装容器３８は、真空ポンプ４０によって真空に維持される。従来のＳＣＡＬＰＥＬ方法とその装置の詳細は、例えば米国特許Ｎｏ．５，０７９，１１２および米国特許Ｎｏ．５，２５８，２４６に記載されている。
【００２３】
代表的実施例では、特に電子ビームについて述べる。しかし、ビームの粒子が電子、陽子、原子イオン、その他の荷電粒子あるいは様々な荷電粒子の混合物であっても、荷電粒子ビームにはクーロン相互作用が生じる。本発明の範囲と主旨には、代表的なタイプの荷電粒子として電子ビームを含む荷電粒子装置および方法を包含するものとする。
【００２４】
図２は、電子銃２２を更に詳細に示す概要図である。一般に、電子銃２２は、陰極４２と、電流密度断面制御格子４４と、陽極４６とを有する。陰極４２は、フィラメント電源５０に接続される加熱フィラメント４８に熱的に接触している。加熱フィラメント４８には、例えばタングステン線が好適材料として知られている。陰極４２は、電子放出面５２を備えている。電子放出面５２は、直径が０．０５〜３．００ｍｍの円板が好ましい。電子放出面５２には、タンタルが好適材料として知られているが、本発明は、タンタル電子エミッタの使用に限定するものではない。制御格子４４および陰極４２には、電気的に格子電源５４が接続される。陽極４６と陰極４２には、電気的に加速電圧電源５６が接続され、陰極４２の電子放出面５２から出る電子を加速するための電界が陰極４２と陽極４６の間に形成される。この構成では、従来のＷｅｈｎｅｌｔの場合と同様に、電流整形格子４４の電位は、放出電流の関数ではなく、格子電源５４に基づいて決定される。
【００２５】
電子銃２２の動作では、加熱フィラメント４８によって陰極４２が加熱され、陰極４２内の電子の運動エネルギが増大する。加速電圧電源５６および格子電源５４によって電子放出面５２上で生成される合成電界により、陰極４２の電子放出面５２から十分に付勢された電子が放出される。格子電源５４の強度および／または極性を変えると、電子放出面５２での電界が変化して、陰極４２の材料から電子が放出される速度が変化する。陰極４２から抽出された電子は陽極４６に向かって加速される。電子のビームは、陽極４６で画定される開口を通過して、電子ビームとして電子銃２２から放出される。最も効果的な露光を行うためには、ビーム輝度を１０5Ａｃｍ-2Ｓｒ-1以下の値に制限することが望ましい。これは、一般に可能な限り輝度を高くする従来の走査電子ビーム露光装置（例えば、米国特許Ｎｏ．４，５８８，９２８参照）とは対照的である。現状の典型的な応用面では、電子銃から放出される電子の運動エネルギーは、約１００ｋｅＶであるが、本発明では、電子ビームエネルギーを特定の値に制限しない。
【００２６】
図３は、電子銃５８の出力からウエハ６０、すなわち、被加工物（露光媒体）までのセクションに沿って電子ビームリソグラフィ装置２０の一部２１に対応するレイ・トレース（ｒａｙ−ｔｒａｃｅ）図を示す。一般に、電子ビームリソグラフィ装置２０の部分２１には、照射システム６２と投射システム６４が含まれる。照射システム６２と投射システム６４のそれぞれには、一般に複数の要素、例えば静電レンズおよび／または磁気レンズおよび様々な開口が含まれる。図３に示される実施例では、照射システム６２は、第１の収束レンズ６６と、整形開口６８と、ブランキング（ｂｌａｎｋｉｎｇ）開口７０と、第２の収束レンズ７２を有する。電子銃出力５８から放出される電子は、レンズ６６、７２によって収束され、マスク７４を照射する。マスク７４を通り抜ける電子は、レンズ７６で収束され、その一部は開口７８を通過し、レンズ８０によってウエハ６０上に収束される。
【００２７】
図４は、図３に示される電子ビームの電子電流密度断面を表す概要図であって、電子ビームのいくつかの瞬時横断面を示している。従来のＳＣＡＬＰＥＬ照射の場合、図４の破線８２で示されるように、電子銃出力５８からほぼ均一な電流密度分布が得られる。電子銃からの出力された時に均一な電流密度８２は、レンズ７６に達すると不均一分布８４になる（図３、４を比較）。本発明の１つの側面は、ビームの電子電流密度断面８６が不均一な電子電流密度になるように電子銃出力から電子ビームを生成することである。発明のもう１つの側面として、電子銃で生成される電子電流密度断面８６は、断面周縁部に比べて断面中心部で電子電流密度が低くなる。レンズ７６において、本発明による電子ビーム電流密度断面８８（図４）は、図３に示されるように、横向方向のビームを横切る半径方向の分布が実質的に均一である。初期状態の電子電流分布は、中心部で抑制され、周縁部で増強されているので、本発明の特徴にしたがって空間電荷効果補償される（すなわち、空間電荷による収差が減少する）。他の実施例では、電子ビームが電子銃から被加工物まで移動する間に、電子銃出力における初期状態の電子電流密度分布によって空間電荷効果が実質的に完全に補償される。
【００２８】
図５は、本発明による電子銃２２の出力における電子ビームの横方向のビーム電流密度断面を示す。本発明の実施例による電子銃は、図５に電流密度断面９０で示すように、電子銃の出力において電流密度をビームの中心部で低く、ビームの周縁部で高くした電流密度断面をもつ電子ビームを生成する。発明の実施例では、電流密度断面９０は、図５で示されるように凹状である。電子銃の出力におけるこのような電流密度断面により、上述のクーロン相互作用に起因するビームぼけが軽減する。電子銃は、必要に応じて、実質的に均一な電子電流密度をもつ出力電子ビームを選択的に生成することもできる。そのような均一電子電流密度の一例が破線９２で図５に示される。発明の実施例において、実質的に均一な電子電流密度９２と凹状電子電流密度９０の間でリアルタイムに変化するように電子銃を動作させることができる。上記特徴は、発明の実施例を構成する際に、少なくとも４つの代表的アプローチまたはそれらの組合わせによって達成することができる。
【００２９】
第１の代表的なアプローチでは、図２の制御格子４４は、図６Ａに図示されるように非平坦面状に形成することができる。図６Ａの実施例では、電流密度断面制御格子９６の格子部分９４は、非平坦形状であって、格子部分９４の一部が格子部分９４の他の部分より陰極９８に近接している。制御格子９６の格子部分９４は、陰極９８に最も近い側が凸状表面になっていることが好ましい。その場合、制御格子９６の格子部分９４が陰極９８に対して負電位になるように制御格子９６と陰極９８の間に格子電源が設けられる。制御格子９６の格子部分９４の中央部が制御格子９６の格子部分９４の外側部分よりも陰極９８に近接していて、制御格子９６の格子部分９４が負電位になるから、陰極９８の中央領域から放出される電子は、外側領域から放出される電子より少ない。発明の一実施例によれば、制御格子９６の格子部分９４は、凸状である。しかし、発明の範囲において、電流密度断面制御格子の少なくとも一部分を制御格子の他の部分より陰極９８に近接させることによって陰極９８上の電子放出を変えることができる。あるいは、陰極９８に近接する凹面を制御格子９６の格子部分９４に設け、正電圧を印加することにより、電子放出は、陰極９８の中心部より陰極９８の周縁部の方が強くなる。同様に、電子ビーム電流密度は、電子ビームの中心に近い部分より電子ビームの周縁部の方が高くなる。
【００３０】
第２の代表的アプローチは、湾曲形状の陰極１００を形成することであり、図６Ｂに示されるように、電流密度断面制御格子１０２は、実質的に平坦な格子部分１０４を含む。電子銃からの電流密度断面を不均一にするために、陰極１００と制御格子１０２の格子部分１０４との間に負の格子電位が印加される。陰極１００の中央の部分が陰極１００の周縁部分よりも格子部分１０４に近いため、中央部分での電子放出よりも周縁部分での電子放出が強く抑制され、この傾向は、電流密度断面制御格子１０２の格子部分１０４に電圧を印加しない場合より強く現れる。同様に、この記述から明らかなように、本発明の範囲は、図６Ｂに示される陰極の特定形状に限定されることはない。発明の実施例において、陰極１００は、制御格子１０２の格子部分１０４に最も近い凸面を含んでいる。
【００３１】
図６Ｃは、発明による第３の代表的なアプローチを示す。このアプローチでは、陰極１０６は、複数部分からなり、そのうち３つは、参照符号１０８で表され、各部分には、電流密度断面制御格子１１２の格子部分１１０を基準として個別に選択可能な電圧を印加することができる。陰極１０６の個別部分１０８は、互いに実質的に電気的に絶縁されることが望ましい。陰極１０６の各部分１０８の印加電圧は、陰極１０６の他部分の印加電圧と等しくても、異なっていてもよい。電子銃からの電子ビーム出力の中央部近傍の電流密度がビーム周縁部での電子電流密度よりも低くなるような電流密度断面を得るために、電子を制御格子１１２に向けて加速する方向における表面１１４の電界が表面１１８の電界より弱くなるように電圧ｖ1が選択される。図６Ｃは、代表的なアプローチを図式的に示すもので、陰極１０６と制御格子１１２の構造を図の特定構造に限定する意図はない。複数の部分１０８の個数や形状は、その用途に応じて変えることができる。
【００３２】
図６Ｄは、本発明による第４の代表的なアプローチを示す。このアプローチにおいて、電流密度断面制御格子１２０の格子部分１２２は、複数部分に分離され、制御格子１２０の格子部分１２２の分離個別部分に複数の個別選択可能な電位が印加される。制御格子１２０の格子部分１２２の個別部分は、互いに実質的に電気的に絶縁される。このアプローチにおいて、例えばｖ3の負電位よりｖ1の負電位の方が低いと、電子銃からの電子ビームの中心近傍の電流密度が電子ビームの周縁部分より低い電流密度断面になる。図６Ｄは、代表的なアプローチを示すことを意図したものであり、制御格子１２０の格子部分１２２に特定の構造を必要とするという意味ではない。制御格子１２０の格子部分１２２の構造は、特定の用途にしたがって選択することができる。
【００３３】
図６Ａ〜図６Ｄに示される４つの代表的な実施例をあらゆる順序で組合わせることが可能である。例えば、共に整形された陰極および制御格子を設けるために図６Ａと図６Ｂの特徴を組合わせることができる。別の例では、選択可能な電位差に設定することができる複数の部分を含む整形された陰極と、整形された制御格子とを設けることができる。更に別の例では、選択可能な電位に設定することができる複数の部分を含む制御格子の整形された格子部分を設けることができる。同様に、上述の代表的なアプローチの他の組合わせも、本発明の範囲に包含される。
【００３４】
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明による電子銃の電流密度断面制御格子１２６および陰極１２８の実施例を示す。図７Ａは、制御格子１２６のメッシュ構造を示す上面図である。図７Ｂは、図７Ａに対応する横断面図であり、陰極１２８に最も近い表面における制御格子１２６の凸状を示す。陰極１２８から抽出された電子は、制御格子１２６のメッシュを通過して進行し、電子ビームを形成する。電子銃からの電子ビーム出力の電流密度断面に図５と同様の凹形断面が含まれるように、制御格子１２６に負電位が印加される。
【００３５】
図８は、本発明による電流密度断面制御格子１３０および陰極１３２の別の実施例を示す。制御格子１３０には、平坦領域１３４が含まれ、この領域は、第２の平坦部分１３６と比べて、軸方向に電子銃の出口部分に近い位置に置かれる。陰極１３２と比較して正の電位が制御格子１３０に印加され、制御格子１３０の平坦部分１３４と比較して、制御格子１３０の平坦部分１３６に最も近接した位置での電子放出が増強される。この帽子形制御格子１３０は、陰極１３２に最も近接した凹面を備えた制御格子の一例と考えることができる。
【００３６】
図９は、電流密度断面制御格子１３８の別の実施例を示す。制御格子１３８には、第１の格子部分１４０と第２の格子部分１４２が含まれ、それらは絶縁体１４４によって電気的に互いに分離されることが好ましい。格子部分１４０と格子部分１４２は、個別に選択可能な電位に接続されるように構成される。領域１４０および１４２の電位は、互いに等しいか、あるいは異なるように選択することができる。制御格子１３８は、平面状または湾曲状にすることができる。平面状の制御格子１３８の場合、電子銃の出力での電子ビームの周縁部と比較して中央部での電子電流密度が低くなるように、格子部分１４０の電位より低い負の電圧を格子部分１４２に印加することができる。
【００３７】
図１０は、本発明による電流密度断面制御格子１４６の別の実施例を示す。図１０における同心円と放射状の線は、それらの間で空間を画定する構造成分である。制御格子１４６の全体の構造成分が同一電位に維持されるような実施例では、制御格子１４６のすべての構造成分を導電性材料から選択することが可能である。あるいは、制御格子１４６に複数の電位を与えるために、構造成分のいくつかを導電材とし、別のいくつかを絶縁材とすることができる。例えば、構造成分１４８、１５０には、絶縁材を使用し、構造成分１５２、１５４には導電材を使用することにより、構造成分１５２、１５４に同一電位か、異なる電位のいずれかを印加することができる。この実施例の一般概念の範囲内で、多くの変形および可能性を見ることができる。更に、制御格子１４６は、平坦状または湾曲状にすることも可能である。
【００３８】
図１１は、本発明の別の実施例にしたがって構成された電流密度断面制御格子１５６の一部の別の例を示す。この実施例では、制御格子１５６は、電気抵抗率の高い材料で作られた基板１５８を備えている。制御格子１５６の基板１５８には、複数の導電性「ドット」が形成および配置される。複数の導電性ドットのうち、２つが参照符号１６０と１６２でそれぞれ示される。参照符号１６４や１６６で示される穴が基板１５８を貫通するようにエッチングされ、穴１６４、１６６の周囲領域１６８、１７０が導電性材で埋められる。図１１で示される例では、すべての導電性ドットは、実質的に同一サイズ、同一形状である。しかし、用途に応じてドットサイズおよび／または形状が選択される場合も、本発明に包含される。実質的に同一サイズのドット配列にする利点は製造の単純化である。ドット１６２、１６０の導電性領域１６８、１７０は、それぞれ導電性経路１７２、１７４に電気的に接触している。導電性経路１７２、１７４は基板１５８の表面にそって制御格子１５６の周縁まで完全に延ばすことができる。制御格子１５６の基板１５８上に導電性ドットを配列すると、各ドットの電位を選択的に設定することが可能になり、その電位を、残りのドットの電位に等しくすることも、違った電位にすることもできる。更に、上記すべて実施例において、制御格子に印加される電位を時間的に変化させて、電子銃からの電子ビーム出力を時変電流密度分布させることができる。
【００３９】
上記電流密度断面制御格子の格子部分は、導電材料で形成される。導電性であること以外、材料について特に厳密な条件はない。電流密度断面制御格子の格子部分の材料として、タンタル、タングステン、モリブデン、チタニウムが使用可能であり、鉄でも十分であることがわかっている。その他の導電性材料および／または合金も、制御格子の格子部分に適した材料であると考えられる。二次元空乏を総格子部分面積で除算した値を透明度として定義すると、制御格子の格子部分の透明度は、４０〜９０％の範囲が適していることが判明している。
【００４０】
動作時において、フィラメント加熱電源５０は、ヒータフィラメント４８を流れる電流を駆動し、抵抗加熱によってヒータフィラメント４８から熱が発生し、ヒータフィラメント４８に熱的に接触する陰極４２が加熱される（図２参照）。陽極４６および陰極４２に電気的に接続された加速電圧電源５６により、陰極４２と陽極４６の間に電界が形成される。制御格子４４と陰極４２の間に印加される電圧によって電界成分が発生し、その成分は、加速電圧電源５６に基づく電界と加算または減算される。制御格子４４と陰極４２の間に印加される電圧の強度および極性を変えることにより、電子放出面５２から出る電子数を増強または抑制することができる。制御格子４４は、例えば前記代表的実施例の図７Ａ〜図１１に示される制御格子１２６、１３０、１３８、１４６、１５６のうちの１つから選ばれる。制御格子は、陰極および加速電圧電源との組合わせにより、電子を抽出し、電子銃２２の出力において図５に示される電流密度９０と同等の電流密度をもつ電子ビームを形成する。制御格子１２６、１３０、１３８、１４６または１５６に対する印加電圧に応じて、電子電流密度９０または電子電流密度９２を選択することができる。
【００４１】
電子ビームは、電子銃２２から出力され、照射システム２４に向けられる（図１参照）。照射レンズシステム２４から出た電子ビームは、マスク２６を照射する。マスク２６の比較的厚い濃密度領域の通過電子は、他の領域の通過電子より強く散乱する。米国特許Ｎｏ．５，０７９，１１２およびＮｏ．５，２５８，２４６には好適マスク構造に関するその他の特徴が記載されている。開口３０は、散乱の最も強い電子を阻止し、主に散乱の弱い電子を通す。これにより、ＳＣＡＬＰＥＬアプローチによるマスクの陽画像が得られる。開口３０をリング状開口で置き換えると、上記とは逆に、中央部分を阻止して、散乱の強い電子を通すことができる。このアプローチでは、ＳＣＡＬＰＥＬアプローチにおける陰画像が得られる。そして、電子は、電子ビームリソグラフィによってデバイスを生成するために被加工物３４上に像を形成する。電子銃２２は、電子ビーム中の電子間のクーロン相互作用に基づく空間電荷効果に起因するぼけを軽減することによって被加工物３４上のマスク２６の像を改善する。したがって、本発明の電子ビームリソグラフィ装置２０により、改良されたデバイスを製造することができる。
【００４２】
本発明は、不均一な荷電粒子電流密度断面をもった荷電粒子ビームを発生する半導体デバイス製造方法に関するものである。発明の実施例では、荷電粒子ビームの荷電粒子電流密度は、荷電粒子ビームの中央部分で低く、荷電粒子ビームの周縁領域で高くなる。次に、密度および／または厚みの異なるパターンをもったマスクが荷電粒子ビームで照射され、荷電粒子は、例えば、マスクの濃密度領域および／または厚い領域においてマスクの他の領域より強く散乱する。荷電粒子は、後部焦点面フィルタを含む投射システムの被加工物に投射され、荷電粒子に対して空間的フィルタリングが施される。換言すれば、被加工物の陽画を得るため中央開口が設けられ、あるいは被加工物の陰画を得るためにリング状開口が設けられる。露光される被加工物は、例えば集積回路用の半導体ウエハである。しかし、本発明は、集積回路および／または半導体デバイスだけに限定しない。本文では特にＩＣ製造における本発明装置の使用に関して記述しているかもしれないが、この装置には他に多くの可能な応用面があることを理解すべきである。例えば、集積光学システム、磁気ドメインメモリ用の案内／検出パターン、液晶ディスプレイパネル、薄膜磁気ヘッドなどの製造に応用することができる。当業者には明らかな通り、このような代替応用面に関する文脈で使われる用語「ウエハ」は、一般的な用語「基板」に置き換えて解釈すればよい。
【００４３】
本文ではＳＣＡＬＰＥＬリソグラフィの概念を引用して発明を詳細に説明している。しかし、他の荷電粒子リソグラフィの概念にも適用可能である。例えば、−  いわゆる可変軸レンズ（ＶＡＬ）または可変軸液浸レンズ（ＶＡＩＬ）を利用した代替ｅビームリソグラフィ露光装置（ＩＢＭで開発）がある。これらの装置は後部焦点面フィルタと組み合わせて散乱ステンシルマスクを使う。これらのシステムに関する詳しい情報は、例えば、米国特許５，５４５，９０２、５，４６６，９０４、５，７４７，８１４、５，７９３，０４８、５，５３２，４９６から得られる。
−  米国特許５，５６７，９４９、５，７７０，８６３、５，７４７，８１９、５，７９８，１９６には、別のタイプのｅビームリソグラフィ装置（日本光学で開発）が記述されている。
本発明は、上記代替構成の両方に適用可能である。
【００４４】
代表的な実施例を引用して発明を詳細に記述したが、当業者には明らかな通り、本発明の新規な教示と特徴から実質的に逸脱することなく代表的実施例に変化を与えることが可能である。それらすべての変形は、特許請求の範囲に包含されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子銃を有する電子ビームリソグラフィ装置を示す図。
【図２】本発明による電子銃の一般的な構造特徴を示す図。
【図３】本発明による電子ビームリソグラフィシステムの光学的類似性を示すレイトレース図。
【図４】図３に対応する電子ビームの横断面における電子ビーム電流密度を示す図。
【図５】本発明による電子銃から出力される電子ビームの望ましい電流密度断面を示す図。
【図６】６Ａから６Ｄは、本発明による電子銃の一般的な構造特徴を説明する図。
【図７】７Ａは、本発明の好ましい実施例による電流密度断面制御格子の上面図、７Ｂは、本発明の好ましい実施例による電流密度断面制御格子の横断面図。
【図８】本発明による電流密度断面制御格子の第２の好ましい実施例の横断面図。
【図９】本発明の第３の好ましい実施例による電流密度断面制御格子の上面図。
【図１０】本発明の第４の好ましい実施例による電流密度断面制御格子の上面図。
【図１１】本発明の第５の実施例による電流密度断面制御格子の部分上面図。
【符号の説明】
２０  電子ビームリソグラフィ装置
２２  電子銃
２４  照射レンズシステム
２６  マスク
２８  対物レンズシステム
３０  後部焦点面フィルタ
３２  投射レンズシステム
３４  露光媒体（基板）
３６  整合システム
３８  外装容器
４０  真空ポンプ
４２  陰極
４４  電流密度断面制御格子
４６  陽極
４８  加熱フィラメント
５０  フィラメント電源
５２  電子放出面
５４  格子電源
５６  加速電圧電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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