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発明の名称 転写マスクおよびこれを用いた荷電ビーム描画装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−132204
公開日 平成6年(1994)5月13日
出願番号 特願平4−284260
出願日 平成4年(1992)10月22日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】中村 純之助
発明者 佐藤 秀寿 / 中山 義則
要約 目的
図形マスクを高速に選択変更できる転写マスクを開発し、これを用いることにより、一括図形照射方式荷電ビーム描画装置の高スループット化を図る。

構成
厚膜のマスク基板10の中に或る一定の間隔を置いて薄膜の区画101〜116を設け、該区画内に複数個の図形マスクを設けるが、該区画の大きさを荷電ビームの偏向範囲内に限定し、上記同一区画内の図形マスクは荷電ビームの偏向により選択変更し、異なる区画の図形マスクはマスク基板を機械的に移動させて選択する。
特許請求の範囲
【請求項1】図形マスクにより一括図形照射を行う荷電ビーム描画装置の転写マスクにおいて、厚膜のマスク基板内に複数個の薄膜区画を所定の距離を隔てて設け、該薄膜区画内に複数個の図形マスクが配置され、かつ、該薄膜区画の寸法は荷電ビームが偏向照射可能な大きさで、同一区画内の図形マスクはマスク基板を移動させることなく、荷電ビームの偏向のみによって使用されるようにしたことを特徴とする転写マスク。
【請求項2】上記転写マスクにより一括図形照射を行う荷電ビーム描画装置において、同一試料に対しては、同一区画内にある図形マスクのみを荷電ビームの偏向により選択して使用することを特徴とする請求項1記載の転写マスクを用いた荷電ビーム描画装置。
【請求項3】上記転写マスクにおいて、異なる区画に属する図形マスクを選択する場合には、上記マスク基板全体を機械的に移動して目的とする区画を上記荷電ビームの偏向範囲に位置させ、しかる後に荷電ビームの偏向により上記図形マスクを選択することを特徴とする請求項1記載の転写マスクを用いた荷電ビーム描画装置。
【請求項4】上記転写マスク内の選択すべき図形マスクに関する情報を、描画図形に関する描画データの中に含めたことを特徴とする請求項2または3記載の荷電ビーム描画装置。
【請求項5】上記転写マスク内の選択すべき図形マスクに関する情報が、上記マスク基板の機械的な移動手段および上記荷電ビームの偏向手段に対する動作順序の規定、ならびに機械的な移動量や荷電ビームの偏向量などの情報により構成されていることを特徴とする請求項4記載の荷電ビーム描画装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の製造などに用いられる荷電ビーム描画装置に係り、特に一括図形照射方式による描画装置の図形転写マスク、およびこれを用いた荷電ビーム描画装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】最近、一括図形照射、あるいはブロック露光と称して、露光パターンに対応する形状の開口部を有する図形マスクを、転写マスクの基板内に多数個設け、これらの図形マスクにより荷電ビームの形状を成形して試料上に照射し、ある面積を一回で露光してしまう高速描画方式が注目されてきている。この場合、描画図形に対応してそれぞれの図形マスクを選択する必要があるが、その選択には、荷電ビームを偏向器で偏向して所望の図形マスクのみを照射し選択する方法と、マスク基板全体を機械的に移動させて所望の図形マスクを荷電ビーム照射域に一致させる方法とがある。しかし、一般に、1枚のマスク基板内にはできるだけ多数の図形マスクを搭載したいので、その広さは荷電ビームの偏向範囲を越えてしまい、通常は、荷電ビームの偏向とマスク基板全体の機械的な移動とが併用されている。
【0003】一方、この一括図形照射方式で高精度な図形描画を行うには、図形マスクとなる開口部を高精度に製作する必要がある。したがって、このために、一般にはマスク基板の材料としてはシリコンが用いられ、加工には半導体製造の微細加工技術が使用されている。しかし微細加工技術を用いても、図形マスクの精度を高めるには、基板であるシリコンの厚さは薄くなければならず、現状では20〜30μmが限界で、薄膜である必要がある。
【0004】このような転写マスクとして従来用いられていたものとして、図6に示す例が挙げられる。この例では、マスク基板30の広い部分を薄膜部31が占め、その中に全ての図形マスク32が存在し、その外周部のみ厚さ500μm程度の厚膜で構成されている。このマスク基板30は厚膜部分でマスクホールダに固定されるので、厚膜部分はマスク全体の保持機能をも果たしている。また、図7に示す別のマスク基板40の例は特開平2−76216号公報に示されているが、個々の図形マスク42の周囲には、少なくとも一方向に桟状の厚い部分41が設けられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】これらの転写マスクでは、それぞれの図形マスクの上に荷電ビームが連続して照射されるので、これによりマスク基板が加熱され温度上昇が生じる。特に図6に示した転写マスクの場合には、熱抵抗の大きい薄膜部31が広いため、広い範囲で温度勾配が生じ、ビーム照射部分の温度上昇は極めて高くなる。例えば、荷電ビームの加速電圧が50kV、照射ビーム電流が10μAの場合(以下、この照射条件を仮定する)、照射部分の温度上昇は300℃以上にも達する。そして、この発熱の影響が大きく現われるのは、描画中に図形マスク32の選択を変更して、ビーム照射位置を変えたときである。このとき薄膜31内の温度分布は大きく変わり、薄膜31内の広い範囲で熱膨脹に変化が生じる。したがって、この広い範囲の熱膨脹変化によって図形マスク32の位置が変わり、最終的には描画されるウエハ12上でのビーム位置のドリフトとなり、描画装置の性能を劣化させる。さらにこの熱膨脹の変化は定常状態に達するまでに一定の時間を要し、その整定時間は数秒にも及ぶ。偏向器によりビーム偏向によって図形マスクを選択するのに要する時間はたかだかマイクロ秒程度であることを考えると、この熱膨脹の整定に要する時間は非常に長い。このため、これが描画装置高速化に大きな障害となっている。
【0006】一方、図7に示した例は、この影響を小さくするために考案されたもので、一つの図形マスク42の周囲に断面が三角形状の桟41が設けられており、これが熱伝導路の役割を果たしている。したがって、図7の場合は、図6の場合に比べてビーム照射部分の温度上昇は遥かに低く、数十度程度である。しかしこの場合は、熱は殆ど桟41を通って外周に逃げるので、桟41を隔てて隣接する図形マスクの温度は殆ど上昇せず、このため却って、別の図形マスクを選択変更した場合には、その都度数十度の温度変化が生じることになる。このためこの場合にも、この温度変化が一定化するまで何らかの整定時間が必要になるものと思われる。
【0007】本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、図形マスクの選択変更を高速、かつ高効率にできる転写マスクと、これを用いた高スループット荷電ビーム描画装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するために、本発明では、厚膜よりなる転写マスクの基板内に、薄膜化した区画を或る一定の間隔を置いて複数個設け、その区画の中にさらに複数個の図形マスクを設ける。そして、その区画の大きさは荷電ビームの偏向可能範囲以下の大きさとし、その区画内にある図形マスクの選択は荷電ビームの偏向のみによって行う。
【0009】このように一つの区画内の図形マスクは荷電ビームの偏向によって高速に選択できるので、特に高速描画を行う場合には、1枚のウエハの1層分の描画を全て同一区画内にある図形マスクのみで行えるようにする。
【0010】しかし図形パターンが複雑で他の区画の図形マスクを用いる必要がある場合には、マスク基板を機械的に移動して、必要とする区画を荷電ビームの偏向範囲内に移動させ、次いで荷電ビームの偏向により、新しい区画内の図形マスクを選択する。
【0011】また、図形描画中、次の描画に用いる図形マスクがどれであるかという選択情報を描画データの中に含め、この描画データにより、図形マスクを選択するための荷電ビームの偏向手段や、マスク基板を機械的に移動させる移動手段をそれぞれ制御して、一括図形照射方式の描画を行う。
【0012】
【作用】上記の一括図形照射用の転写マスクにおいて、図形マスクを配置する薄膜化した区画の大きさを荷電ビームの偏向範囲以下に狭く制限したこと、また、上記の薄膜化した複数個の区画を厚膜のマスク基板の中に或る一定の間隔を置いて設けたこと、により、発熱源である荷電ビーム照射個所から熱伝導のよい厚膜部までの熱伝導距離が短くなり、照射部の温度上昇は50℃程度に低く抑えられ、かつ、同一区画内における温度差を10℃以下に小さくすることができる。これにより、図形マスクの選択変更を行っても、それが同一区画内にある限り、温度変化は小さく、したがって、熱膨脹変化による図形マスクのドリフトも極めて小さくなる。このため、図形マスクの選択変更後の整定待ち時間を必要とせず、偏向器の偏向速度で図形マスクの選択変更ができる。
【0013】したがって、1枚のウエハの描画を、全て同一区画内の図形マスクのみで行えるようにすると、熱による図形マスクのドリフトを考慮する必要がないので、高速での描画が実現できる。
【0014】しかし、描画図形が複雑で他の区画の図形マスクを選択使用する必要がある場合には、マスク基板の機械的な移動が必要となり、移動に伴う数秒間の整定待ち時間が必要となる。だが本発明の転写マスクでは、同一区画内に10個前後の図形マスクが設けられているので、予め図形マスクの配置や区画分けを十分に考慮しておくことにより、マスク基板の機械的移動の回数を大幅に減らすことができ、描画時間の遅延を大幅に低減することができる。
【0015】さらに描画装置の描画データの中に、図形マスクの選択情報や選択動作順序などの図形照射に必要な全ての情報を含ませることにより、本発明の転写マスクを有効に、かつ効率よく動作させることができる。
【0016】
【実施例】図1は本発明に係る転写マスクの一実施例を示し、図2は上記転写マスクの薄膜区画内に配置された図形マスクの例を、図3は図2の図形マスクを用いて露光された描画パターンの例を、さらに図4は本発明に係る転写マスクを用いた荷電ビーム描画装置の概略図を、それぞれ示している。
【0017】まず、図1に示した転写マスクは、表裏反転して示してある。したがって実際には、荷電ビームは図1に示した転写マスクの裏側から入射し、図形マスクの開口部を通り抜けて表側に通過してゆく。この転写マスクの基板10は、シリコンの厚膜と薄膜をシリコン酸化膜を介して貼り合わせたウエハを材料とし、これに半導体製造で用いられる微細加工技術により加工されたものである。図1の転写マスクの基板10は外形が10mm角の正方形であり、この厚膜基板の中に16個の薄膜化した区画101〜116が配置されている。この区画101〜116の部分は厚膜シリコン層と酸化層とが除去されていて、厚さ20〜30μmの薄膜となっている。その他の基板部分は、上記のウエハと同じ厚膜である。この薄膜化した区画101〜116内には、荷電ビームの形状を成形する種々の形状の図形マスクが配置されている。このように図形マスク部の基板の厚さを薄くするのは、図形マスクの形状を高精度に加工するためである。図2は図1に示した転写マスクの中の一つの区画101を拡大したもので、一つの区画の中に9個の図形マスク101(a)〜101(i)が配置されている。なお、図2の斜線部は図形マスクの開口部である。また、この区画101の大きさは500μm角であり、図4における描画装置の荷電ビーム偏向器3の偏向範囲を越えないようにしてある。
【0018】図3は半導体メモリの或る層の描画パターンの例を示したものである。半導体メモリの場合、メモリセル部の図形は繰り返しパターンになるので、一つの図形マスクで広い範囲の描画ができるが、周辺回路部では、数種の図形マスクの組合せ描画が必要になる。図3の描画パターンは、図2に示した区画101内の9種の図形マスク101(a)〜101(i)のうち、4種101(a)〜101(d)を用いて描画したもので、図3中の点線による範囲101(a)′〜101(d)′は、図2の図形マスク101(a)〜101(d)によって、それぞれ描画されたものである。
【0019】ところで、この転写マスクを実際に使用する場合、同じ図形マスクに連続して荷電ビームを照射し続けることが多く、マスク面に衝突した荷電ビームのエネルギーは全て熱に変換するので、マスク面に温度上昇が生じる。特に図形マスクが存在する領域は薄膜なので熱伝導の抵抗が大きく、この薄膜領域に大きな温度上昇と温度分布とが生じる。
【0020】しかし、図1,図2に示した本発明に係る転写マスクの場合には、例えば一つの区画101内にある複数個の図形マスク101(a)〜101(i)のうちの一つにビームが照射されたとき、それにより区画内全体の温度は上昇するが、薄膜の領域が狭いので温度勾配が生じる範囲が狭く、同一区画内に存在する複数の図形マスク101(a)〜101(i)間の温度差は10℃以下と、極めて小さい。このため、同一区画内で図形マスクの選択を変更した場合には、その区画内での熱膨脹変化による図形マスクの位置ずれは極めて小さく、殆ど整定待ち時間を必要としない。したがって、同一区画内の図形マスクを使用する限り、図形マスクの選択変更は荷電ビームの偏向により高速に行うことができる。逆に、1枚のウエハの1層分の図形を、全て、同一区画内の図形マスクのみで描画する場合には、極めて高速の描画が実現できる。
【0021】しかし、描画する図形が複雑な場合には、使用する図形マスクの種類も多くなり、異なる区画にある図形マスクを選択使用せざるを得なくなる。この場合には、図4に示されているように、機械的な移動機構4によりマスク基板10全体を移動させ、目的とする新しい区画を荷電ビームの偏向範囲内に位置させる。そしてこの場合には、新しい区画内の温度はビーム照射前と後で50℃前後も変化する。このため、新しい区画を選択した場合には、その区画内の熱の状態が定常化するまでに、やはり数秒間の整定時間を要する。しかし、本発明に係る転写マスクの場合、一つの区画の中に複数個、例えば図2の場合には9個の図形マスクが存在するので、これらの図形マスクの配置や区画分けを予め十分に考慮しておけば、マスク基板10全体の機械的移動の回数は大幅に低減でき、結果的に高速描画が実現できる。
【0022】これに対して図7の例の場合には、各図形マスク42の間に或る幅の桟41が設けられていてかなりの面積を占めているので、荷電ビームの偏向のみによって選択できる図形マスク42の数は極く少数に限られる。したがって、マスク基板40を機械的に移動する回数は必然的に多くなり、全体の描画速度に影響が出る。
【0023】ところで、図4に示した本発明に係る転写マスクを用いた荷電ビーム描画装置では、まず、荷電ビーム源1を出射した荷電ビームは矩形絞り2により断面が矩形に成形され、偏向器3を通ってマスク基板10を照射する。そして荷電ビームは偏向器3により偏向され、所望の図形マスクを選択して照射する。この図形マスクの選択変更に際しては、次に使用する図形マスクがどれであるかという情報と、その図形マスクをどのような手順で選択するかという選択手順情報とを、描画データとして描画データメモリ6の中に持っている。そして、選択する図形が同一区画内にある場合には、CPU5からの命令によって、選択のための制御情報をバスライン11を通して偏向器コントローラ7へ送り、偏向器3により図形マスクの選択変更を行う。また、選択する図形マスクが異なる区画にある場合には、描画データとCPU5からの命令により、マスク基板10の移動のための制御情報をマスクステージコントローラ8に送り、マスク基板10全体を移動機構4により移動させ、次いで偏向器3の制御情報を偏向器コントローラ7に送り、図形マスクの選択を行う。そして、それぞれの図形に成形された荷電ビームをウエハ12上に順次照射して描画し、さらに試料ステージ100を試料ステージコントローラ9により移動させて、ウエハ12全面の描画を行う。こうして1枚のウエハ12の描画が終り、次のウエハと交換する際にも、予め次の図形マスクの選択情報を描画データの中に入れて置けば、ウエハ交換中にも次の図形マスクの選択が行えるため、効率のよい描画が可能になる。
【0024】次に、以下に、本発明に係る転写マスクの製造工程を、図5を用いて説明する。図5(a)〜(d)は、マスク基板となるシリコンウエハ70の断面図である。材料は、図5(a)に示すように、2層のシリコン層71,72とその間のシリコン酸化膜73からなる貼り合わせ基板で、シリコン層71の厚さは500μm、層72は20〜30μm、シリコン酸化膜73の厚さは数μmである。なお、シリコン基板の面方位は〔100〕である。
【0025】まず、図5(b)に示すように、シリコンウエハ70の上面にビーム成形用の開口部、すなわち図形マスクのパターンを露光し、薄膜側シリコン72をエッチングしてビーム成形用の開口部75を作る。次に、薄膜区画を作るために、図5(c)に示すように、シリコン基板71の下面に、レジストにより薄膜区画形成用のパターニング76を上面の図形マスク75の位置に合わせて行う。最後に、図5(d)に示すように、薄膜形成のために下面をエッチングする。エッチングはアルカリ水溶液による異方性エッチングである。いま、薄膜区画77の大きさを一辺500μmの正方形とすると、シリコン基板71の最下面での区画の一辺L1は約1200μmとなる。マスク基板10全体の大きさは一辺が10mmなので、最下面でみたとき、薄膜区画77は、約1mm幅の厚膜枠の中に形成された形となる。
【0026】ところで、このような転写マスクを実際に使用する場合には、例えば図7の従来例のものでは、図8に示すように、マスク基板40を外周部でマスクホールダ80に銀ペーストなどで接着し、一体化して使用する。こうすることで、転写マスク全体の取扱いを容易にし、かつ、ビーム照射時のマスク基板40からの熱の排出を容易にする。
【0027】一方、本発明に係る転写マスクの基板10では、薄膜区画を同一厚さの厚膜の中に分離して設けたので、図9に示すように、外周部だけでなく、区画間の枠の部分でもホールダ81に接着でき、ビーム照射時の熱の排出を一段と効率よく行うことができる。
【0028】以上の実施例では、ウエハ上への直接描画の例について述べたが、その他に、縮小投影露光用マスクやX線露光用マスクなどの作製にも適用でき、同様な効果が得られる。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る転写マスクでは、図形マスクが配置される薄膜区画の大きさを荷電ビームの偏向範囲内に狭く限定したので、描画時の上記図形マスク部の熱ドリフトを極小に抑えることができ、したがって同一区画内の複数個の図形マスクをビーム偏向で高速に選択変更できるので、これにより、高速な一括図形照射方式の荷電ビーム描画装置を実現することができる。




 

 


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