電子線描画装置

電子線描画装置：半導体製造の精密技術

電子線描画装置は、電子線を活用して極めて微細なパターンを基板上に描画する装置です。走査型[電子顕微鏡]の技術を応用しており、主に半導体製造工程におけるレチクル（回路パターンを転写するためのマスク）の作成や、ウェハーへの直接描画（ダイレクト描画）に使用されています。電子銃から放出された電子線は、電子レンズやアパーチャー、デフレクタなどの光学系を通過し、精密に制御されたX-Y-Zステージによって移動しながら、マスクブランクスやウェハー上に照射されます。この高度な制御により、微細な回路パターンを正確に形成することが可能になります。

電子線描画装置の種類

電子線描画装置は、電子線の形状や照射方法によっていくつかの種類に分類されます。

1. スポットビーム（ポイントビーム）方式:

この方式では、電子銃から円形断面の電子線が照射されます。偏向器とX-Yステージの協調動作により、電子線を連続的に走査することでパターンを描画します。ビーム径は調整可能で、数十nmから数nmレベルの微細パターン形成が可能です。スループット（生産性）は低いものの、極めて微細なパターン形成が必要な次世代半導体デバイスの試作やMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）の研究開発などに適しています。

2. 可変成形ビーム（矩形ビーム）方式:

電子銃から発せられた電子線は、成形アパーチャーと呼ばれる矩形の開口を通過することで矩形形状に変換されます。スポットビーム方式と同様に、X-Yステージの移動と同期して連続照射し描画を行います。スポットビーム方式に比べて微細パターン形成能力は劣りますが、1ショットあたりの描画面積が大きく、スループットが高いことが特徴です。そのため、レチクルの量産工程や、量産向けのLSI製造などに適しています。

3. Character Projection (CP)方式:

特定形状の開口を複数個形成したマスクを用いて、同一形状のパターンを低加速電子ビームで一度に露光する方式です。ショット数を削減することで高速化を実現し、可変成形ビーム方式と組み合わせることで、ウェハーへの露光スループットを大幅に向上させることができます。

電子線描画装置の機構

電子線描画装置の機構はSEMと類似していますが、精密な微細移動機構、高真空制御、微細測長機能、温度制御、ブランキング機構、ビーム径測定機構、高さ検出器などが追加・改良されています。一部メーカーでは、既存のSEMを改造して電子線描画装置にアップグレードするサービスも提供されています。

主な構成要素:

電子線源（電子銃）: スポットビーム方式では熱電子電界放出型（T-FEG）が、矩形ビーム方式ではLaB6単結晶が広く用いられます。
ブランキング機構: 電子線の照射を一時的に遮断する機構で、ステージ移動時などに不要な描画を防ぎます。電子線偏向器やブランキング専用アパーチャーなどが用いられます。
高電圧発生部: 10kV～100kVの高電圧を安定的に供給します。
電子レンズ: 電子線を収束・集束させ、焦点合わせを行います。
偏向器（デフレクタ）: 電子線を任意の位置に照射するための偏向機構です。X-Y-Zステージでは制御困難な数十μm～nm単位の微細な位置調整を行います。
収差補正機構: 各種収差を補正し、高精度な描画を実現します。
X-Y-Zステージ: マスクブランクスやウェハーを高精度に移動させます。真空チャンバー内外のモーター、レーザー干渉式測長器、非磁性真空モーター、リニアスケールなどが用いられます。
反射電子検出器、二次電子検出器: 描画位置検出やウェハー表面状態の観察などに使用されます。
高さ検出器: ウェハーやマスクの高さを測定し、フォーカス調整を行います。
電流検出器: 電子線量のモニタリングを行います。
ビーム径測定機構: 電子線の大きさを測定します。
高真空制御機構: 高真空環境を維持するために、複数の真空ポンプと真空計が用いられます。
* 温度制御機構: 電子レンズ、ステージなどの温度を制御し、安定した動作を確保します。

主要メーカー

電子線描画装置は、高い技術力と精密な製造技術が求められるため、世界的に見ても限られたメーカーが製造しています。主要メーカーとしては、ニューフレアテクノロジー、日本電子、日立ハイテクノロジーズなどが挙げられます。

まとめ

電子線描画装置は、半導体製造において不可欠な装置であり、その技術革新は常に最先端の半導体技術を支えています。今後も、さらなる微細化、高精度化、高速化が求められ、技術開発が継続されることが予想されます。

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