JP2005276639A - 走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 対物レンズの中心位置に対物レンズ絞りの選択された開口の中心位置を自動的に一致させることができる走査電子顕微鏡等の対物レンズ絞りの位置調整方法を実現する。
【解決手段】 電子ビームを対物レンズ１７によって目的物２０上に集束すると共に、複数の開口を有した対物レンズ絞り１９が設けられる。対物レンズ絞り１９は複数の大きさの異なった開口を有しておりその内の一つを選択して用いるようにし、目的物２０に照射される電子ビームの開き角や電流量を調整する。選択した開口の中心と対物レンズの中心とを一致させるため、対物レンズ１７による電子ビームのフォーカスの状態を複数の段階に切り換え、それぞれのフォーカスの状態において、目的物上に設けられたナイフエッジの端部やクロスマークの中心位置等の特定位置を測定し、それぞれのフォーカスの状態において、測定した特定位置が一致するように、対物レンズ絞りの位置を自動的に調整する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、走査電子顕微鏡や、半導体デバイスの製造過程で、レジストが塗布されたウェハ上に所望のパターンを電子ビームを偏向させて描画したり、ステッパ用のマスクの製造時に、表面にレジストが塗布されたマスク乾板上で電子ビームを偏向移動させ、マスクパターンを描画する荷電粒子ビーム描画装置などの電子ビームを目標物上で移動（走査）する走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法に関する。

電子ビーム描画装置は、表面にレジストが塗布されたウェハやマスク乾板上に電子ビームによって微細なパターンを描画し、描画部分のレジストを感光させる装置である。電子ビーム描画装置で所定のパターンの描画が終了すると、ウェハあるいはマスク乾板は、その後現像処理、エッチング処理等が行われ、ウェハ上に特定の回路が形成され、あるいは、マスク乾板に所望パターンのマスクが形成される。

この電子ビーム描画装置は、超微細デバイスや量子細線などのナノメートル領域の超微細パターンの描画に不可欠な重要な技術である。この電子ビーム描画装置は、被描画材料に照射される電子ビームの形状によって、スポットビームタイプ、可変成形ビームタイプ、プロジェクションビームタイプに大別される。通常、スポットビームタイプの電子ビーム描画装置では、試料に照射される電子ビームの開き角を対物レンズ絞りの開口の大きさによって制限している。対物レンズ絞りは円形の開口を複数備えており、それらの項の径は相違しており、複数の径の異なった円形の開口を直線状に並べた絞り板を準備し、そのうちのいずれかの開口を電子ビーム装置の光軸上に配置する。

この対物レンズ絞りの径の異なった開口を変え、更に、対物レンズ絞りの上段に設けられたズームレンズ（コンデンサレンズ）の励磁強度を調整すれば、走査電子顕微鏡であれば試料上（結像面）でのビーム径や電流量を任意に変えることができる。また、電子ビーム描画装置では、被描画材料の表面（結像面）におけるビーム径や電流量を任意に変えることができる。

このようにして対物レンズ絞りの異なった径の開口を選択しているが、特定の径の開口を対物レンズ絞りとして用いた場合、常にその対物レンズ絞りの開口の中心を、光軸と一致させている対物レンズ中心と一致させなければならない。対物レンズやアパーチャ、コンデンサレンズ等の電子光学系の軸合わせを行っている例は多く、例えば、特許文献１を参照することができる。
特開平７−３３５１５８号公報

現在、光軸調整時における対物レンズ中心位置への対物レンズ絞りの開口中心位置調整（センタリング調整）は、走査電子顕微鏡画像の観察と、ウォブラー機能とを併せて行っている。なお、ここで使用されるウォブラー機能とは、対物レンズのレンズ値（励磁電流量）を正弦波で変調して、電子ビームのフォーカス状態を変調する機能である。

オペレータは、対物レンズ絞りの位置調整を行う場合、試料上の所望のマークを走査電子顕微鏡像で観察できるように、試料ステージを移動させる。マークが画面上に表示された段階で、適宜な精度で電子ビームのフォーカス合わせを行い、その後ウォブラー機能を動作させる。この機能が動作させられると、電子ビームはアンダーフォーカスの状態からオーバーフォーカスの状態との間でフォーカス状態が変化する。

更に、フォーカス状態が変化すると共に、画面上のマークの位置がＸ、Ｙ方向に変化する。オペレータは、画面のマーク像を見ながら、対物レンズ絞りの位置をＸ方向に微動調整させ、画面上のマークがフォーカスの変化によらず、常にＸ方向の位置が変わらず固定された状態に調整する。更に、オペレータは、画面のマーク像を見ながら、対物レンズ絞りの位置をＹ方向に微動調整させ、画面上のマークがフォーカスの変化によらず、常にＹ方向の位置が変わらず固定された状態に調整する。

このようにして、観察画面上のマークの位置が、フォーカスの変化に対しても移動しないように対物レンズ絞り位置を調整すれば、対物レンズ絞りの内の選択された径の開口は、対物レンズ中心と一致させることができる。しかしながら、対物レンズ絞りの調整をオペレータによる走査電子顕微鏡像の観察に頼って行っているため、調整に対して個人差が生じ、常に一定の高い精度での位置合わせを行うことができない。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、その目的は、対物レンズの中心位置に対物レンズ絞りの選択された開口の中心位置を自動的に一致させ、位置合わせの個人差をなくすと共に、高い精度での位置合わせを行うことができる走査電子顕微鏡等の走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法を実現するにある。

請求項１の発明に基づく走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法は、電子ビームを対物レンズによって目的物上に集束すると共に、複数の大きさの異なった開口を有した対物レンズ絞りを設け、対物レンズ絞りの複数の開口を選択して用いるようにし、電子ビームの目的物上の照射位置を電子ビームを偏向することによって移動させるようにした走査型電子ビーム装置において、対物レンズによる電子ビームのフォーカスの状態を複数の段階に切り換え、それぞれのフォーカスの状態において、目的物上に設けられた特定位置を測定し、それぞれのフォーカスの状態において、測定した特定位置が一致するように、対物レンズ絞りの位置を調整するようにしたことを特徴としている。

請求項２の発明に基づく走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法は、走査電子顕微鏡において対物レンズ絞りの位置調整を行うようにしたことを特徴としている。

請求項３の発明に基づく走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法は、電子ビーム描画装置において対物レンズ絞りの位置調整を行うようにしたことを特徴としている。

請求項４の発明に基づく走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法は、目的物上に設けられた特定位置として、Ｘ方向とＹ方向の直交する端部を有したナイフエッジ位置を用い、それぞれのナイフエッジを横切って電子ビームを走査し、ナイフエッジ位置を求めるようにしたことを特徴としている。

請求項５の発明に基づく走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法は、目的物上に設けられた特定位置として、Ｘ方向とＸ方向に直交するＹ方向に伸びる帯状のマークの中心位置であり、それぞれの帯状マークを横切って電子ビームの走査を行い、走査に伴って得られた信号に基づいてそれぞれの帯状マークの中心位置を求めるようにしたことを特徴としている。

請求項１の発明に基づく走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法は、電子ビームを対物レンズによって目的物上に集束すると共に、複数の大きさの異なった開口を有した対物レンズ絞りを設け、対物レンズ絞りの複数の開口を選択して用いるようにし、電子ビームの目的物上の照射位置を電子ビームを偏向することによって移動させるようにした走査型電子ビーム装置において、対物レンズによる電子ビームのフォーカスの状態を複数の段階に切り換え、それぞれのフォーカスの状態において、目的物上に設けられた特定位置を測定し、それぞれのフォーカスの状態において、測定した特定位置が一致するように、対物レンズ絞りの位置を調整するようにしたことを特徴としている。この結果、対物レンズ絞りの位置調整をオペレータが走査電子顕微鏡像を観察しながら行うことなく自動的に対物レンズの中心と対物レンズ絞りの開口の中心とを位置合わせすることができる。

請求項２の発明に基づく走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法は、走査電子顕微鏡において対物レンズ絞りの位置調整を行うようにしたことを特徴としている。その結果、オペレータが走査電子顕微鏡像を観察しながら絞り位置の調整をする必要がなくなり、走査電子顕微鏡のオペレータの負担が軽くなる。

請求項３の発明に基づく走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法は、電子ビーム描画装置において対物レンズ絞りの位置調整を行うようにしたことを特徴としている。その結果、オペレータが走査電子顕微鏡像を観察しながら絞り位置の調整をする必要がなくなり、電子ビーム描画装置のオペレータの負担が軽くなる。

請求項４の発明に基づく走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法は、目的物上に設けられた特定位置として、Ｘ方向とＹ方向の直交する端部を有したナイフエッジ位置を用い、それぞれのナイフエッジを横切って電子ビームを走査し、ナイフエッジ位置を求めるようにしたことを特徴としている。この結果、対物レンズ絞り位置の調整の自動化が可能となる。

請求項５の発明に基づく走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法は、目的物上に設けられた特定位置として、Ｘ方向とＸ方向に直交するＹ方向に伸びる帯状のマークの中心位置であり、それぞれの帯状マークを横切って電子ビームの走査を行い、走査に伴って得られた信号に基づいてそれぞれの帯状マークの中心位置を求めるようにしたことを特徴としている。この結果、対物レンズ絞りの位置の調整をマーク検出信号に基づいて自動的に行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。最初に本発明の原理について説明する。図１は、対物レンズ１と対物レンズ絞り２と、電子ビームのフォーカス状態の関係を示しており、上段のコンデンサレンズ（図示せず）によって集束された電子ビームＥＢは、対物レンズ絞り２の開口３を通過して対物レンズ１に入射し、対物レンズ１によって、通常試料が配置される位置に、試料に代えて配置されたナイフエッジ検出器４上にフォーカスされる。

ナイフエッジ検出器４は、図２に示すようなナイフエッジ５と電子検出器として動作するファラデーカップ６とより成る。ナイフエッジ５は、図３の平面図に示すように、四角い開口（開口）７を有した金属製の板であり、開口７の端部は、高い精度で直線性が保たれており、Ｘ方向の端部ＸｔとＹ方向の端部Ｙｔとは正確に直角の関係とされている。なお、対物レンズ１の磁場内には、電子ビームの偏向器８が設けられている。

図１は、対物レンズ１の中心と、対物レンズ絞り２の開口３の中心とが一致しているケースであり、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、対物レンズ１を制御してフォーカス状態を変化させても、検出器４のナイフエッジ５の表面上の電子ビームの中心位置は変化しない。すなわち、電子ビームの中心Ｃは常に光軸Ｏ上に位置する。なお、図１（ａ）は、電子ビームがアンダーフォーカスの状態、図１（ｂ）は、電子ビームがナイフエッジ検出器４のナイフエッジの表面にフォーカスされている状態、図１（ｃ）は、電子ビームがオーバーフォーカスの状態を示している。

図４は、対物レンズ１の中心と、対物レンズ絞り２の開口３の中心とがずれているケースであり、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、対物レンズ１を制御してフォーカス状態を変化させると、検出器４のナイフエッジ５の表面上の電子ビームの中心Ｃの位置は、フォーカスの状態に応じて変化する。なお、図４（ａ）は、電子ビームがアンダーフォーカスの状態、図４（ｂ）は、電子ビームがナイフエッジ検出器４のナイフエッジの表面にフォーカスされている状態、図４（ｃ）は、電子ビームがオーバーフォーカスの状態を示している。

この対物レンズ絞りの開口３の中心と対物レンズ１の中心とが一致していない場合、対物レンズ１を制御してフォーカス状態を変化させると、電子ビームの中心位置Ｃは、フォーカス状態の変化に対して光軸（対物レンズの中心位置）からずれていき、特定の方向に変化していく。図４の例では、電子ビームのフォーカス状態を、図４（ａ）のアンダーの状態から図４（ｃ）のオーバーの状態に変化させると、電子ビームの中心位置は、＋Ｘ方向に変化する。

この場合に、ナイフエッジ法によって走査面内のナイフエッジ位置を測定すると、その位置は、フォーカス状態が異なると変化する。図４の例では、電子ビームのフォーカス状態を、図４（ａ）のアンダーの状態から図４（ｃ）のオーバーの状態に変化させると、走査面内のナイフエッジ位置は、電子ビームの中心位置Ｃの変化に対して逆方向の−Ｘ方向に変化することになる。したがって、この変化量がなくなるように対物レンズ絞りの位置を調整すると、対物レンズ絞りを対物レンズ中心に配置させることができる。

したがって、本発明の一実施の形態では、対物レンズ１を制御してナイフエッジ検出器４上のフォーカス状態を変化させ、それぞれのフォーカス状態において、偏向器８を駆動し、例えば、ナイフエッジ５のＸ方向の端部Ｘｔを横切って電子ビームを走査する。この電子ビームの走査に伴って、最初はナイフエッジ５によって電子ビームは遮られ、ファラデーカップ６には電子ビームが検出されない。電子ビームが走査により移動し、ナイフエッジ５のＸ方向の端部Ｘｔ部に至ると、徐々に電子ビームが端部Ｘｔからはみ出し、ファラデーカップ６によって検出されるようになる。

図５はファラデーカップ６によって検出された電子ビームの検出信号であり、信号曲線Ｓｕは電子ビームがアンダーフォーカスの状態の時に得られた信号であり、信号曲線Ｓｏは電子ビームがオーバーフォーカスの状態の時に得られた信号である。この２種の信号のずれΔは、対物レンズ絞り２の開口３の中心位置と対物レンズ１の中心との間のずれ量に比例するものであり、このずれ量Δが０になるように対物レンズ絞り２の位置を機械的に移動させれば、絞り２の開口３の中心と対物レンズ１の中心とを一致させることができる。

図６は本発明に基づく走査電子顕微鏡の一例を示しており、１１は内部が真空に排気された真空筐体である。真空筐体１１の上部には、電子銃１２が配置されており、この電子銃１２は電子銃制御部１３によってその加速電圧やビーム電流量の調整がなされる。電子銃１２の下部には、電子ビームのブランキング電極１４が位置されている。ブランキング電極１４は、ブランキング制御部１５によって製御され、後述する電子ビームの走査に同期して、電子ビームをブランキングする。

ブランキング電極１４の下部には、ズームレンズ（コンデンサレンズ）１６が設けられ、ズームレンズ１６により電子ビームは集束される。このズームレンズ１６は、最終段のレンズである対物レンズ１７と共に、電子光学系制御部１８によって制御され、電子ビームを細く集束する作用を有すると共に、ズームレンズ１６の下部に設けられた対物レンズ絞り１９によって、試料２０ｓに照射される電子ビームの電流量の制御を行う。この試料２０ｓは、対物レンズ１７の中心と対物レンズ絞り１９の開口の中心とを一致させる動作の場合には、試料２０ｓに代えて図２に示すような、ナイフエッジ５とファラデーカップ６より成るナイフエッジ検出器２０ｄが配置される。なお、試料２０ｓとナイフエッジ検出器２０ｄとは、試料ステージ２６上に配置されており、試料の上面とナイフエッジ検出器のナイフエッジの表面とは、ほぼ同一高さに調整されている。

なお、対物レンズ絞り１９の電子ビームの光軸に垂直なＸＹ平面の位置は、絞り駆動部２１によって移動させられる。絞り駆動部２１は、例えば、Ｘ、Ｙ方向に絞り１９を移動させるためのモータが備えられており、モーターの回転により、絞りの位置を精密に移動させることができる。絞り駆動系２１は、対物レンズ絞り制御系２２によって制御される。

対物レンズ１７の近傍には２段の静電型偏向器２３が設けられているが、偏向器２３に印加される偏向電圧は、ビーム走査制御系２４によって制御される。ナイフエッジ検出器２０からの検出信号は、信号検出系２５に供給される。ナイフエッジ検出器２０ｄ（試料２０ｓ）は、Ｘ、Ｙ移動ステージ２６上に載せられ、電子光学系の位置合わせを行う際にはナイフエッジ検出器２０ｄが光軸下に移動させられ、試料の走査像を観察する際には、試料２０ｓが光軸下に移動させられる。この移動ステージ２６は、移動ステージ制御系２７によってその移動が制御される。

上記した電子銃制御系１３，ビームブランキング制御系１５，電子光学制御系１８、対物レンズ絞り制御系２２，ビーム走査制御系２４，信号検出系２５，移動ステージ制御系２７は、制御ＣＰＵ２８によってコントロールされる。このような構成の動作を次に説明する。

図６の走査電子顕微鏡における通常の走査像の観察時には、筐体１１内部は真空に排気され、制御ＣＰＵ２８は移動ステージ制御系２７を制御し、試料ステージ２６上に配置された試料部分２０ｓを電子ビームの光軸上に配置されるようにステージを移動させる。試料ステージ２６上には試料２０ｓが配置されると、電子銃１２から発生し加速された電子ビームは、ズームレンズ１６，対物レンズ１７によって試料２０ｓ上に細く集束される。更に電子ビームは偏向器２３への走査電圧の供給により偏向され、試料２０ｓの所望領域が細く絞られた電子ビームによって２次元的に走査されることになる。

なお、この際、走査制御系からの走査信号に同期して、ビームブランキング制御系１５が制御され、例えば、電子ビームの２次元走査における帰線期間、ビームの試料への照射を停止するようにブランキング電極１４にブランキング電圧を印加する。試料２０ｓへの電子ビームの照射によって、試料から発生した、例えば２次電子は、図示していない２次電子検出器によって検出される。検出された２次電子信号は、図示していないディスプレイに供給される。このディスプレイには、走査制御系２４からの走査信号が同期信号として供給されることから、ディスプレイ上には、試料２０ｓの走査２次電子像が表示されることになる。次に対物レンズ１７の中心と対物レンズ絞り１９の開口の中心とを一致させる動作について説明する。

まず、対物レンズ絞りと対物レンズとの位置合わせの動作を実行する前に、制御ＣＰＵ２８に必要なパラメータの入力を行う。入力パラメータとしては、電子ビームのフォーカスの変更幅、ナイフエッジ位置許容値などが含まれる。このフォーカス変更幅とは、フォーカスをアンダー、オーバーフォーカス状態にするときの対物レンズ１７に流す電流の±の変化量を設定するものであり、ナイフエッジ位置許容値は、自動センタリング調整時の収束条件である。これらの入力パラメータは、あらかじめ経験的に決定した値を設定する。

このパラメータの入力が終了後、最初に、制御ＣＰＵ２８からの指令により、移動ステージ制御系がコントロールされ、移動ステージが移動されて、ステージ２６上の電子ビーム光軸上には、試料２０ｓに代えてナイフエッジ検出器２０ｄが配置される。次に、対物レンズ絞り制御系２２がコントロールされ、絞り駆動部２１により絞り１９を移動させ、対物レンズ絞り１９を対物レンズ１７の中心付近に配置しておく。このような状態で、電子光学制御系１８はコントロールされ、電子ビームが検出器２０ｄのナイフエッジ部表面上付近にアンダーフォーカスされるように、ズームレンズ１６と対物レンズ１７は制御される。

上記した状態で、ビーム走査制御系２４をコントロールし、偏向器２３によって電子ビームをナイフエッジ検出器（ナイフエッジ法測定器）２０ｄ上で走査する。このナイフエッジ１９の表面上をＸ方向に走査することによって、ナイフエッジ検出器２０ｄから電流検出信号が得られ、この電流検出信号は、信号検出系２５を介して制御ＣＰＵ２８に供給される。この電流検出信号をプロットすると、図５に示す信号が得られる。図５の検出信号のグラフの横軸は電子ビームの走査位置であり、縦軸は検出信号強度を示している。

この図から明らかなように、走査の初期段階では、電子ビーム全部がナイフエッジを構成する金属板部分によって遮蔽され、電子ビームは検出されない。電子ビームの走査により電子ビームの照射位置が移動して、ナイフエッジ部分に到達すると、徐々に電子ビームはナイフエッジの開口を通過して、ナイフエッジ下部に設けられたファラデーカップによって検出される。電子ビームが更に移動され、電子ビームの全てがナイフエッジの金属板によって遮蔽されず、ファラデーカップに入射して検出される。

この関係は、次の誤差関数として表すことができる。
ｆ（ｘ）＝ａ０・ｅｒｆ｛（ｘ−ａ１）／ａ２）＋ａ３
ここでｅｒｆは誤差関数を表す。上式において、ａ１が電子ビームの中心位置を表し、この位置をナイフエッジ位置とする。すなわち、ナイフエッジ位置Ｘｕ、Ｙｕの測定は、制御ＣＰＵ２８に取り込んだデータを数値解析（データを上式でフィッティングする）し、上式のａ１を求めるものである。この際、データを１階、２階、・・・微分として数値計算を行い、フィッティングを行っても良い。このような測定をＸ、Ｙ方向に対してそれぞれ行い、ナイフエッジ位置Ｘｕ、Ｙｕをそれぞれ決定する。なお、Ｘ、Ｙ方向の測定順序は逆にしても良い。

アンダーフォーカス状態でのナイフエッジ位置の測定後、制御ＣＰＵ２８から電子光学制御系１８がコントロールされ、対物レンズ１７に流す電流を入力パラメータのフォーカス変更幅にしたがって変更し、電子ビームのフォーカスをオーバーフォーカスの状態とする。そして、前記アンダーフォーカスの状態で測定したと同様の方法でオーバーフォーカスの状態におけるナイフエッジ位置Ｘo、Ｙoを測定する。なお、アンダーフォーカス状態とオーバーフォーカス状態のナイフエッジ位置の測定順序は逆にしても良い。

アンダーフォーカス状態とオーバーフォーカス状態のナイフエッジ位置の測定後、Ｘ、Ｙそれぞれの方向でアンダーフォーカス状態とオーバーフォーカス状態のナイフエッジ位置の差ΔＸ、ΔＹが算出される。

ΔＸ＝Ｘｕ−Ｘｏ
ΔＹ＝Ｙｕ−Ｙｏ
この差は、対物レンズ１７の中心に対して、対物レンズ絞り１９の位置がずれていることによって生じることは前に述べた。図１を参照して説明したとおり、対物レンズ絞り１９が対物レンズ１７の中心に配置されているとき、対物レンズを制御してフォーカス状態を変化させても、電子ビームの中心位置は変化しない。したがって、この場合にナイフエッジ法によって走査面内のナイフエッジ位置を測定しても、その位置はフォーカス状態が異なっても変化せず、一定である。

しかしながら、図４に示すように、対物レンズ絞りが対物レンズの中心に配置されていない場合には、対物レンズを制御してフォーカス状態を変化させると、電子ビームの中心位置は、フォーカス状態の変化に対応して特定の方向に移動していく。図４の場合では、アンダーからオーバーへフォーカス状態が変化すると、電子ビームの中心位置は、＋Ｘ方向に変化している。

この場合に、ナイフエッジ法によって走査面内のナイフエッジ位置を測定すると、その位置は、フォーカス状態が異なると変化する。図４のケースでは、アンダーからオーバーへフォーカスが変化すると、走査面内のナイフエッジ位置は、電子ビームの中心位置とは逆方向の−Ｘ方向に変化する。したがって、アンダーとオーバーフォーカス時のナイフエッジ位置に変化が生じる。

制御ＣＰＵ２８は、ΔＸ、ΔＹの算出後、ΔＸ、ΔＹの絶対値│ΔＸ│、│ΔＹ│を入力パラメータによって設定したナイフエッジ位置許容値と比較し、共にナイフエッジ位置許容値以内であれば、調整を終了する。このとき、│ΔＸ│、│ΔＹ│のどちらか一方でもナイフエッジ位置許容値以上であれば、制御ＣＰＵ２８から対物レンズ絞り制御系２２をコントロールし、対物レンズ絞り駆動部２１を駆動して、対物レンズ絞り１９の位置を調整する。

上記したように、│ΔＸ│、│ΔＹ│のどちらか一方でもナイフエッジ位置許容値以上であれば、制御ＣＰＵ２８から対物レンズ絞り制御系２２をコントロールし、対物レンズ絞り駆動部２１を駆動して、対物レンズ絞り１９の位置を調整するが、この調整時の対物レンズ絞り１９の移動方向と移動量は、ΔＸ、ΔＹから経験的に決定する。例えば、それらが線形関係にしたがうとすると、対物レンズ絞りの移動量Ｌ１，Ｌ２は、次の関係式によって決定される。なお、移動量Ｌ１，Ｌ２の方向は直交する。

Ｌ１＝ａΔＸ＋ｂΔＹ
Ｌ２＝ｃΔＸ、ｄΔＹ
対物レンズ絞りの調整後、再びアンダーとオーバーフォーカス状態のナイフエッジ位置を測定し、ΔＸ、ΔＹの絶対値│ΔＸ│、│ΔＹ│を、設定したナイフエッジ位置許容値と比較する。ΔＸ、ΔＹの絶対値│ΔＸ│、│ΔＹ│が設定したナイフエッジ位置許容値以内に収まるまで、調整を繰り返すことによって、対物レンズ絞りを対物レンズ中心に自動的に配置することが可能となる。
この検出信号の変曲点の中間位置Ｃがナイフエッジ位置である。このナイフエッジ位置Ｃは、相対的には電子ビームのビーム中心位置と等しい。その後、電子光学系制御系１４をコントロールして、対物レンズ１７により電子ビームのフォーカス状態をナイフエッジ検出器２０ｄの表面上でアンダーフォーカスおよびオーバーフォーカスの状態とする。このアンダーフォーカスの状態とオーバーフォーカスの状態とのそれぞれの状態で、ビーム走査制御系２４をコントロールし、偏向器２３によって電子ビームをナイフエッジ検出器（ナイフエッジ法測定器）２０ｄ上でＸ方向に走査する。

この２つの状態で電子ビームをナイフエッジ部を横切って走査し、アンダーフォーカスの状態とオーバーフォーカスの状態とのそれぞれの状態におけるナイフエッジ位置を測定する。この場合、ファラデーカップからの電流検出信号は信号検出系２５を介して制御ＣＰＵ２８に供給されるが、信号検出系２５は、プリアンプ、Ａ／Ｄ変換器等で構成されている。

図５のグラフにおけるファラデーカップにより検出された信号強度の曲線の内、曲線Ｓｕは、電子ビームがアンダーフォーカスの状態で得られた検出信号、曲線Ｓｏは、電子ビームがオーバーフォーカスの状態で得られた信号である。制御ＣＰＵ２８は、２種の曲線が重なり合うように、対物レンズ絞り制御系２２をコントロールし、絞り駆動部２１によって対物レンズ絞り１９の位置を移動させる。この絞りの位置を移動させる際、ナイフエッジを横切っての電子ビームの走査をフォーカスの状態を変えながら行い、２種の曲線から求められるナイフエッジの位置が一致する方向に、対物レンズ絞り１９の位置を自動的に移動させる。このような走査を行うことにより、電子ビームのフォーカス状態が変化しても、常にナイフエッジの位置は同じ位置として検出される。このようにして対物レンズ絞り１９の位置を調整することにより、対物レンズ絞り１９の中心と、対物レンズの中心とは位置合わせされることになる。

なお、上記した実施の形態では、電子ビームのフォーカスをアンダー、オーバーの２種類に変化させ、得られる２種の曲線に基づくナイフエッジの位置を一致させるようにしたが、電子ビームのフォーカス状態は、アンダーとオーバーの２種類の組み合わせに限定されない。例えば、アンダーとオーバーに加えて、ジャストフォーカスの際のナイフエッジ位置の検出信号も用いて３種類の曲線に基づき、ナイフエッジの位置を一致させるようにしても良い。更には、アンダーとジャストフォーカス、あるいは、ジャストとオーバーフォーカスの組み合わせでも良い。

また、上記した位置合わせは、Ｘ方向の対物レンズ絞りの開口中心と対物レンズの中心との位置合わせを行ったが、Ｘ方向の対物レンズ絞り１９の位置合わせを行った後、同様な方法でＹ方向の位置合わせを行うことになる。すなわち、Ｘ、Ｙの両方向の位置合わせを行うことにより、対物レンズ絞り１９の開口中心と、対物レンズ１７の中心とを一致させることができる。

図７は本発明の他の実施の形態を示しており、図６の実施の形態で説明した走査電子顕微鏡と同一ないしは類似の構成要素には同じ番号を付し、その詳細な説明は省略する。図７の実施の形態と図６に示した実施の形態との相違点は、ナイフエッジ検出器に代え、図７では、試料３０の表面に図８に示すクロスマークＭを設けたことである。すなわち、電子ビームのフォーカスの状態を変化させ、それぞれのフォーカス状態でクロスマークＭを走査している。

クロスマークＭは、図８に示すように、シリコン（Ｓｉ）基盤３１の表面に金（Ａｕ）などの金属をクロス状に蒸着したパターンである。この場合、位置の測定は、ナイフエッジ位置に代わって、クロスマークＭの中心位置とする。このクロスマークＭの中心位置の測定の一例を次に説明する。まず、制御ＣＰＵ２８からビーム走査制御系２４をコントロールし、偏向器２３に走査電圧信号を印加して、Ｘ方向の走査を行う。この電子ビームの走査に伴い、クロスマーク領域から反射電子が発生し、この反射電子は検出器３１によって検出される。この反射電子の発生量は、試料表面の物質に応じて相違する。

検出器３１からの電流検出信号は信号検出系２５を介して制御ＣＰＵ２８に供給されるが、信号検出系２５は、プリアンプ、Ａ／Ｄ変換器等で構成されている。このとき、走査座標に対して反射電子検出器３１からの電流をプロットすると、図９の信号が得られる。制御ＣＰＵ２８は、このデータに対して数値計算を行い、クロスマークＭの中心位置Ｘ、Ｙを算出する。

Ｘ方向の中心位置を求める場合、数値計算は、最初に図９のデータを走査座標に対して微分して図１０に示す微分信号ｇ（ｘ）を得る。クロスマークＭの中心位置Ｘは、この微分信号ｇ（ｘ）に基づいた次式に示す自己相関関数Ｇ（ｘ）を用いて計算する。

上式でτは図１０に示した微分値ｇ（ｘ）の±ピーク間距離である。このときの自己相関関数Ｇ（Ｘ）の−ピークの位置（図１１を参照）をクロスマークの中心位置Ｘする。このようにして、Ｘ方向のクロスマークの中心位置を求めたら、同様な手法により、クロスマークのＹ方向の中心位置を求める。このようなクロスマークの中心位置の測定を電子ビームのフォーカス状態を変化させて行い、異なったフォーカス状態でも電子ビームの走査によって検出したクロスマークの位置が常に一致するように、対物レンズ絞り１９の位置の調整を自動的に行う。

以上本発明の一実施形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されない。例えば、走査電子顕微鏡を例に説明したが、電子ビーム描画装置に本発明を適用しても良い。検出する試料位置としてクロスマークを用いたが、Ｌ字状のマークであっても良い。また、マーク部分からの反射電子を検出したが、２次電子を検出しても良い。

本発明は、半導体デバイスの製造やステッパー用マスクを作成する半導体製造分野に利用される。

電子ビームのフォーカスの相違による電子ビームの中心位置と光軸との関係を示す図である。 ナイフエッジ検出器を示す図である。 ナイフエッジの平面図を示す図である。 電子ビームのフォーカスの相違による電子ビームの中心位置と光軸との関係を示す図である。 ナイフエッジ検出器で検出された信号波形を示す図である。 本発明に基づく方法を実施するための電子ビーム装置を示す図である。 本発明に基づく方法を実施するための電子ビーム装置を示す図である。 クロスマークを示す図である。 マーク検出信号を示す図である。 微分波形を示す図である。 自己相関関数波形を示す図である。

符号の説明

１１ 真空筐体
１２ 電子銃
１３ 電子銃制御系
１４ ブランキング電極
１５ ブランキング制御系
１６ ズームレンズ
１７ 対物レンズ
１８ 電子光学系制御系
１９ 対物レンズ絞り
２０ 試料（ナイフエッジ検出器）
２１ 対物レンズ絞り駆動部
２２ 対物レンズ絞り駆動制御系
２３ 偏向器
２４ ビーム偏向制御系
２５ 信号検出系
２６ 移動ステージ
２７ ステージ制御系
２８ 制御ＣＰＵ

Claims (5)

1. 電子ビームを対物レンズによって目的物上に集束すると共に、複数の大きさの異なった開口を有した対物レンズ絞りを設け、対物レンズ絞りの複数の開口を選択して用いるようにし、電子ビームの目的物上の照射位置を電子ビームを偏向することによって移動させるようにした走査型電子ビーム装置において、対物レンズによる電子ビームのフォーカスの状態を複数の段階に切り換え、それぞれのフォーカスの状態において、目的物上に設けられた特定位置を測定し、それぞれのフォーカスの状態において、測定した特定位置が一致するように、対物レンズ絞りの位置を調整するようにした走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法。
2. 走査型電子ビーム装置は走査電子顕微鏡である請求項１記載の走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法。
3. 走査型電子ビーム装置は電子ビーム描画装置である請求項１記載の走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法。
4. 目的物上に設けられた特定位置は、Ｘ方向とＹ方向の直交する端部を有したナイフエッジ位置であり、それぞれのナイフエッジを横切って電子ビームを走査し、ナイフエッジ位置を求めるようにした請求項１〜３記載の走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法。
5. 目的物上に設けられた特定位置は、Ｘ方向とＸ方向に直交するＹ方向に伸びる帯状のマークの中心位置であり、それぞれの帯状マークを横切って電子ビームの走査を行い、走査に伴って得られた信号に基づいてそれぞれの帯状マークの中心位置を求めるようにした請求項１〜３記載の走査型電子ビーム装置における対物レンズ絞りの位置調整方法。

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