JP3508622B2 - 電子ビーム描画装置および電子ビームを用いた描画方法 - Google Patents

電子ビーム描画装置および電子ビームを用いた描画方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造工
程において使用される電子ビーム描画装置および電子ビ
ームを用いた描画方法に係わり、特に可変成形型電子ビ
ーム描画装置の電子ビーム軸調整に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電子ビーム描画装置は、半導体装置の光
による露光工程で用いる原版マスクの回路パターンを描
画したり、シリコンウェハ基板上に直接回路パターンを
描画するリソグラフィー装置として使用される。電子ビ
ーム描画装置における描画方法には、電子源を縮小して
ビームオンオフしながら試料面を走査してパターンを形
成するラスター走査方式，電子源より発生した電子ビー
ムを複数段の矩形開口で成形し、矩形開口像を偏向器で
走査して、寸法可変の矩形ビームを発生する可変成形方
式、更に可変成形方式の発展形として、繰り返し図形を
あらかじめ転写マスクに形成し、電子ビームを照射して
高縮小率で露光する部分一括露光方式がある。特に、ラ
スター走査方式に比べて可変成形方式は、大面積図形を
一括して露光するため、ショット数を大幅に低減でき、
高速化が可能である。しかしながら可変成形方式では、
ビーム成形偏向等複雑な電子光学系装置が必要であり、
特に可変成形偏向でビーム軸ずれが発生する問題があっ
た。
【０００３】図１は電子ビーム描画装置の概略構成を示
す斜視図、図２は電子ビームの軌跡を示す図１の部分拡
大図である。図１に示す電子ビーム描画装置は可変成形
方式であって、図２において、電子源の像位置を円（斜
視図なので楕円で示してある。）で、成形開口の結像位
置を矢印で示している。すなわち、電子源１，電子源像
２４を円で、成形開口像２５を矢印で示す。
【０００４】一般に、成形開口は、縮小レンズにより数
十分の１程度に縮小されるが、逆に電子源像は数十倍に
拡大される。成形レンズは第一の成形開口像を第二の成
形開口上に結像し、成形偏向が第一の成形開口像を移動
させ、第二成形開口を透過するビーム形状を制御する。
ここで電子源像は成形偏向器の中心に結像し、成形偏向
動作時に下段レンズによる電子源像の軸ずれを防止する
必要がある。すなわち、成形レンズ条件，開口位置，ビ
ーム軸等に誤差があると、成形偏向動作時、すなわち、
寸法可変時に、下段レンズの軸ずれが発生し、解像性や
ショット位置精度に悪影響を与える。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、可変
成形動作にともなう軸ずれを防止して高精度なパターン
描画を実現した電子ビーム描画装置および電子ビームを
用いた描画方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、可変成形方式において、以下の手順で行うことによ
り、ビーム寸法を変化させた場合の軸ずれを高精度に計
測して成形レンズ調整を行い、寸法変化時の転写歪や位
置ずれを防止するものである。これにより可変成形型の
電子ビーム描画装置の高分解能ビーム調整法を提供する
ことができる。すなわち、電子ビームを発生させる電子
源と、電子ビームを成形する第一の成形開口と、第一の
成形開口を通過した電子ビームを第二の成形開口に投影
する複数の成形レンズと、第一の成形開口の投影像を偏
向して第二の成形開口を透過する電子ビームの断面形状
を成形し成形ビームを生成する成形偏向器と、成形偏向
器で生成された成形ビームを縮小する縮小レンズと、縮
小レンズで縮小された成形ビームの成形ビーム像を試料
面に結像させる対物レンズと、成形ビームを試料面の所
望の位置に偏向させる対物偏向器と、成形レンズの上段
に配置され、成形偏向器への前記電子ビームの入射角度
を制御する成形軸調整偏向器と、第二の成形開口と対物
レンズとの間に配置され、対物レンズへの成形ビームの
入射角度を制御する対物軸調整偏向器と、対物軸調整偏
向器で試料面を成形ビームで走査されて発生する電子を
検出する検出器と、第二の成形開口により複数の異なる
成形ビームで試料面を走査して、対物偏向器、成形軸調
整偏向器、対物軸調整偏向器の出力値の偏差が最小とな
る出力値に各偏向器を調整する偏向器出力値調整手段
と、偏向器出力値調整手段で調整された各偏向器の出力
値の状態において、各成形レンズの調整値それぞれに対
して対物レンズの焦点位置を変更し、検出器からの情報
に基づいて成形ビームの試料面での位置を測定し、変更
の前後での成形ビームの位置ずれを測定し、各成形レン
ズの調整値に対する位置ずれの分散を求め、分散が最小
となるように各成形レンズの調整値を設定する成形レン
ズ調整手段とを有するものである。
【０００７】また、電子ビームを発生させる電子源と、
電子ビームを加速させる加速手段と、電子ビームを成形
する第一の成形開口と、第一の成形開口を通過した電子
ビームを第二の成形開口に投影する複数の成形レンズ
と、第一の成形開口の投影像を偏向して第二の成形開口
を透過する電子ビームの断面形状を成形し成形ビームを
生成する成形偏向器と、成形偏向器で生成された成形ビ
ームを縮小する縮小レンズと、縮小レンズで縮小された
成形ビームの成形ビーム像を試料面に結像させる対物レ
ンズと、成形ビームを試料面の所望の位置に偏向させる
対物偏向器と、成形レンズの上段に配置され、成形偏向
器への電子ビームの入射角度を制御する成形軸調整偏向
器と、第二の成形開口と対物レンズとの間に配置され、
対物レンズへの成形ビームの入射角度を制御する対物軸
調整偏向器と、対物軸調整偏向器で試料面を成形ビーム
で走査されて発生する電子を検出する検出器と、第二の
成形開口により複数の異なる成形ビームで試料面を走査
して、対物偏向器、成形軸調整偏向器、対物軸調整偏向
器の出力値の偏差が最小となる出力値に各偏向器を調整
する偏向器出力値調整手段と、偏向器出力値調整手段で
調整された各偏向器の出力値の状態において、各成形レ
ンズの調整値それぞれに対して電子ビームを加速させる
加速手段の印加電圧を変更し、検出器からの情報に基づ
いて成形ビームの試料面での位置を測定し、変更の前後
での成形ビームの位置ずれを測定し、各成形レンズの調
整値に対する位置ずれの分散を求め、分散が最小となる
ように各成形レンズの調整値を設定する成形レンズ調整
手段とを有するものである。
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【発明の実施の形態】一般に、電子レンズ軸に対してビ
ーム軸が一致する場合は、レンズ強度を変化させてもビ
ーム位置はレンズ軸上にある。一方、両者が異なる場合
は、レンズ強度を変化させた場合、レンズ軸を中心に一
定方向に移動する。例えば、回転対称な磁界レンズでの
ビーム軸ずれは、レンズ軸上の結像点近傍で軸の垂直面
内での通過位置が軸ずれ量とレンズ強度変化に比例し
て、回転および放射状に移動する。成形偏向動作時にレ
ンズ強度を変化させて発生したビーム位置ずれが最小に
なるように、成形レンズ等を調整する。
【００１２】ビーム位置ずれは、以下により高精度に検
出可能である。成形偏向器により所望のビーム寸法とし
て、対物レンズにより試料ステージ上のＸＹ方向に平行
な辺を有する校正マークにビーム焦点を合わせる。対物
偏向器でＸＹ方向にビーム走査して、反射電子波形等か
らビーム基準位置を求める。次に、対物レンズ焦点位置
をマーク位置検出が可能な程度変化させ、同様の測定を
行い、基準位置からの位置偏差を求める。複数の異なる
ビーム寸法設定に対して、上記方法により測定し、偏差
量のばらつきを求める。これらを調整すべき変量すなわ
ち成形レンズ設定値に対して、偏差量のばらつきが最小
となる値を求める。
【００１３】以上により、所望の成形レンズ設定が可能
であるが、対物レンズ強度を変化させる代わりに、加速
電圧を変化させてビーム位置ずれを測定することも可能
である。
【００１４】図１に示した電子ビーム描画装置の概略構
成図、および、図２に示した電子ビームの軌跡の図にお
いて、電子源１より照射された電子ビームは一般に矩形
形状の第一成形開口２を通過し、成形レンズ５により第
二成形開口６に結像される。第二成形開口６上にやはり
矩形開口が配置され、成形偏向器４により第一成形開口
２における像位置が制御され、成形ビーム１２が形成さ
れる。
【００１５】ここで、各成形開口は、電子光学的な収差
を最小とするため、成形レンズの軸中心に合致させる必
要がある。図１では第一成形開口２の透過ビームを成形
軸調整偏向器３で成形レンズ５の軸中心に移動させ、更
に、第二成形開口６を機械的に移動する成形開口ステー
ジ駆動装置７を用いている。
【００１６】発生した成形ビーム１２は、縮小レンズ９
により数十分の１に縮小され、対物レンズ１１に入射さ
れる。対物レンズ１１により試料ステージ１３上の試料
１５上に結像した成形ビーム像は、対物偏向器１０およ
び試料ステージ駆動装置１６により、描画位置へ順次偏
向照射され、パターン１７が描画される。対物軸調整偏
向器８は本発明で採用したものであって、その機能は図
３の説明にて詳述する。
【００１７】制御計算機２３は、描画データに基づいて
成形偏向制御回路１８，対物偏向制御回路２０、およ
び、試料ステージ制御回路２２を制御する。一括露光方
式の場合は、更に、成形開口ステージ制御回路１９によ
り所望の形状開口が選択される。
【００１８】対物偏向器１０により試料ステージ１３上
に配置した校正用マークをビーム走査して、反射電子等
を検知するマーク検出器１４で得られたマーク信号波形
から、信号処理回路２１でビーム位置を検出し、ビーム
が校正される。
【００１９】図２は図１に示した構成におけるレンズ結
像関係を示している。但し、図２における像倍率等は説
明のため実際と異なっている。
【００２０】成形開口像２５は、縮小レンズ９および対
物レンズ１１により試料１５の上に縮小投影される。一
方、電子源像２４は成形偏向器４の中心に結像され、順
次下段のレンズにより拡大される。ここで成形レンズ５
の設定精度が不十分で、成形偏向器４の中心に電子源像
２４がないと、成形偏向器４の動作により下段の拡大さ
れた電子源像がビーム軸上からずれて結像される。その
ため、対物レンズ１１への入射位置が成形寸法の設定に
依存してずれる結果となり、対物レンズ１１の収差の影
響で最終の成形開口像に歪みや位置ずれ等の不具合が発
生する。
【００２１】図３は本発明の原理を説明する図であっ
て、図２の部分拡大図である。図３（ａ）は、成形ビー
ム１２が対物レンズ１１の軸上および軸外を通過して校
正マーク２６を走査する場合を示し、さらに、対物レン
ズ１１の強度が合焦点位置の場合とそれから変化させた
場合とを示している。図３（ｂ）と（ｃ）では、校正マ
ーク２６を実線で、それを走査したときの走査波形を破
線で示してある。
【００２２】図３（ｂ）において、対物レンズ１１の強
度が合焦点位置で、対物レンズ１１の中心を成形ビーム
１２が通過した場合、対物レンズ１１の強度を弱くする
と、校正マーク２６の走査波形が破線で示すようになま
ってしまうが、位置ずれは発生しない。
【００２３】一方、図３（ｃ）において、図３（ａ）に
示す対物レンズ１１の軸外を通る成形ビーム１２ａは、
対物レンズ１１の強度を合焦点位置から変化させた場
合、成形ビーム１２ｂの軌跡となり、位置ずれＸが発生
する。
【００２４】この位置ずれＸを補正するため、対物軸調
整偏向器８を用いる。一般に、軸ずれ量が微少の範囲で
は、位置ずれＸは軸ずれ量に比例する。以下、位置ずれ
Ｘを２次元で（Ｘｉ，Ｙｊ）と表すことにする。ここ
で、ｉ，ｊは、設定の違いによる値の違いを考慮したも
のである。
【００２５】対物軸調整偏向器８の出力（Ｕｉ，Ｕｊ）
をＸ，Ｙ方向の２次元で設定し、各成形開口によるビー
ムの可変寸法（Ｗ，Ｈ）の各設定での位置ずれ(Ｘｉ，
Ｙｊ)を出力（Ｕｉ，Ｕｊ）の一次式で表現し、位置ず
れ（Ｘｉ，Ｙｊ）＝０となる出力（Ｕｉo，Ｕｊo）を求
める。この出力（Ｕｉo，Ｕｊo）の値になるように対物
軸調整偏向器８の出力（Ｕｉ，Ｕｊ）を設定してやれ
ば、位置ずれを０とすることができる。
【００２６】出力（Ｕｉo，Ｕｊo）の分散、あるいは変
動幅は、成形レンズ５の設定により増減する。従って、
各成形開口によるビームの可変寸法（Ｗ，Ｈ）の各寸法
での変量（Ｕｉo2＋Ｕｊo2)1/2の分散が最小となる成形
レンズ値を設定すれば良い。また、対物軸調整偏向器８
への設定値は、出力（Ｕｉo，Ｕｊo）の平均値を設定す
れば、軸ずれの影響は最小にできる。
【００２７】図４は成形レンズ値の設定の手順を示すフ
ローチャートである。各成形寸法に対する軸ずれ量を、
対物レンズ強度を操作して求める。はじめに、ステップ
４１で、ビームの位置ずれの測定を開始する。次に、ス
テップ４２で、調整すべき成形レンズに順次設定値Ｓｉ
を設定する。ステップ４３では、成形寸法Ｗ，Ｈを設定
し、ステップ４４では、ビームの焦点位置で、ビームの
基準位置を測定する。ステップ４５では、焦点位置をシ
フトして、ビームの位置ずれを測定する。次に、ステッ
プ４６の判定で、成形寸法の全寸法の測定が完了したな
らば、ステップ４７で、求めた位置ずれ値の分散、また
は、対物軸調整偏向器の最適な出力値の分散を計算す
る。ステップ４８の判定で、全レンズ値での測定が完了
したならば、ステップ４９で、分散値を成形レンズ設定
値の多項式近似等で表現し、分散が最小値となる成形レ
ンズ値を設定する。そして、ステップ５０でビームの偏
向量を調整して終了する。
【００２８】上記の実施例では、対物レンズの強度を変
化させたが、等価に加速電圧を変化させて同様の位置ず
れ補正をすることも可能である。また、上記の実施例で
は、可変成形動作にともなう軸ずれを測定して成形レン
ズで補正しているが、本発明は、成形偏向器に対する開
口位置ずれや、電子源からの軸ずれ入射による電子源像
の収差に対しても有効である。このような電子源像の歪
み等は、試料面上では軸ずれやビーム歪みとなり、上記
実施例に記載したようなビームの位置ずれとして感知で
きる場合が多い。従って、このような問題に対しても本
発明が適用でき、前述の成形開口ステージや成形軸調整
偏向器等で調整する。
【００２９】このように、本発明は、可変成形型電子ビ
ーム描画装置の高分解能ビーム調整法を可能とし、可変
成形動作にともなうビームの軸ずれを防止して、対物レ
ンズ内で発生する転写歪や転写位置ずれを低減し、高精
度なパターン描画を可能とするものである。また、従
来、困難であった可変成形型電子光学系装置の自動調整
が可能となるため、成形開口の交換後における調整作業
を簡略化できる効果があり、半導体装置の製造工程にお
ける装置の稼働率を向上させることができる。
【００３０】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、可
変成形動作にともなう軸ずれを防止して高精度なパター
ン描画を実現した電子ビーム描画装置および電子ビーム
を用いた描画方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子ビーム描画装置の概略構成を示す斜視図。
【図２】電子ビームの軌跡を示す図１の部分拡大図。
【図３】本発明の原理を説明する図であって、図２の部
分拡大図。
【図４】成形レンズ値の設定の手順を示すフローチャー
ト。
【符号の説明】
１…電子源、２…第一成形開口、３…成形軸調整偏向
器、４…成形偏向器、５…成形レンズ、６…第二成形開
口、８…対物軸調整偏向器、１０…対物偏向器、１１…
対物レンズ、１２…成形ビーム、１４…マーク検出器、
１５…試料、１７…パターン、１８…成形偏向制御回
路、１９…成形開口ステージ制御回路、２０…対物偏向
制御回路、２３…制御計算機、２４…電子源像、２５…
成形開口像、２６…校正マーク。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/30 ５４１Ｈ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子ビームを発生させる電子源と、前記電
    子ビームを成形する第一の成形開口と、前記第一の成形
    開口を通過した電子ビームを第二の成形開口に投影する
    複数の成形レンズと、前記第一の成形開口の投影像を偏
    向して前記第二の成形開口を透過する電子ビームの断面
    形状を成形し成形ビームを生成する成形偏向器と、該成
    形偏向器で生成された前記成形ビームを縮小する縮小レ
    ンズと、該縮小レンズで縮小された成形ビームの成形ビ
    ーム像を試料面に結像させる対物レンズと、前記成形ビ
    ームを前記試料面の所望の位置に偏向させる対物偏向器
    と、前記成形レンズの上段に配置され、前記成形偏向器
    への前記電子ビームの入射角度を制御する成形軸調整偏
    向器と、前記第二の成形開口と前記対物レンズとの間に
    配置され、前記対物レンズへの前記成形ビームの入射角
    度を制御する対物軸調整偏向器と、該対物軸調整偏向器
    で前記試料面を成形ビームで走査されて発生する電子を
    検出する検出器と、前記第二の成形開口により複数の異
    なる成形ビームで前記試料面を走査して、前記対物偏向
    器、前記成形軸調整偏向器、前記対物軸調整偏向器の出
    力値の偏差が最小となる出力値に前記各偏向器を調整す
    る偏向器出力値調整手段と、該偏向器出力値調整手段で
    調整された前記各偏向器の出力値の状態において、前記
    各成形レンズの調整値それぞれに対して前記対物レンズ
    の焦点位置を変更し、前記検出器からの情報に基づいて
    前記成形ビームの前記試料面での位置を測定し、変更の
    前後での前記成形ビームの位置ずれを測定し、前記各成
    形レンズの調整値に対する位置ずれの分散を求め、該分
    散が最小となるように前記各成形レンズの調整値を設定
    する成形レンズ調整手段とを有することを特徴とする電
    子ビーム描画装置。
  2. 【請求項２】電子ビームを発生させる電子源と、前記電
    子ビームを加速させる加速手段と、前記電子ビームを成
    形する第一の成形開口と、前記第一の成形開口を通過し
    た電子ビームを第二の成形開口に投影する複数の成形レ
    ンズと、前記第一の成形開口の投影像を偏向して前記第
    二の成形開口を透過する電子ビームの断面形状を成形し
    成形ビームを生成する成形偏向器と、該成形偏向器で生
    成された前記成形ビームを縮小する縮小レンズと、該縮
    小レンズで縮小された成形ビームの成形ビーム像を試料
    面に結像させる対物レンズと、前記成形ビームを前記試
    料面の所望の位置に偏向させる対物偏向器と、前記成形
    レンズの上段に配置され、前記成形偏向器への前記電子
    ビームの入射角度を制御する成形軸調整偏向器と、前記
    第二の成形開口と前記対物レンズとの間に配置され、前
    記対物レンズへの前記成形ビームの入射角度を制御する
    対物軸調整偏向器と、該対物軸調整偏向器で前記試料面
    を成形ビームで走査されて発生する電子を検出する検出
    器と、前記第二の成形開口により複数の異なる成形ビー
    ムで前記試料面を走査して、前記対物偏向器、前記成形
    軸調整偏向器、前記対物軸調整偏向器の出力値の偏差が
    最小となる出力値に前記各偏向器を調整する偏向器出力
    値調整手段と、該偏向器出力値調整手段で調整された前
    記各偏向器の出力値の状態において、前記各成形レンズ
    の調整値それぞれに対して前記電子ビームを加速させる
    加速手段の印加電圧を変更し、前記検出器からの情報に
    基づいて前記成形ビームの前記試料面での位置を測定
    し、変更の前後での前記成形ビームの位置ずれを測定
    し、前記各成形レンズの調整値に対する位置ずれの分散
    を求め、該分散が最小となるように前記各成形レンズの
    調整値を設定する成形レンズ調整手段とを有することを
    特徴とする電子ビーム描画装置。
  3. 【請求項３】電子ビームを対物レンズで絞り試料上に走
    査して予め定められたパターンを前記試料に描画する電
    子ビームを用いた描画方法において、前記電子ビームを
    第一の成形開口に照射し、通過した電子ビームを偏向す
    るとともに複数の成形レンズで第二の成形開口に投影し
    て任意の断面形状のビームを生成し、該ビームで前記試
    料上の基準マークが走査されて発生する第１の電子を検
    出し、該第１の電子から得られる前記ビームの第１の位
    置情報に基づいてビームの基準位置を決定し、前記複数
    の成形レンズの調整値それぞれに対して前記対物レンズ
    の焦点位置から前記ビームの軸をシフトさせ、前記試料
    上の基準マークが走査されて発生する第２の電子を検出
    し、該第２の電子から得られる前記ビームの第２の位置
    情報に基づいてビームの位置ずれを測定し、前記各成形
    レンズの調整値に対する位置ずれの分散が最小となるよ
    うに前記レンズの調整値を求め、調整することを特徴と
    す る電子ビームを用いた描画方法。
  4. 【請求項４】電子ビームを対物レンズで絞り加速させ試
    料上に走査して予め定められたパターンを前記試料に描
    画する電子ビームを用いた描画方法において、前記電子
    ビームを第一の成形開口に照射し、通過した電子ビーム
    を偏向するとともに複数の成形レンズで第二の成形開口
    に投影して任意の断面形状のビームを生成し、該ビーム
    で前記試料上の基準マークが走査されて発生する第１の
    電子を検出し、該第１の電子から得られる前記ビームの
    第１の位置情報に基づいてビームの基準位置を決定し、
    前記複数の成形レンズの調整値それぞれに対して前記電
    子ビームを加速させるための印加電圧を変更し、前記試
    料上の基準マークが走査されて発生する第２の電子を検
    出し、該第２の電子から得られる前記ビームの第２の位
    置情報に基づいてビームの位置ずれを測定し、前記各成
    形レンズの調整値に対する位置ずれの分散が最小となる
    ように前記レンズの調整値を求め、調整することを特徴
    とする電子ビームを用いた描画方法。
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