JP5643618B2

JP5643618B2 - 高さ測定方法および荷電粒子ビーム描画装置

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Publication number: JP5643618B2
Application number: JP2010259565A
Authority: JP
Inventors: 光太藤原; 吉郎山中
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: JP2012114124A

Description

本発明は、高さ測定方法および荷電粒子ビーム描画装置に関する。

マスク基板や半導体ウェハなどの試料上に微細パターンを描画する目的で、電子ビーム描画装置が用いられている。この装置を用いて試料上にパターンを描画する場合、描画位置のずれや電子ビームの焦点ずれなどを避けるために、描画前に試料表面の正確な高さを測定する必要がある。具体的には、電子ビーム描画装置の高さ測定部において、描画前に、照射領域付近に光を照射して反射光を検出し、試料表面の高さを測定しておく。そして、測定された高さに応じて、例えば、電子ビームを試料表面に収束させるレンズを調整する。これにより、電子ビームを試料の表面に正確に収束させることができる。

上記の高さ測定部では、光源から出射したレーザ光が、投光レンズによって試料の表面上に収束する。収束した光は、試料の表面で反射して受光レンズに入射した後、再度受光素子に収束する。受光素子には、ＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）が用いられる。ＰＳＤとは、ＰＩＮ型フォトダイオードと同様の構造であって、光起電力効果により光電流を測定して光の重心位置計測を実現するものである。

ＰＳＤへスポット光が入射すると、入射位置には光エネルギーに比例した電荷が発生し、均一な抵抗値を持つ抵抗層（Ｐ層）を通って、ＰＳＤ上の２端面に設置された電極へと流れる。このときの電流量は、電極までの距離に反比例して分割されたものとなる。一方の端面に設置された電極からの出力電流をＩ_１とし、他方の端面に設置された電極からの出力電流をＩ_２とすれば、スポット光のＰＳＤ中心からの重心位置Ｘは、下記式で求められる。ここで、Ｌは受光面の長さである。また、ＰＳＤの受光強度を示す全光電流は、Ｉ_１とＩ_２の和になる。

ところで、光源から出射される光に対する試料表面の反射率は、試料の膜厚や膜の物性、試料面に入射した光の波長および偏光状態によって変化する。上式は、理想的には、受光量が変化しても光の重心位置が変化しなければ、常に一定の値を示すことになり、反射率による受光量変化は計測される重心位置には影響しない。

しかし、実際には、高さ測定部を構成する受光素子およびアナログ信号処理回路で生じるオフセット電圧が製作誤差として作用してしまうため、反射率が異なる試料の場合には、一定にならなくなる。よって、反射率の異なる試料間の高さを計測する場合、オフセット電圧が大きいと、反射率が同じ試料間の高さを計測する場合に比べて誤差が大きくなり、電子ビームを試料の表面に正確に収束させることが困難になる。

かかる問題は、例えば、位相シフトマスクの製造工程で顕著となる。位相シフトマスクは、フォトマスクの分野において、転写パターンの解像性を向上させる手法の１つとして用いられている。位相シフトマスクでは、隣接する開口部を透過した透過光の位相が反転するように、開口部の一方に位相シフト部（シフター開口部）を設ける。これによって、透過光が干渉し合う際に境界部での光強度を弱め、転写パターンの解像性および焦点深度を向上させる。

図８は、レベンソン型位相シフトマスクの製造工程の一例である。

まず、図８（ａ）に示すように、ＳｉＯ_２基板３０１の上にＣｒ膜３０２を形成し、さらにその上に第１のレジスト膜３０３を形成する。次いで、第１のレジスト膜３０３に電子ビームを照射した後に現像処理を行って、図８（ｂ）に示すように、第１のレジスト膜３０３を所定のパターンにパターニングする。次に、第１のレジスト膜３０３から露出しているＣｒ膜３０２をエッチングして、図８（ｃ）に示す構造とする。その後、第１のレジスト膜３０３を剥離すると、図８（ｄ）に示す構造が得られる。

次に、図８（ｄ）の基板の上に第２のレジスト膜３０４を形成する。これにより、図８（ｅ）に示す基板が得られる。次いで、第２のレジスト膜３０４に電子ビームを照射した後、現像処理を行って、図８（ｆ）に示すように、第２のレジスト膜３０４を所定のパターンにパターニングする。次に、第２のレジスト膜３０４から露出しているＳｉＯ_２基板３０１をエッチングして、図８（ｇ）に示す構造とする。その後、第２のレジスト膜３０４を剥離すると、図８（ｈ）に示す構造が得られる。

図８（ｅ）において、第２のレジスト膜３０４の下層は、パターニングされたＣｒ膜３０２である。すなわち、第２のレジスト膜３０４の下層には、Ｃｒ膜３０２の部分と、ＳｉＯ_２基板３０１の部分とがある。このため、電子ビーム描画に際して、第２のレジスト膜３０４の表面の高さを測定しようとすると、高さ測定部の光源から出射される光の反射率が異なることによって、ＰＳＤで計測される光の重心位置が変化する。したがって、第２のレジスト膜３０４の表面の正確な高さを測定できなくなる。

図９は、レジスト膜３０４と類似のレジスト膜について、その表面の高さ測定を行った一例である。図９に示すＺｍａｐでは、中央部が全体に凹んでいる。これは、レジスト膜の下層に設けられたパターンが中央部で密であることによって反射率が低下し、オフセット電圧の影響が強く出てしまっているためである。また、図９のＺｍａｐでは、中央部の２か所の点で形状が凸になっている。これは、高さ測定部で光源から出射したレーザ光が、反射率の異なるパターンの境界に収束してしまったために、ＰＳＤで計測される光の重心位置が変化して測定誤差が大きくなったためである。

こうした問題に対して、特許文献１に、光源から出射される光の強度を、試料表面の反射率に応じて調整する調整手段を備えた電子ビーム描画装置が開示されている。しかし、特許文献１の方法では、高さ測定部の制御回路の変更が必要となる上に、光源から出射される光の強度が変わることによって、試料面の光反応や温度変化などを引き起こすおそれがあった。

特開２００３−３０３７５８号公報

本発明は、上記点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、試料に形成されたパターンに起因する高さ測定誤差を低減して、描画精度の向上を図ることのできる高さ測定方法および荷電粒子ビーム描画装置を提供することにある。

本発明の第１の態様は、試料に光を斜めに入射し、試料の表面で反射した反射光をＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）で受光することにより、試料の高さを測定する高さ測定方法において、
高さの基準となる範囲を決定する工程と、
ＰＳＤを含むアナログ信号処理回路上でのオフセット値を求める工程と、
ＰＳＤの出力値からオフセット値を差し引いた値を用いて試料の高さの測定データを求める工程と、
試料の高さの測定データの内で基準となる範囲に含まれない値を除き、残った値を用いてフィッティングを行い、試料の高さデータを作成する工程とを有することを特徴とするものである。

本発明の第１の態様は、試料の高さ測定領域を所定のグリッドで分割する工程を有し、
グリッドの交点における高さを測定して、得られた値が基準となる範囲内である場合には、隣接する次のグリッドの交点における高さを測定するが、基準となる範囲内でない場合には、グリッドの交点における高さを破棄してこの交点の近傍の高さを測定する工程を繰り返すことが好ましい。

本発明の第２の態様は、試料に光を斜めに入射し、試料の表面で反射した反射光をＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）で受光することにより、試料の高さを測定する高さ測定方法において、
ＰＳＤを含むアナログ信号処理回路上でのオフセット値を求める工程と、
ＰＳＤの出力値からオフセット値を差し引いた値を用いて、試料の高さの測定データを求める工程と、
試料の高さの測定データを用いてフィッティングを行う工程と、
フィッティングの結果に基づき、試料の高さの測定データから誤測定データを除去したものを再度フィッティングし、試料の高さデータを作成する工程とを有することを特徴とするものである。

本発明の第３の態様は、光を出射する光源と、光をステージ上に載置される試料の表面に収束させる投光レンズと、試料の表面で反射した反射光が入射する受光レンズと、受光レンズで収束された反射光を受光して試料の表面の位置を検出するＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）とを備えた荷電粒子ビーム描画装置であって、
ＰＳＤを含むアナログ信号処理回路上でのオフセット値を記憶する手段と、
ＰＳＤの出力値からオフセット値を差し引いた値を用いて求めた試料の高さの内で、予め求めた基準範囲に含まれない値を除き、残った値を用いてフィッティングを行い試料の高さデータを作成する手段と、
高さデータを基に荷電粒子ビームを調整する手段とを有することを特徴とするものである。

本発明の第４の態様は、光を出射する光源と、光をステージ上に載置される試料の表面に収束させる投光レンズと、試料の表面で反射した反射光が入射する受光レンズと、受光レンズで収束された反射光を受光して試料の表面の位置を検出するＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）とを備えた荷電粒子ビーム描画装置であって、
ＰＳＤを含むアナログ信号処理回路上でのオフセット値を記憶する手段と、
ＰＳＤの出力値から前記オフセット値を差し引いた値を用いて試料の高さを求める手段とを有し、
試料の高さを求める手段では、試料の高さの測定データを用いてフィッティングを行い、得られた結果に基づき、試料の高さの測定データから誤測定データを除去したものを再度フィッティングして試料の高さデータを作成し、
高さデータを基に荷電粒子ビームを調整する手段を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、試料に形成されたパターンに起因する高さ測定誤差を低減して、描画精度の向上を図ることのできる高さ測定方法および荷電粒子ビーム描画装置が提供される。

本実施の形態における電子ビーム描画装置の構成を示す概念図である。本実施の形態による電子ビーム描画方法の一例である。本実施の形態による高さ測定方法の説明図である。本実施の形態による高さデータ作成方法のフローチャートである。受光素子の受光量とマスク表面の高さとの関係を示す図である。本実施の形態による高さデータ作成方法の説明図である。本実施の形態による高さデータ作成方法のフローチャートである。レベンソン型位相シフトマスクの製造工程の一例である。レジスト膜表面の高さ測定を行った一例である。

図１は、本実施の形態における電子ビーム描画装置の構成図である。

図１において、電子ビーム描画装置の試料室１内には、試料であるマスク基板２が設置されたステージ３が設けられている。

本実施の形態では、マスク基板２として、基板上にパターンが形成された基板を用いる。例えば、図８（ｅ）に示すような基板、すなわち、レジスト膜の下層にパターンが形成された位相シフトマスク基板とすることができる。

ステージ３は、ステージ駆動部４によって、Ｘ方向とＹ方向に駆動される。そして、ステージ駆動部４は、ステージ制御部５を介し、制御計算機６によって制御されている。尚、ステージ３の位置は、レーザ干渉計などを用いた位置回路７によって測定され、測定されたデータは、位置回路７からステージ制御部５に送られる。

試料室１の上方には、電子ビーム光学系１０が設置されている。この光学系１０は、電子銃１１、各種レンズ１２、１３、１４、１５、１６、ブランキング用偏向器１７、成形偏向器１８、ビーム走査用の主偏向器１９、ビーム走査用の副偏向器２０、および、２個のビーム成型用アパーチャ２１、２２等から構成されている。

図２は、電子ビームによる描画方法の説明図である。この図に示すように、マスク基板２上に描画されるパターン５１は、短冊状のフレーム領域５２に分割されている。電子ビーム５４による描画は、ステージ３が一方向（例えば、Ｘ方向）に連続移動しながら、フレーム領域５２毎に行われる。フレーム領域５２は、さらに副偏向領域５３に分割されており、電子ビーム５４は、副偏向領域５３内の必要な部分のみを描画する。尚、フレーム領域５２は、主偏向器１９の偏向幅で決まる短冊状の描画領域であり、副偏向領域５３は、副偏向器２０の偏向幅で決まる単位描画領域である。

副偏向領域の基準位置の位置決めは、主偏向器１９で行われ、副偏向領域５３内での描画は、副偏向器２０によって制御される。すなわち、主偏向器１９によって、電子ビーム５４が所定の副偏向領域５３に位置決めされ、副偏向器２０によって、副偏向領域５３内での描画位置が決められる。さらに、成形偏向器１８とビーム成型用アパーチャ２１、２２によって、電子ビーム５４の形状と寸法が決められる。そして、ステージ３を一方向に連続移動させながら、副偏向領域５３内を描画し、１つの副偏向領域５３の描画が終了したら、次の副偏向領域５３を描画する。フレーム領域５２内の全ての副偏向領域５３の描画が終了したら、ステージ３を連続移動させる方向と直交する方向（例えば、Ｙ方向）にステップ移動させる。その後、同様の処理を繰り返して、フレーム領域５２を順次描画して行く。

図１で、記憶媒体である磁気ディスク８には、マスク基板２の描画データが格納されている。磁気ディスク８から読み出された描画データは、フレーム領域５２毎にパターンメモリ２５に一時的に格納される。パターンメモリ２５に格納されたフレーム領域５２毎のパターンデータ、すなわち、描画位置や描画図形データ等で構成されるフレーム情報は、データ解析部であるパターンデータデコーダ２６と描画データデコーダ２７に送られる。

パターンデータデコーダ２６からの情報は、ブランキング回路２８とビーム成型器ドライバ２９に送られる。具体的には、パターンデータデコーダ２６で上記データに基づいたブランキングデータが作成され、ブランキング回路２８に送られる。また、所望とするビーム寸法データも作成されて、ビーム成型器ドライバ２９に送られる。そして、ビーム成型器ドライバ２９から、電子ビーム光学系１０の成形偏向器１８に所定の偏向信号が印加されて、電子ビーム５４の寸法が制御される。

図１の偏向制御部３０は、セトリング時間決定部３１に接続し、セトリング時間決定部３１は、副偏向領域偏向量算出部３２に接続し、副偏向領域偏向量算出部３２は、パターンデータデコーダ２６に接続している。また、偏向制御部３０は、ブランキング回路２８と、ビーム成型器ドライバ２９と、主偏向器ドライバ３３と、副偏向器ドライバ３４とに接続している。

描画データデコーダ２７の出力は、主偏向器ドライバ３３と副偏向器ドライバ３４に送られる。そして、主偏向器ドライバ３３から、電子ビーム光学系１０の主偏向器１９に所定の偏向信号が印加されて、電子ビーム５４が所定の主偏向位置に偏向走査される。また、副偏向器ドライバ３４から、副偏向器２０に所定の副偏向信号が印加されて、副偏向領域５３内での描画が行われる。

次に、制御計算機６による描画制御について説明する。

制御計算機６は、記憶媒体である磁気ディスク８に記録されたマスクの描画データを読み出す。読み出された描画データは、フレーム領域５２毎にパターンメモリ２５に一時的に格納される。

パターンメモリ２５に格納されたフレーム領域５２毎の描画データ、つまり、描画位置や描画図形データ等で構成されるフレーム情報は、データ解析部であるパターンデータデコーダ２６と描画データデコーダ２７を介して、副偏向領域偏向量算出部３２、ブランキング回路２８、ビーム成型器ドライバ２９、主偏向器ドライバ３３、副偏向器ドライバ３４に送られる。

パターンデータデコーダ２６では、描画データに基づいてブランキングデータが作成されてブランキング回路２８に送られる。また、描画データに基づいて所望とするビーム形状データが作成されて副偏向領域偏向量算出部３２とビーム成型器ドライバ２９に送られる。

副偏向領域偏向量算出部３２は、パターンデータデコーダ２６により作成したビーム形状データから、副偏向領域５３における、１ショットごとの電子ビームの偏向量（移動距離）を算出する。算出された情報は、セトリング時間決定部３１に送られ、副偏向による移動距離に対応したセトリング時間が決定される。

セトリング時間決定部３１で決定されたセトリング時間は、偏向制御部３０へ送られた後、パターンの描画のタイミングを計りながら、偏向制御部３０より、ブランキング回路２８、ビーム成型器ドライバ２９、主偏向器ドライバ３３、副偏向器ドライバ３４のいずれかに適宜送られる。

ビーム成型器ドライバ２９では、電子ビーム光学系１０の成形偏向器１８に所定の偏向信号が印加されて、電子ビーム５４の形状と寸法が制御される。

描画データデコーダ２７では、描画データに基づいて副偏向領域５３の位置決めデータが作成され、このデータは主偏向器ドライバ３３に送られる。次いで、主偏向器ドライバ３３から主偏向器１９へ所定の偏向信号が印加されて、電子ビーム５４は、副偏向領域５３の所定位置に偏向走査される。

描画データデコーダ２７では、描画データに基づいて、副偏向器２０の走査のための制御信号が生成される。制御信号は、副偏向器ドライバ３４に送られた後、副偏向器ドライバ３４から副偏向器２０に所定の副偏向信号が印加される。副偏向領域５３内での描画は、設定されたセトリング時間が経過した後、電子ビーム５４を繰り返し照射することによって行われる。

次に、電子ビーム描画装置による描画方法について説明する。

まず、試料室１内のステージ３上にマスク基板２を載置する。次いで、ステージ３の位置検出を位置回路７により行い、制御計算機６からの信号に基づいて、ステージ制御部５を通じてステージ３を描画可能な位置まで移動させる。

次に、電子銃１１より電子ビーム５４を出射する。出射された電子ビーム５４は、照明レンズ１２により集光される。そして、ブランキング用偏向器１７により、電子ビーム５４をマスク基板２に照射するか否かの操作を行う。

第１のアパーチャ２１に入射した電子ビーム５４は、第１のアパーチャ２１の開口部を通過した後、ビーム成型器ドライバ２９により制御された成形偏向器１８によって偏向される。そして、第２のアパーチャ２２に設けられた開口部を通過することにより、所望の形状と寸法を有するビーム形状になる。このビーム形状は、マスク基板２に照射される電子ビーム５４の描画単位である。

電子ビーム５４は、ビーム形状に成形された後、縮小レンズ１５によって縮小される。そして、マスク基板２上における電子ビーム５４の照射位置は、主偏向器ドライバ３３によって制御された主偏向器１９と、副偏向器ドライバ３４によって制御された副偏向器２０とにより制御される。主偏向器１９は、マスク基板２上の副偏向領域５３に電子ビーム５４を位置決めする。また、副偏向器２０は、副偏向領域５３内で描画位置を位置決めする。

マスク基板２への電子ビーム５４による描画は、ステージ３を一方向に移動させながら、電子ビーム５４を走査することにより行われる。具体的には、ステージ３を一方向に移動させながら、各副偏向領域５３内におけるパターンの描画を行う。そして、１つのフレーム領域５２内にある全ての副偏向領域５３の描画を終えた後は、ステージ３を新たなフレーム領域５２に移動して同様に描画する。

上記のようにして、マスク基板２の全てのフレーム領域５２の描画を終えた後は、新たなマスクに交換し、上記と同様の方法による描画を繰り返す。

ところで、マスク基板２をステージ３に搭載すると、マスク基板２には自重による撓みが生じる。また、マスク基板２をステージ３で下面支持する場合には、マスク固有の厚さおよび平行度もマスク基板２の表面高さに影響する。このため、マスク基板２の表面形状、厚さ、平行度および撓みの合成による高さ変化によって、電子ビーム５４の照射位置がずれたり、焦点がぼけたりして、マスク基板２上に所望のパターンを形成することができなくなる。そこで、マスク基板２の表面の高さを正確に測定する必要がある。

ステージ３上に載置されたマスク基板２の高さは、高さ測定部４０で測定される。高さ測定部４０は、光源４１と、光源４１から照射される光Ｌｉをマスク基板２上で収束させる投光レンズ４２と、マスク基板２上で反射した光Ｌｒを受けて収束させる受光レンズ４３と、受光レンズ４３によって収束された光Ｌｒを受光して光の位置を検出する受光素子４４とを有する。

受光素子４４で光の位置が検出されると、信号処理部６０を経て、高さデータ処理部７０で高さデータが作成される。すなわち、高さデータ処理部７０は、受光素子４４からの出力信号を受けて、受光素子４４で検出した光の位置に応じたマスク基板２の表面の高さデータに変換する。

次に、本実施の形態における高さデータの作成方法について説明する。本実施の形態では、まず、リファレンス基板を用いて、高さデータの基準範囲、すなわち、確からしい高さデータの範囲を決定する。ここで、確からしい高さデータの範囲とは、試料に形成されたパターンに起因する高さ測定誤差を除いた高さデータの範囲を言う。次いで、描画対象となる基板の高さを測定し、この測定値から先に求めた高さデータの基準範囲外となる値を除く。残った測定値を用いてフィッティングを行い、高さデータを作成する。

図３〜図７を用いて、上記の高さデータの作成方法をより詳しく説明する。

まず、リファレンス基板を用いて、高さデータの基準範囲、すなわち、確からしい高さデータの範囲を決定する。

リファレンス基板は、パターンが描画されたマスク基板、例えば、マスク基板２とすることができる。但し、基準となる高さデータの範囲を決定するために、パターンが描画されない領域を高さ測定領域とする（図４のＳ１０１）。

一般に、基板の周辺部では、レジストの膜厚が不均一となりやすいので、この領域は電子ビームによる描画が行われない描画禁止領域となる。描画禁止領域より内側の領域が、描画が行われる領域（描画可能領域）である。そして、所定の描画精度が保証される描画精度保証領域は、描画可能領域のさらに内側の領域となる。描画可能領域であって、描画精度保障領域の外側の領域はパターンが描画されないので、例えば、この領域をリファレンス基板における高さ測定領域とすることができる。

次に、リファレンス基板の高さ測定領域について、図３の高さ測定部４０で高さ測定を行う（図４のＳ１０２）。例えば、高さ測定領域を（８×８）のグリッドで分割し、各交点の高さを測定することができる。

次に、高さ測定部４０で得られた測定値に対してオフセット補正を行う（図４のＳ１０３）。オフセット補正は、具体的には、次のようにして行う。

高さ測定部４０では、光源４１から出射したレーザ光が、投光レンズ４２によって、リファレンス基板の表面上に収束する。収束した光は、リファレンス基板の表面で反射して受光レンズ４３に入射した後に受光素子４４に収束する。

受光素子４４には、位置検出素子（ＰＳＤ：ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）が用いられる。ＰＳＤとは、ＰＩＮ型フォトダイオードと同様の構造であって、光起電力効果により光電流を測定して光の重心位置計測を実現するものである。ＰＳＤへスポット光が入射すると、入射位置には光エネルギーに比例した電荷が発生し、均一な抵抗値を持つ抵抗層（Ｐ層）を通り、ＰＳＤ上の２端面に設置された電極へと流れる。このときの電流量は、電極までの距離に反比例して分割されたものとなる。

ＰＳＤの一方の端面に設置された電極からの出力電流をＩ_１とし、他方の端面に設置された電極からの出力電流をＩ_２とすれば、スポット光のＰＳＤ中心からの重心位置Ｘは、下記式で求めることができる。但し、受光面の長さをＬとする。
ここで、ＰＳＤの受光強度を示す全光電流は、Ｉ_１とＩ_２の和で得ることができる。

光源から出射される光に対する試料表面の反射率は、試料の膜厚や膜の物性、試料面に入射した光の波長および偏光状態によって変化する。上式は、理想的には、受光量が変化しても光の重心位置が変化しなければ、常に一定の値を示すことになり、反射率による受光量変化は計測される重心位置には影響しない。しかし、実際には、高さ測定部を構成する受光素子およびアナログ信号処理回路で生じるオフセット電圧が製作誤差として作用してしまうため、反射率が異なる試料の場合には、一定にならなくなる。よって、反射率の異なる試料間の高さを計測する場合、オフセット電圧が大きいと、反射率が同じ試料間の高さを計測する場合に比べて誤差が大きくなり、電子ビームを試料の表面に正確に収束させることが困難になる。

入射した光の重心位置は、２つの微弱な電流変化量を計測することにより求められる。このため、通常は、Ｉ／Ｖ変換回路を構成し、ＰＳＤからの出力電流変化（Ｉ_１，Ｉ_２）を出力電圧変化（Ｖ_１，Ｖ_２）として個々に変換して、光の重心位置の計測を行う。このとき、受光素子の暗電流、回路上の漏洩電流およびＩ／Ｖ変換アンプのオフセット電流が製作上の誤差として存在するため、これらの電流量の総和が、回路全体のオフセット電圧（Ｖ_１０，Ｖ_２０）として出力電圧に作用する。すなわち、電圧変換後の出力電圧をＶ_１、Ｖ_２とすると、測定される高さＺは（１）式で表される。ここで、αは試料高さの測定範囲と、ＰＳＤ上での光の重心移動範囲とから決定される係数である。

しかし、オフセット電圧を考慮すると、実際に測定される高さＺ’は、（２）式で表される。但し、（２）式において、Ｖ_１０、Ｖ_２０は、それぞれオフセット電圧である。

次に、受光素子４４のオフセット値を求める方法について述べる。

実際の測定は（２）式で得られること、理論的には光量が変化しても一定の値（ａ）を示すことから、
で表せる。このとき、オフセット電圧の和（Ｖ_１０＋Ｖ_２０）を光量に対し十分に小さいとして省略すれば、
である。よって、（Ｖ_２０−Ｖ_１０）＝ｂとすれば、（Ｖ_１−Ｖ_２）は下記式で示すことができる。
したがって、光量（Ｖ_１＋Ｖ_２）を変化させた測定を最低２点で行うことで、係数ａおよび係数ｂが求まる。

一方で、この係数を高さの異なる少なくとも２つの点で求めると、Ｖ_１＝Ｖ_２＝０のとき、オフセット電圧のみで高さは計算されて同じ値を示すことから、以下の関係が成立する。
この場合、オフセット電圧の和を省略したことによる誤差が生ずるが、得られたオフセット値を反復演算して加えることで、誤差を最小にしてＶ_１０、Ｖ_２０が得られる。

尚、オフセット値は、少なくとも２点での測定により求めることができるが、測定点数を多くした方が、測定誤差の影響を小さくして、オフセット値の変動を抑制することができる。

具体的には、高さ測定部４０において、リファレンス基板表面の高さと、光源４１から照射される光の光量とを変えて、高さ測定を行う。得られた電圧値Ｖ_１、Ｖ_２について、横軸に（Ｖ_１＋Ｖ_２）の値を、縦軸に（Ｖ_１−Ｖ_２）の値をとってグラフを描く。（Ｖ_１＋Ｖ_２）と（Ｖ_１−Ｖ_２）の関係を直線で近似し、この直線（ｙ＝ａｘ＋ｂ）の傾き（ａ）と切片（ｂ）を求める。そして、
の関係を用いることにより、オフセット値Ｖ_１０、Ｖ_２０が得られる。得られたオフセット値Ｖ_１０、Ｖ_２０は、オフセット値メモリ部８０に記憶される。この測定を反復して行い、得られるオフセット値が許容値内または、変化しなくなったときの値を最終登録値とする。

図５は、受光素子の受光量と、マスク表面の高さを測定して得られた値との関係を示した図である。この図において、点線は、受光素子からの出力値に対して高さデータ処理部での処理を行わずに得られた値を結んだ線であり、実線は、高さデータ処理部での処理を行って得られた値を結んだ線である。すなわち、前者は、オフセット補正を行わずに得られた高さデータに対応し、後者は、オフセット補正後に得られた高さデータに対応する。この結果から分かるように、高さデータ処理部での処理を行わない場合には、受光素子の受光量が小さい領域で測定値の変動が大きくなる。これは、測定値にオフセット値が含まれていることによって、受光素子の受光量が小さい領域でオフセット値の影響が無視できなくなるためである。一方、高さデータ処理部での処理を行った場合には、測定値からオフセット値が除かれているので、受光素子の受光量にかかわらず高さデータは略一定となる。

高さ測定部４０では、上記の通り、受光素子４４から２つの信号（Ｉ_１、Ｉ_２）が出力される。これらの信号は、Ｉ/Ｖ変換アンプ４５で電流値から電圧値に変換された後、信号処理部６０に入力される。信号処理部６０では、信号Ｖ_１、Ｖ_２が、非反転増幅アンプ６１によって適切な電圧レベルに増幅された後、Ａ/Ｄ変換部６２でデジタルデータに変換される。変換されたデータは、高さデータ処理部７０に送られて、オフセット電圧値を除去する処理が行われる。ここで、高さデータ処理部７０は、受光素子の出力値からオフセット値を差し引いた値を用いて試料の高さを求める手段である。また、オフセット値メモリ部８０は、受光素子のオフセット値を記憶する手段に対応し、さらに、ステージ３、ステージ駆動部４およびステージ制御部５は、試料の高さを用いて、試料を所望の位置に調整する手段を構成する。

高さデータ処理部７０のオフセット電圧値除去部７１には、信号処理部６０から測定値（Ｖ_１、Ｖ_２）が入力される一方で、オフセット値メモリ部８０からオフセット値（Ｖ_１０、Ｖ_２０）が入力される。この値は、受光素子４４のオフセット電圧に対応する。本実施の形態では、測定値（Ｖ_１、Ｖ_２）からオフセット値（Ｖ_１０、Ｖ_２０）を差し引いた値を用いて、リファレンス基板表面の高さデータを作成する。

オフセット電圧値除去部７１では、測定値（Ｖ_１、Ｖ_２）からオフセット値（Ｖ_１０、Ｖ_２０）を差し引いた値（Ｖ_１’、Ｖ_２’）を用いて、（Ｖ_１’−Ｖ_２’）/（Ｖ_１’＋Ｖ_２’）の値が計算される（正規化処理）。この値は所定時間間隔（例えば、２０ミリ秒以下）で更新され、得られた値を時間平均して（平均化処理）、マスク基板２の表面の高さデータＺ_１を得る。尚、平均化処理では、サンプリングデータの最大値と最小値を除いた値に対して行うことができる。

次に、高さ補正部７２において、高さデータＺ_１に対して上記と同様の平均化処理を行った後、直線化補正処理を行う。この直線化補正処理は、試料面の高さ変化の直線性を校正する処理である。具体的には、受光素子４４で得られた正規化データに特定の分解能（um/bit）を乗ずれば正確に試料面の変化を出力するような固有の補正係数を用いて、多項式演算処理を行う。多項式演算の補正係数の算出は、試料２として高さ基準となる原器を設置して、高さを計測した結果を基に、原器の寸法に一致するような固有の多項式近似係数を最小二乗法より求めることで行う。ここで、原器とは、階段状の形状で複数の段差を持ち、段差の寸法が予め精度良く計測してある試料である。このようにして高さデータは作成されるが、リファレンス基板表面の高さは、電子ビーム描画装置の高さ基準面との相対高さとして計測する必要がある。よって、高さ基準面の高さデータとリファレンス基板表面の高さデータの差をとり、リファレンス基板表面の高さデータＺ_２を得る。

次に、基板の撓み、高さ測定部の機器的安定性、基板の個体差などを考慮して、高さデータＺ_２をある範囲で規定する。これが、高さデータの基準範囲、すなわち、確からしい高さデータの範囲となる（図４のＳ１０４）。

次に、描画対象となるマスク基板２について、図３の高さ測定部４０で高さ測定を行う（図４のＳ１０５）。例えば、高さ測定領域を（８×８）のグリッドで分割し、各交点の高さを測定することができる。

次いで、高さ測定部４０で得られた測定値に対し、上記と同様にしてオフセット補正を行う（図４のＳ１０６）。

次に、高さ補正部７２において、オフセット補正後の測定値から、リファレンス基板を用いてＳ１０４で求めた高さデータの基準範囲外となる値を除く（図４のＳ１０７）。

例えば、高さ測定領域を（８×８）のグリッドで分割した場合において、図６にその一部を拡大して示すように、グリッドの１つの交点をＡとし、交点Ａに隣接する交点をＢとする。また、上記のグリッドをさらに細かく分割し、交点Ａに近い位置から順にａ、ｂ、・・・とする。

図７に示すように、まず、グリッドの交点Ａにおける高さを測定し（Ｓ２０１）、得られた値が上記の基準範囲内であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。基準範囲内であれば、隣接する次のグリッドの交点Ｂについて同様に高さを測定する（Ｓ２０３）。一方、基準範囲内でない場合には、交点Ａでの測定データを破棄して、交点Ａに近い位置ａを次の測定点として選択する（Ｓ２０４）。そして、Ｓ２０１に戻って位置ａにおける高さを測定した後、Ｓ２０２で測定値が基準範囲内であるか否かを判定する。基準範囲内である場合には、Ｓ２０３に進んで交点Ｂの測定に移るが、基準範囲内でない場合には、位置ａにおける測定データを破棄し、Ｓ２０４で次の測定点として位置ｂを選択する。次いで、Ｓ２０１で位置ｂにおける高さを測定する。以上の処理を繰り返して、高さデータの基準範囲外となる値を除いていく。

高さ補正部７２において、Ｓ１０７の処理後に残った測定値を用いてフィッティングを行い、高さデータを作成する（図４のＳ１０８）。得られた高さデータは、マスク基板２に形成されたパターンに起因する高さ測定誤差が低減されたものである。つまり、上記方法によれば、正確な高さ測定データが得られるので、この高さに応じてレンズを調整することにより、マスク２の表面に電子ビームを正確に収束させることができる。

次に、本実施の形態における高さデータ作成方法の他の例について説明する。

この例では、リファレンス基板を用いない代わりに、マスク基板２における測定数を多くする。例えば、高さ測定領域を（２０×２０）や（１００×１００）などのグリッドで分割して各交点の高さを測定する。高さ測定は、図３の高さ測定部４０で行う。次に、高さ測定部４０で得られた測定値に対し、オフセット電圧値除去部７１においてオフセット補正を行う。オフセット補正は、上記と同様にして行うことができる。次いで、オフセット補正後の値を用い、高さ補正部７２においてフィッティングを行う。パターンの影響を受けて誤差の大きい測定データ数の方が、正常な測定データ数より少ない場合、前者はフィッティング曲線から離れた点、あるいは、フィッティング曲線の形状を不自然に変える点となるはずである。つまり、マスク基板２の自重による撓みとは異なる形状変化がある場合、この変化はパターンに起因すると考えて、対応する測定データ（誤測定データ）を破棄する。そして、再度フィッティングを行うことで、マスク基板２に形成されたパターンに起因する高さ測定誤差が低減された高さデータを得ることができる。

本実施の形態では、上記２つの高さ測定データ作成方法を組み合わせてもよい。以下に、組み合わせる場合の例について説明する。

まず、リファレンス基板を用いて、高さデータの基準範囲、すなわち、確からしい高さデータの範囲を決定する。次いで、描画対象となるマスク基板２の高さを測定する。例えば、高さ測定領域を（８×８）のグリッドで分割し、各交点の高さを測定する。

次いで、得られた測定値に対してオフセット補正を行う。次に、オフセット補正後の測定値から、高さデータの基準範囲外となる値を除く。そして、残った測定値を用いてフィッティングを行う。

ここで、上記の基準範囲のみでは、パターンに起因する測定誤差の大きい点を十分に除くことができず、フィッティング曲線にかかる測定誤差の大きい点が含まれている可能性がある場合には、測定点数を多くしてマスク基板２の高さを再度測定する。例えば、高さ測定領域を（２０×２０）や（１００×１００）などのグリッドで分割して各交点の高さを測定する。そして、オフセット補正後の値を用いてフィッティングを行う。パターンの影響を受けて誤差の大きい測定データ数の方が、正常な測定データ数より少ない場合、前者はフィッティング曲線から離れた点、あるいは、フィッティング曲線の形状を不自然に変える点となるはずである。したがって、かかる点に対応する測定データを破棄して、再度フィッティングを行う。これにより、マスク基板２に形成されたパターンに起因する高さ測定誤差が低減された高さデータを得ることができる。

電子ビームによる描画を行う際には、まず、ステージ駆動部４を介して、ステージ３の位置調整がされる。これにより、マスク基板２の表面の高さが調整される。この調整工程を終えた後は、高さデータ処理部７０で得られた高さデータＺ_２に基づいて電子ビーム光学系１０の調整が行われる。例えば、高さデータ処理部７０から制御計算機６を経て偏向制御部３０に高さデータＺ_２が送られた後、主偏向器ドライバ３３から主偏向器１９へ所定の偏向信号が印加されて主偏向器１９が調整される。これにより、高さ基準面で最適に調整されている主偏向器が高さデータＺ_２に応じて調整され、試料の所望の位置および寸法で描画することが可能となる。尚、高さデータＺ_２に応じて調整されるのは主偏向器１９に限定されるものではなく、静電レンズ１６や副偏向器２０が調整されてもよい。これらを調整しても上記と同様の効果が得られる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、正確な高さ測定データが得られるので、この高さに応じてレンズを調整することにより、試料の表面に電子ビームを正確に収束させることができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。例えば、上記実施の形態では電子ビームを用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、イオンビームなどの他の荷電粒子ビームを用いた場合にも適用可能である。

１試料室
２マスク基板
３ステージ
４ステージ駆動部
５ステージ制御部
６制御計算機
７位置回路
８磁気ディスク
１０電子ビーム光学系
１１電子銃
１２、１３、１４、１５、１６レンズ
１７ブランキング用偏向器
１８成形偏向器
１９主偏向器
２０副偏向器
２１第１のアパーチャ
２２第２のアパーチャ
２５パターンメモリ
２６パターンデータデコーダ
２７描画データデコーダ
２８ブランキング回路
２９ビーム成型器ドライバ
３０偏向制御部
３１セトリング時間決定部
３２副偏向領域偏向量算出部
３３主偏向器ドライバ
３４副偏向器ドライバ
４０高さ測定部
４１光源
４２投光レンズ
４３受光レンズ
４４受光素子
４５Ｉ/Ｖ変換アンプ
５１描画されるパターン
５２フレーム領域
５３副偏向領域
５４電子ビーム
６０信号処理部
６１非反転増幅アンプ
６２Ａ/Ｄ変換部
７０高さデータ処理部
７１オフセット電圧値除去部
７２高さ補正部
８０オフセット値メモリ部

Claims

試料に光を斜めに入射し、前記試料の表面で反射した反射光をＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）で受光することにより、前記試料の高さを測定する高さ測定方法において、
前記高さの基準となる範囲を決定する工程と、
前記ＰＳＤを含むアナログ信号処理回路上でのオフセット値を求める工程と、
前記試料の高さ測定領域を所定のグリッドで分割し、前記グリッドの交点における高さを測定して、前記ＰＳＤの出力値から前記オフセット値を差し引いた値を用いて前記試料の高さの測定データを求める工程と、
前記試料の高さの測定データの内で、得られた値が前記基準となる範囲内である場合には、隣接する次のグリッドの交点における高さを測定するが、前記基準となる範囲内でない場合には、前記グリッドの交点における高さを破棄し、前記グリッドをさらに細かく分割した該交点に近い位置から順に高さを測定する工程を繰り返し、前記基準となる範囲に含まれない値を除き、残った値を用いてフィッティングを行い、前記試料の高さデータを作成する工程とを有することを特徴とする高さ測定方法。
光を出射する光源と、前記光をステージ上に載置される試料の表面に収束させる投光レンズと、前記試料の表面で反射した反射光が入射する受光レンズと、前記受光レンズで収束された反射光を受光して前記試料の表面の位置を検出するＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）とを備えた荷電粒子ビーム描画装置であって、
前記ＰＳＤを含むアナログ信号処理回路上でのオフセット値を記憶する手段と、
前記試料の高さ測定領域を所定のグリッドで分割し、前記グリッドの交点における高さを測定して、前記ＰＳＤの出力値から前記オフセット値を差し引いた値を用いて求めた前記試料の高さの内で、得られた値が前記基準となる範囲内である場合には、隣接する次のグリッドの交点における高さを測定するが、前記基準となる範囲内でない場合には、前記グリッドの交点における高さを破棄し、前記グリッドをさらに細かく分割した該交点に近い位置から順に高さを測定する工程を繰り返し、予め求めた基準範囲に含まれない値を除き、残った値を用いてフィッティングを行い前記試料の高さデータを作成する手段と、
前記高さデータを基に前記荷電粒子ビームを調整する手段を有することを特徴とする荷電粒子ビーム描画装置。
試料に光を斜めに入射し、前記試料の表面で反射した反射光をＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）で受光することにより、前記試料の高さを測定する高さ測定方法において、
前記ＰＳＤを含むアナログ信号処理回路上でのオフセット値を求める工程と、
前記試料の高さ測定領域を所定のグリッドで分割し、前記グリッドの交点における高さを測定して、前記ＰＳＤの出力値から前記オフセット値を差し引いた値を用いて、前記試料の高さの測定データを求める工程と、
前記試料の高さの測定データを用いてフィッティングを行う工程と、
前記フィッティングの結果に基づき、前記試料の高さの測定データから誤測定データを除去し、前記誤測定データの前記交点に近い位置の高さを測定し、再度フィッティングすることを繰り返し、前記試料の高さデータを作成する工程とを有することを特徴とする高さ測定方法。
光を出射する光源と、前記光をステージ上に載置される試料の表面に収束させる投光レンズと、前記試料の表面で反射した反射光が入射する受光レンズと、前記受光レンズで収束された反射光を受光して前記試料の表面の位置を検出するＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）とを備えた荷電粒子ビーム描画装置であって、
前記ＰＳＤを含むアナログ信号処理回路上でのオフセット値を記憶する手段と、
前記試料の高さ測定領域を所定のグリッドで分割し、前記グリッドの交点における高さを測定して、前記ＰＳＤの出力値から前記オフセット値を差し引いた値を用いて前記試料の高さを求める手段とを有し、
前記試料の高さを求める手段では、前記試料の高さの測定データを用いてフィッティングを行い、得られた結果に基づき、前記試料の高さの測定データから誤測定データを除去し、前記誤測定データの前記交点に近い位置の高さを測定し、再度フィッティングすることを繰り返し、前記試料の高さデータを作成し、
前記高さデータを基に前記荷電粒子ビームを調整する手段を有することを特徴とする荷電粒子ビーム描画装置。