JP2000100695A

JP2000100695A - 荷電ビーム描画装置および方法

Info

Publication number: JP2000100695A
Application number: JP10267801A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Sunaoshi; 仁砂押; Munehiro Ogasawara; 宗博小笠原; Tadahiro Takigawa; 忠宏滝川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2000-04-07

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、パターン描画を行わずに、ショッ
トサイクル程度の周波数で高速に変化するビームのショ
ット位置を計測する手段を提供する。【解決手段】電子ビームを試料１０に照射し、反射電
子像７または透過電子像を拡大光学系１及び位置検出器
２を用いてショット形状、位置を測定する。位置検出器
２の蓄積時間をショットサイクルより十分長くしておけ
ば、高速に変化するショット像を連続して位置検出器２
に蓄積した後、画像処理することによってショットの相
対位置や形状を評価することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＵＬＳＩ等の微細
パターンを試料上に描画する荷電ビーム描画装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体ウエハなどの試料上に所望
のパターンを高精度に描画する手段として、電子ビーム
などの荷電ビームを用いた描画装置が使われている。特
にビーム寸法や形状を任意に変化させて露光することが
できる可変成形型描画装置（以下ＶＳＢ描画装置）はス
ループットが格段に高いという特徴を有する。このよう
な荷電ビーム描画装置では、ビーム位置、形状、寸法、
偏向感度等の校正や偏向歪補正のため、試料上でのビー
ム位置、形状を測定する必要がある。

【０００３】ここで図を用いて従来のビーム位置測定方
法について説明する。図２に、電子ビーム露光装置の概
略構成図を示す。図中の１００は電子銃、１０１は電子
銃１００から放出された電子ビーム、１０２はビームの
位置を制御する偏向制御回路、１０３は静電型偏向器、
１０４は対物レンズ、１０５は反射電子検出器、１０６
は反射電子信号を処理する回路、１０７は可動ステー
ジ、１０８はウエハ等の試料、１０９はマーク台及びマ
ーク、１１０はステージ位置制御回路、１１１はレーザ
ー測長系、１１２は制御用計算機、１１３は、電子ビー
ム１０１でマーク台１０９上にあるマークを走査した時
に得られる反射電子である。なお、電子ビーム描画装置
には、他にも電磁レンズ、アライメントコイル、制御電
源などの構成要素が存在するが、ここでは省略する。

【０００４】電子ビーム１０１は対物レンズ１０４によ
って試料上に焦点を結び、偏向器１０３で試料上の任意
の位置に位置決めする事が出来る。試料１０８とマーク
台１０９は、可動ステージ１０７を動かして選択する事
が出来、その位置はレーザー測長系１１１及びステージ
位置制御回路１１０によって精度良く制御、モニタする
ことが可能である。

【０００５】マーク台１０９上には、図３に示すよう
に、半導体プロセスによって作製された重金属製のライ
ンマーク１２０がｙ軸と平行に設置されている。x軸、
ｙ軸は図３中に定義されている。このラインマーク１２
０上を電子ビーム１０１で図中１２１のように走査する
と、ラインマーク上では下地と電子の反射率が異なるの
で、図４に示すようなマーク波形１２２が得られる。電
子ビームの走査は、静電型偏向器１０３に印加する電圧
を走査することで行うことができる。波形処理によって
マーク波形１２２の中心１２３を求めれば、それがライ
ンマーク１２０のｘ方向の中心位置となる。

【０００６】一方、マーク台１０９の相対位置はレーザ
ー測長系によって知ることができるので、マーク台１０
９の位置を変化させて偏向器１０３に印加する電圧を変
えながら、図４のようなマーク波形を測定すれば、偏向
器１０３の印加電圧と試料上での偏向量の関係を知るこ
とができ、ビーム位置、寸法、偏向感度等の校正や偏向
歪補正を行うことができる。また、ラインマークの替わ
りに微細なドット状のマーク上を２次元的に走査すれ
ば、ビーム形状を反映した波形を得ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
方法でビーム校正を行い、実際に試料に描画を行い、描
画結果をＳＥＭで観察すると、ショット繋ぎやフィール
ド繋ぎ誤差が必ずしもビーム校正結果を反映していない
場合がある。

【０００８】これには、マークを用いて偏向感度や偏向
歪を校正しても、マーク台と実際に描画するウエハなど
の試料との高さの違い高いがある、外乱、ノイズなどの
高い周波数のビーム振動が存在するといった理由が考え
られる。

【０００９】パターン描画を行うときには１μｓ以下の
ショットサイクル（＝セトリング時間＋照射時間）で偏
向器１０３への印加電圧を変化させてビーム位置を移動
しながら露光を行っている。前述の従来の方法でビーム
位置校正を行うと、電子ビームの１回の走査に数ｍｓの
時間を要し、実際にはさらに高精度化するための平均加
算処理によって数十ｍｓを費やす。また検出器やアンプ
の応答性、読み出し速度も数ｋＨｚ程度であるので、描
画時のように数百ｋ〜ＭＨｚオーダーで変化するショッ
トごとの位置や形状を精度良く計測することは、従来方
法では不可能であった。

【００１０】よって、ショットやフィールドの接続精度
を向上するには、パターン描画を行ってショット形状や
位置をＳＥＭなどで観察し、装置へフィードバックする
以外に方法が無かった。さらに１回の評価に、レジスト
塗布、露光、現像、観察と複数のプロセスが含まれるの
で、評価時間が長くかかりすぎる問題があった。また、
パターン描画を行うと、描画回路や描画データの不良に
よるパターンエラーが発生することがあるが、これにつ
いても描画を行ってパターンを観察する以外にエラーの
発生を確認する手段が無く、評価に多大な時間と労力を
必要とする問題があった。

【００１１】さらに、電子線描画装置では、ビーム形状
やビーム位置を制御するために静電型偏向器を用いるこ
とが多いが、コンタミネーションが原因で偏向電極や周
辺部品がチャージアップし、ビームがドリフトしてビー
ム寸法やビーム位置が変動する問題があった。しかしな
がら、描画中にこのようなドリフトが発生してもビーム
位置や形状をモニターすることができないので、パター
ン精度の劣化は免れなかった。

【００１２】本発明は、パターン描画を行わずに、ショ
ットサイクル程度の周波数で高速に変化するビームのシ
ョット位置や形状を計測することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、荷電ビームを
用いてパターンを試料上に描画する荷電ビーム描画装置
において、試料に荷電ビームを照射して発生する荷電ビ
ーム像を拡大して投影する拡大光学手段と、前記拡大光
学手段によって拡大された荷電ビーム像の形状及び位置
を検出する手段とを有し、前記荷電ビーム像の形状及び
位置を検出する手段は、荷電ビームの位置検出が可能で
２次電子増倍機能を有する荷電ビーム検出手段と、前記
荷電ビーム検出手段から発生する電子を光信号に変換す
る手段と、前記光信号を電気信号に変換する手段と、前
記光信号変換手段と前記電気信号変換手段との間で光信
号を伝達する手段とから成る。

【００１４】また、荷電ビーム像を拡大して投影する拡
大光学手段へ入射する荷電ビーム像は、試料から反射し
た荷電ビーム像または試料を透過した荷電ビーム像また
は試料を介さずに直接入射したものである。

【００１５】そして、前記試料に荷電ビームを照射して
発生する荷電ビーム像を拡大して投影する拡大光学手段
と、前記拡大光学手段によって拡大された荷電ビーム像
の形状及び位置を検出する手段と用いて、荷電ビーム形
状または荷電ビーム位置を検出する。その際に、荷電ビ
ーム像の形状及び位置を検出する手段に、少なくとも２
個以上の荷電ビーム形状を蓄積して、相対位置を検出す
る。このとき荷電ビーム像の形状及び位置を検出する手
段の蓄積時間を、荷電ビームのショットサイクルよりも
長くしておけば、高速に変化するショット位置や形状を
計測することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。

【００１７】（実施例１）図１は、本発明による第１の
実施例を説明するための電子ビーム露光装置の構成図で
ある。従来例と同一個所については同一番号をつけて、
詳しい説明は省略する。

【００１８】ウエハ等の試料１０８に照射された電子ビ
ームは、その一部が反射して拡大光学系１に入射する。
電子ビームの反射電子像７は、試料１０８に照射された
電子ビームの形状及び強度を反映した３次元分布（位置
と強度）を有する。拡大光学系１は、レンズ、アライメ
ント機能、非点補正機能等から構成され（図示せず）、
反射電子像７を拡大して２次元の位置検出器２に投影さ
れる。拡大光学系１に含まれるレンズやアライメント機
能は、電磁、静電のどちらでも利用できるが、検出効率
を向上させるためにできるだけ試料に近づける意味か
ら、静電型にして真空中に設置することがより望まし
い。位置検出器２には、入射電子の位置検出と増幅作用
を持つマルチチャンネルプレート（ＭＣＰ）を用いるこ
とが望ましい。位置検出器２の出力は蛍光体３を用いて
光信号に変換され、光ファイバー４を介して光位置検出
器５に入力される。光位置検出器５には、ＣＣＤカメラ
を用いることが望ましい。光位置検出器５の出力は、画
像処理手段８を用いて画像処理され、電子ビーム像を得
ることができる。

【００１９】ここで、上記構成を用いた場合のビーム位
置検出の原理を図５を用いて説明する。図５（ａ）で、
電子ビームを試料上の位置２００に照射した場合、検出
される画像は図５（ｂ）２１０となる。次に電子ビーム
をビームサイズ分ｙ軸方向に移動した位置２０１に照射
する（図５（ｃ））。このとき光位置検出器５に検出信
号の蓄積時間が電子ビームのショットサイクルに比べて
非常に長いＣＣＤカメラを用いれば、図５（ｄ）に示す
ように、最初のショット像２１０が残像として残ったま
ま２番目のショット２０１の像２１１が蓄積される。さ
らに電子ビームを位置２０２に照射すると（図５
（ｅ））、検出画像にはショット像２１０、２１１が残
ったまま像２１２が蓄積される（図５（ｆ））。つま
り、電子ビームの照射位置を変化させると、あたかも光
位置検出器上にパターン描画を行ったかのごとくビーム
形状が残像として得られることになる。

【００２０】現実には、拡大光学系１を通過した後に色
収差の影響によってショット像がぼけるために、図５
（ｂ）（ｄ）（ｆ）に示したような鮮明な画像データを
得られることは少ない。このような場合には、拡大光学
系１の内部にエネルギーフィルター機能を設けることに
よって、鮮明なショット像を得ることができる。また、
得られた画像データと電子ビーム１０１の照射に使用し
た描画データとの間でパターンマッチング等の比較処理
を行うことで、不鮮明な画像データであっても、ショッ
ト位置や形状を抽出することも可能である。

【００２１】光位置検出器の蓄積時間以内でかつ必要な
ビーム照射を行った後、画像処理手段８を用いて光位置
検出器に蓄積されたショット画像データを処理すれば、
ショット間の相対位置を得ることができる。そして実際
の描画処理を行いながら、上述の測定を行えば、描画パ
ターンにおけるショットの接続精度を評価するための画
像データを得ることができる。

【００２２】検出画像の精度は、位置検出器２の分解能
が大きく影響するが、拡大光学系１の拡大率を２０倍程
度にすれば、試料１０８に照射されるビームサイズが２
μｍ×２μｍのとき、４０μｍ×４０μｍの像が位置検
出器２、光位置検出器５を介して得られることになり、
それぞれの画素サイズは数μｍのものを用いれば相対位
置を検出するには十分である。また、位置検出器２と光
位置検出器５の間に拡大光学レンズ（図示せず）を入れ
ることで、光位置検出器２で得られる画像の解像度を高
くすることが可能である。

【００２３】また拡大光学系１の前段には、反射電子像
７を効率よく集めるためのグリッド電極６をつけると、
検出効率が大きくなる。試料１０８は、レジストが塗布
されたウエハ、レチクルなど、実際に描画に用いる試料
またはそれにできる限り近い形状、材質であることが望
ましい。

【００２４】又、ステージ位置をレーザー測長系１１１
及びステージ位置制御回路１１０によってモニタし、ス
テージ位置の変動を拡大光学系１のアライメント機能
（図示せず）へフィードバックして反射電子像７の位置
を補正することにより、実際にパターン描画中のステー
ジの位置ずれの影響も評価することが出きる。

【００２５】よって本実施例の方法を用いれば、高速に
変化するショットにあっても、各ショット画像を同一面
内に蓄積した後、一度に画像処理手段８に取り込むの
で、各ショットの相対位置や形状を高精度にかつ描画を
行うことなくリアルタイムで測定することができ、位置
誤差、寸法誤差、ショット接続精度を短時間のうちに向
上させることができる。また、実際にパターン描画を行
っているときにも、ショット位置をモニターすることに
より、描画結果の不良解析を容易にすることができる。

【００２６】（実施例２）図６は第２の実施例を説明す
るための電子ビーム露光装置の構成図である。従来例及
び実施例１と同一個所については同一番号をつけて、詳
しい説明は省略する。

【００２７】実施例１では、電子ビームを試料に照射
し、反射電子像を検出してショット位置を測定した。本
実施例では、試料を透過した電子像を測定してショット
位置を測定する方法を説明する。

【００２８】一般に用いられる電子ビーム描画装置の電
子線のエネルギーは５０ｋｅＶ程度で、通常のウエハや
レチクルでは電子は透過できない。そこで透過電子像を
測定する場合は、電子が透過できる程度の材料、厚さを
持つ試料１０上に電子ビームを照射して測定を行う。試
料１０を透過後の測定系の構成及び方法は、実施例１と
同様である。

【００２９】試料１０の厚さ及び材質は、位置検出器２
を破損することが無いように選択することが必要で、透
過率と入射電子強度を適当に選択し、位置検出器２に入
射する電子ビームの量を制限することが重要である。電
子線強度に問題が無ければ、試料１０を介さずに直接拡
大光学系１に電子ビームを入射しても良い。

【００３０】よって本実施例の方法を用いれば、高速に
変化するショットの相対位置を高精度にかつ描画を行う
ことなくリアルタイムで測定することができ、ショット
繋ぎ精度を短時間のうちに向上させることができる。

【００３１】（実施例３）次に、本発明の第３の実施例
を説明する。

【００３２】実施例１、実施例２では、隣り合うショッ
トの相対位置の測定方法について説明した。この場合、
位置検出器２や光位置検出器５の有効面積以上の像を同
時に捕らえることができない。よって、一般の電子ビー
ム描画装置で用いられている数μｍ程度のビームサイズ
の場合、同時に測定できる領域は１０ショットから２０
ショット分の数十μｍ□のエリアが妥当である。さらに
大きな領域を同時に観測するためには、拡大光学系の拡
大率を小さくすることで、測定範囲を広げることが出き
る。

【００３３】図７を用いて測定範囲が偏向領域程度の場
合について詳細に説明する。図７は、偏向領域以上の描
画エリア１６を持つパターンを描画する場合のパターン
分割方法を示したものである。電子線描画装置では、偏
向器１０３が偏向できる領域が限られているため、可動
ステージ１０７を連続移動させながらパターン描画を行
う（図７ステージ移動方向）。連続移動方向と垂直な方
向の偏向可能領域は図中１５で示した範囲で、数百μｍ
から数ｍｍの大きさである。描画エリア１６は、図７に
示すように短冊状に分割（フレーム１１〜１４）に分割
して描画を行う。ここで、フレーム１１とフレーム１２
の繋ぎ目にフレーム繋ぎ誤差と呼ばれる位置誤差が発生
し、パターン精度に悪影響を与える。

【００３４】そこで、図８に示すようにフレームの両端
にライン状にビームを照射し、実施例１または実施例２
に示した方法でフレーム位置画像を測定する。このとき
拡大光学系１の拡大率を、偏向可能領域１５全体を測定
できる程度に小さくしておく。そして予め画像データ上
のピクセル数と寸法の関係を求めておけば、実際に描画
されるフレーム幅を測定することができ、描画を行うこ
となく、フレーム繋ぎ精度評価をすることができる。

【００３５】（実施例４）次に、本発明の第４の実施例
について説明する。

【００３６】電子線描画装置では、ＣＡＤを用いて作成
された描画パターンデータを描画装置用のフォーマット
に変換し、描画回路を介して描画装置の偏向器、レン
ズ、ステージ位置が制御されパターン描画が行われる。
しかしながら、実際に描画をおこなうと、描画データの
入力ミスやデータ変換ソフトのバグ、さらには描画回路
のバグ等によって、ショット位置がデータと大幅に違
う、又はパターンが描画されていないなどの所謂パター
ンエラーが発生することがある。このパターンエラー
は、描画を行ってパターンを観察するまでは評価をする
ことが困難である。

【００３７】そこで、本発明による第１の実施例、第２
の実施例、第３の実施例で説明した方法で、実際の描画
時と同様に描画データを処理しつつショット位置を測定
すれば、描画を行うことなく、パターンエラーの発生を
リアルタイムにモニターすることができ、装置の不良解
析にかかる時間が飛躍的に削減できる。

【００３８】（実施例５）次に、本発明による第５の実
施例について説明する。

【００３９】電子線描画装置では、ノイズによる電子ビ
ームの位置ずれの影響を低減するため、同一パターンを
同一個所または少しずつずらして多数回描画する、所謂
多重描画を行って平均化することで精度を向上してい
る。

【００４０】そこで、本発明による第１の実施例、第２
の実施例、第３の実施例で説明した方法で、多重描画の
描画時と同様の電子ビーム照射を行い、ショット位置を
測定すれば、描画を行うことなく、多重描画による影響
を評価することができ、多重度の決定が容易にできる。

【００４１】（実施例６）次に、本発明による第６の実
施例について説明する。

【００４２】前記実施例で説明したように、本発明によ
る方法を用いれば、描画を行いながらほぼリアルタイム
にビーム位置をモニタすることができる。図９はビーム
位置を制御している偏向器のチャージアップ等が原因で
ビーム位置がドリフトした場合に得られるショット位置
画像である。本来ドリフトが無い場合は１７の破線のよ
うにショット画像が得られるはずであるが、ドリフトに
よって１８のようなショット画像が得られる。

【００４３】そこで、あらかじめ描画データを用いて理
想的な場合のショット画像を用意しておき、実際に描画
を行って得られるショット画像を適宜比較することによ
り、ドリフトによるビーム位置の変動やビーム形状の変
動を知ることができる。そして変動分をビーム位置を制
御する偏向器にフィードバックすることにより、ドリフ
トの影響を一定の範囲内に抑えることができる。ビーム
ドリフトの時定数はショットサイクルに比べ十分長く、
画像処理時間を考慮しても補正には十分である。

【００４４】（その他の実施例）前記実施例に於いて
は、連続したショットパターン間やフレーム間の画像デ
ータ測定を例に説明したが、本発明によれば相対的な位
置関係を知ることができるので、必ずしも連続している
必要はなく、ショットやフレームの間に任意の間隔があ
っても本発明による手段は有効である。

【００４５】前記実施例に於いては電子ビーム露光装置
を用いた場合を説明したが、これに限らず、イオンビー
ムなどの荷電ビーム露光装置を用いた場合にも適応可能
である。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、描
画を行ってパターン観察をすることなく、高速に変化す
るショット間の相対位置を高精度にリアルタイムで測定
することができ、ショット、フィールドの接続精度を短
時間のうちに向上させることができる。また、実際にパ
ターン描画を行っているときにも、ショット位置をモニ
ターすることにより、パターンエラー等の描画結果の不
良解析を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を説明する電子ビーム露
光装置の構成図である。

【図２】従来の方法を説明する電子ビーム露光装置の構
成図である。

【図３】従来のビーム位置検出方法を説明する図であ
る。

【図４】従来のビーム位置検出方法を説明する図であ
る。

【図５】本発明によるビーム位置を検出する原理を説明
する図である。

【図６】第２の実施例を説明するための電子ビーム露光
装置の構成図である。

【図７】第３の実施例を説明するための図である。

【図８】第３の実施例を説明するための図である。

【図９】第６の実施例を説明するための図である。

【符号の説明】

１拡大光学系２位置検出器３蛍光体４光ファイバー５光位置検出器６グリッド電極７反射電子像８画像処理手段１０試料１１、１２、１３、１４フレーム１５偏向可能領域１６描画エリア１７理想的なショット位置の例１８ドリフトがある場合のショット位置の例１００電子銃１０１電子ビーム１０２偏向制御回路１０３偏向器１０４対物レンズ１０５反射電子検出器１０６反射電子信号処理回路１０７可動ステージ１０８試料１０９マーク台及びマーク１１０ステージ位置制御回路１１１レーザー測長系１１２制御用計算機１１３反射電子１２０ラインマーク１２１電子ビームの走査位置１２２マーク波形１２３マーク波形の中心２００、２０１、２０２試料上のショット位置２１０、２１１、２１２検出画像上のショット位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者滝川忠宏神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内Ｆターム(参考） 2H097 CA16 KA20 KA26 LA10 5F056 BA05 BA08 BB01 BC03 BC08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電ビームを用いてパターンを試料上に
描画する荷電ビーム描画装置において、試料に荷電ビー
ムを照射して発生する荷電ビーム像を拡大して投影する
拡大光学手段と、前記拡大光学手段によって拡大された
荷電ビーム像の形状及び位置を検出する手段とを有する
ことを特徴とする荷電ビーム描画装置。
【請求項２】請求項１記載の荷電ビーム像の形状及び
位置を検出する手段は、荷電ビームの位置検出が可能で
２次電子増倍機能を有する荷電ビーム検出手段と、前記
荷電ビーム検出手段から発生する電子を光信号に変換す
る手段と、前記光信号を電気信号に変換する手段と、前
記光信号変換手段と前記電気信号変換手段との間で光信
号を伝達する手段とから成ることを特徴とする、請求項
１記載の荷電ビーム描画装置。
【請求項３】請求項１記載の荷電ビーム像を拡大して
投影する拡大光学手段へ入射する荷電ビーム像は、試料
から反射した荷電ビーム像または試料を透過した荷電ビ
ーム像または試料を介さずに直接入射したものであるこ
とを特徴とする請求項１記載の荷電ビーム描画装置。
【請求項４】荷電ビームを用いてパターンを試料上に
描画する荷電ビーム描画装置において、試料に荷電ビー
ムを照射して発生する荷電ビーム像を拡大して投影する
拡大光学手段と、前記拡大光学手段によって拡大された
荷電ビーム像の形状及び位置を検出する手段と用いて、
荷電ビーム形状または荷電ビーム位置を検出することを
特徴とする荷電ビーム描画装置。
【請求項５】荷電ビームを用いてパターンを試料上に
描画する荷電ビーム描画装置において、試料に荷電ビー
ムを照射して発生する荷電ビーム像を拡大して投影する
拡大光学手段と、前記拡大光学手段によって拡大された
荷電ビーム像の形状及び位置を検出する手段と用いて、
荷電ビーム形状または荷電ビーム位置を検出することを
特徴とする荷電ビーム描画方法。
【請求項６】請求項１記載の荷電ビーム像の形状及び
位置を検出する手段に、少なくとも２個以上の荷電ビー
ム形状を蓄積して、相対位置を検出することを特徴とす
る荷電ビーム描画方法。
【請求項７】請求項１記載の荷電ビーム像の形状及び
位置を検出する手段の蓄積時間は、荷電ビームのショッ
トサイクルよりも長いことを特徴とする請求項１記載の
荷電ビーム描画装置。