JP2000208387A

JP2000208387A - 電子ビ―ム描画装置

Info

Publication number: JP2000208387A
Application number: JP11003903A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsuji; 浩志辻; Kunio Harada; 邦男原田; Hidetoshi Sato; 秀寿佐藤; Hiroya Ota; 洋也太田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-01-11
Filing date: 1999-01-11
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ステージ移動に起因するビームの位置ずれを
低減し、かつ、ステージ慣性力の変動により生ずる試料
室の振動が電子光学鏡筒に伝達しないようにし、それに
より高精度に描画できるようにする。【解決手段】試料室３が電子光学鏡筒１に対して水平方
向に移動できる機構（転がり案内２１または磁気浮上案
内）を備えることにより、ステージ慣性力の変動により
生ずる試料室３の振動は電子光学鏡筒１に直接伝達しな
い。制振アクチュエータ１３により、試料室３にはステ
ージ慣性力に相応する制振力が作用するため、試料室３
の振動は短時間で減衰する。描画位置は、電子光学鏡筒
１の下端７とステージ４上のミラー９との相対位置をレ
ーザ測長によって検出する。電子光学鏡筒１は静止状態
に保つことができるので、高精度描画が実施できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビーム描画装
置に係わり、特にステージ動作により発生する試料室の
振動を電子光学鏡筒から絶縁することによって、高精度
描画を行う電子ビーム描画装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の集積度が向上するに
ともなって、微細な加工寸法が要求されている。電子ビ
ーム描画装置は、試料が搭載されたステージを移動させ
ながら、電子銃から放出された電子ビームを電子レンズ
で収束して偏向器で偏向させ、試料上に微細パターンを
描画する装置である。電子ビームの軌道を真空にするた
め、電子銃から試料までの空間を真空に保つ必要があ
る。このため、従来の電子ビーム装置の構造は試料室に
電子光学鏡筒が締結された構造、つまり電子光学鏡筒と
試料室とが直接結合されて一体となっている。しかし、
この構造ではステージ慣性力の反力が試料室に作用し、
試料室と電子光学鏡筒が振動するため、電子光学鏡筒と
試料との相対位置が変わり、試料上で電子ビームの位置
ずれが生じる結果、精度が低下する。

【０００３】例えば、特開平６−１１７４８１号公報で
は、外乱が引き起こす定盤の振動を制振させるために、
定盤の振動を検出し、定盤を支持しているアクチュエー
タを駆動させることによって、外部環境からの振動を絶
縁する方法が提案されている。すなわち、定盤（除振
台）の振動のレベルにより位置制御ループの利得を変化
させ、外乱振動が大きいとき利得を高く、床振動が大き
いとき利得を低くしている。これにより、床振動の除振
は空気バネにより行い、外乱振動の制振はアクチュエー
タにより行うようにする。しかし、アクチュエータが過
渡的動作を行うため、定盤が振動しなくてもアクチュエ
ータが動作して定盤に載置された電子ビーム描画装置が
振動してしまうという問題がある。

【０００４】また、特開平２−１８９９１６号公報で
は、電子ビーム描画装置の倒れ込み振動が描画精度に及
ぼす影響を低減させるために、ビームのずれ角に応じて
ステージ位置測長結果を補正する方法が提案されてい
る。すなわち、この方法では、カラムの頂上に加速度セ
ンサを設置して、カラム頂部の移動加速度を常時検出
し、この加速度信号を基に角度算出部でカラムのチャン
バに対する傾角を算出し、補正量算出部で荷電ビームを
所望の位置に収束するための測長量補正量を算出し、こ
れによりステージ位置測長結果を補正している。しか
し、倒れ込み振動の補正は、固有振動以外の振動に対す
る補正が極めて難かしいという問題がある。さらに、特
開平２−２０１９１３号公報では、床と試料室の間にア
クチュエータ等の除振装置を挿入して、防振している。
しかし、この方法では、試料室に電子光学鏡筒が締結さ
れ、一体化された構造であるため、ステージ慣性力の反
力が試料室に作用し、試料室と電子光学鏡筒が振動する
ため、電子光学鏡筒と試料との相対位置が変化し、試料
上で電子ビームの位置ずれが生じてしまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のように、定盤の
みの振動制御では、アクチュエータの挙動（つまり、過
渡的動作）が定盤を変形させることになるため、試料室
と電子光学鏡筒に歪みが生じて、試料上でビーム位置を
変動させる可能性がある。また、倒れ込み振動の補正に
ついては、構造体の固有振動以外の振動に対しては補正
が困難である。そこで、本発明の目的は、このように従
来の課題を解決し、ステージ慣性力の変動によって試料
室が振動している状態でも、電子光学鏡筒に振動を伝達
することなく、高精度に描画を行うことが可能な電子ビ
ーム描画装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の電子ビーム描画装置では、定盤に固定され
た電子光学鏡筒と試料室とは、互いに独立に移動可能な
構造を有する。また、試料室の水平方向の振動が電子光
学鏡筒に伝達しないように、電子光学鏡筒に対して試料
室が水平移動できる機構を設ける（図１の２０，２
１）。また、電子光学鏡筒と試料室との接続は、両者の
位置ずれを吸収するベローズ（図１の５）により締結さ
れる。また、電子光学鏡筒とステージとの相対位置は、
レーザ測長（図１の１１と１２）により計測される。そ
して、ステージ動作後の試料室の振動を直ちに減衰させ
るために、試料室の水平方向の振動に対して制振させる
機構（図１の１３）を設ける。上記電子光学鏡筒に対し
て試料室が水平移動できる機構としては、例えば、直動
転がり案内、磁気浮上案内、あるいは磁気アクチュエー
タのいずれかを用いる。上記試料室の水平方向の振動に
対して制振させる機構としては、例えば、電磁アクチュ
エータを用いる。このような構成により、ステージ移動
により生じる試料室の振動を、電子光学鏡筒から絶縁す
ることができるので、電子光学鏡筒を静止状態に維持す
ることができ、その結果、高精度な描画を行うことが可
能になる。

【０００７】

【発明の実施の形態】先ず、本発明の特徴となる構成要
素について列挙する。（１）本発明の電子ビーム描画装置は、電子光学鏡筒を
架台（定盤）で支持する形態をとり、試料室を自由に水
平方向に移動させる機構を上記架台に設ける。（２）ステージ慣性力の変動によって試料室は振動する
が、試料室が水平方向に移動することにより、振動が電
子光学鏡筒には直接伝達することはない。（３）電子光学鏡筒と試料室とはベローズを介して接続
され、真空が維持される。（４）電子光学鏡筒とステージとの相対位置は、レーザ
測長によって検出される。（５）試料室の振動は、床上に設置された制振機構によ
り直ちに制振される。（６）電子光学鏡筒の重心位置を架台で支持することに
より、電子光学鏡筒そのものの固有振動数も上げること
ができる。（７）低周波の床振動に対しては、電子光学鏡筒と試料
室が同じ除振状態下にあるように、電子光学鏡筒と試料
室を同一架台に設置する。上記のような構成要素を具備することにより、本発明
は、ステージ移動によって生ずる試料室の振動の影響に
よらず、微細パターンを高精度に描画することが可能と
なる。

【０００８】以下、本発明の実施例を、図面により詳細
に説明する。（第１の実施例）図１は、本発明の第１の実施例を示し
た電子ビーム描画装置の断面図である。電子光学鏡筒１
は、その下部を架台２に貫通させる形態で締結されてい
る。なお、電子光学鏡筒１の下部の首部、つまり重心に
近い部分を架台２に押さえられているため、電子光学鏡
筒１の振動は小さくなり、振動周波数は高くなる。これ
により、電子光学鏡筒１の固有振動数を上げることも可
能である。電子光学鏡筒１の下部に配置されている試料
室３は、架台２との間を多数のボールにより滑らかに移
動できるような可動体２１で接触され、電子光学鏡筒１
との間を緩衝材（ベローズ）で接触されているため、架
台２に対しては水平方向に自由に移動することができ
る。試料室３の内部には、電子光学鏡筒１内を放射され
てきた電子ビームが照射される位置にステージ４が収め
られている。試料室３と電子光学鏡筒１の内部を気密に
保持するために、ベローズ５により両者の間を接続す
る。架台２は、床上に設置された固定台２２ａとの間で
床除振機構６によって支持されており、床からの振動を
絶縁する。床除振機構６は、ゴム、エアシリンダ等の振
動吸収材等を用いることができる。

【０００９】電子光学鏡筒１の下端にミラー７を、また
試料室３の内壁に干渉計８を、それぞれ取り付ける。一
方、ステージ４上にミラー９を、また試料室３の内壁に
干渉計１０を、それぞれ取り付ける。この場合、電子光
学鏡筒１とステージ４との相対位置は、試料室３の側壁
を基準とし、ミラー７とミラー９の差より求める。さら
に、架台２の下方に干渉計１１を、また試料室３の外側
にミラー１２を、それぞれ取り付ける。電子光学鏡筒１
に対する試料室３の位置は、干渉計１１とミラー１２の
距離より求める。すなわち、干渉計１１とミラー１２
は、試料室３の位置を検出するためのレーザ測長装置と
なる。試料室３には、床からの振動を防止するための制
振機構として制振アクチュエータ１３が取り付けられて
いる。アクチュエータ１３としては、エアシリンダ、電
歪素子（ピエゾ素子等）を用いることができる。特に、
電歪素子は種々の大きさのものがあり、応答周波数が高
く、発生力が大きいので、試料室３の制振には有効であ
る。

【００１０】次に、描画の実施の順序を説明する。電子
光学鏡筒１内の電子銃１４から放出された電子ビーム１
５は、電子レンズ１６で収束され、偏向器１７で偏向さ
れて、試料室３に収納されたステージ４上の試料１８に
照射する。試料１８は、ステージ４上に搭載されてお
り、またステージ４はステージ駆動系１９（例えば、モ
ータ）により駆動される。ステージ４をステージ駆動系
１９により連続移動させながら、電子ビーム１５により
所望のパターンを描画する。この場合、ステージ４の加
減速により、ステージ慣性力の変化分に相当する力が試
料室３の側壁に作用する。従来の構造、つまり試料室３
と電子光学鏡筒１とが一体化された構造である場合に
は、ステージ４の慣性力の反力が試料室３に作用するた
め、電子光学鏡筒１と試料１８との相対位置が変化し
て、試料１８上で電子ビームのずれが生じ、精度が悪く
なる。これに対して本実施例では、試料室３は電子光学
鏡筒１に対して水平方向に移動可能であるため、この試
料室３の振動は直接、電子光学鏡筒１には伝達しない。
また、ステージ位置は、電子光学鏡筒１との相対位置を
干渉計１１とミラー１２の距離によりレーザ測長してお
り、相対位置を常時検知して補正するため、試料室３お
よびステージ４が電子光学鏡筒１に対して振動している
場合でも、パターンを試料１８上の所定の位置に描画す
ることができる。

【００１１】図２は、図１の試料室を移動させる直動転
がり案内の取り付け方法を示す斜視図であり、図３は、
図１の電子光学鏡筒と試料室との真空を維持するベロー
ズを示す斜視図である。試料室３を電子光学鏡筒１に対
して相対移動させる案内手段としては、図２に示す直動
転がり案内を用いる。転がり案内のうち案内２０を架台
２の下側に取り付け、可動体２１の下面に試料室３の上
面を固定する。転がり案内とは、ガイドとスライダーと
多数の転動体（ボール、ローラ、ニードル等）を備えた
もので、可動体２１が多数の転動体を介して案内面と接
触しており、これらの転動体が転がって順次移動するこ
とにより、可動体２１が滑らかに移動する案内である。
これにより、試料室３は電子光学鏡筒１に対して自由に
水平方向に移動可能であり、その結果、試料室３の振動
が電子光学鏡筒１に直接伝達されない。電子光学鏡筒１
と試料室３との間で位置ずれを吸収するベローズ５の断
面構造を図３に示す。ベローズ５は、同心円状のリング
２２が溶接されており、電子光学鏡筒１の外径φ250mm
〜300mmに対して、10mm以内の位置ずれを吸収すること
ができる。このベローズ５は、その外径に対する偏芯量
が小さいため、偏芯を吸収することができる。さらに、
外部磁場に対しては、ベローズ部分にパーマロイ材によ
るシールドが施される。これにより磁場からの磁力線を
防止することができる。

【００１２】図４は、試料室とステージの力学モデルを
示す図である。ステージ４の質量をＭ₁、試料室３の質
量をＭ₂とする。また、ステージ駆動系１９のばね定数
をＫおよびダンピング係数をＣとする。この場合のステ
ージ４に関する運動方程式は、下式（数１）で表わされ
る。

【数１】また、試料室３に関する運動方程式は、下式（数２）で
表わされる。

【数２】次に、式（数１）と式（数２）とを加えると、下式（数
３）のようになる。

【数３】いま、式（数３）のうち、下式（数４）が成り立ものと
すると、

【数４】試料室３に作用する力Ｆは −（Ｍ₁・ａ₁ ）、試料室３
の加速度ａ₂は（Ｍ₁/Ｍ₂）・ａ１となる。そこで、試料
室３に制振力＋（Ｍ₁・ａ₁）を作用させることによっ
て、試料室３は静止の状態を保つ。

【００１３】図５は、試料室の制振方法およびステージ
の制御方法を示す図である。図５の上方にステージ４の
制振動作のループが、下方に試料室３の制振動作のルー
プが、それぞれ示されている。ステージ４を駆動する場
合には、はじめにステージ４の目標位置が与えられる。
先ず、位置制御部２３では、ステージ４を目標位置へ移
動させるため、レーザ測長部２８から検出される位置を
比較しながら（（電子光学鏡筒）−（ステージ）の位置
偏差信号を参照しながら）、ステージ速度指令信号を速
度制御部２４に出力する。速度指令信号は、加速部分
（立上り）と一定速部分と減速部分（立下り）とからな
る。速度制御部２４では、タコジェネレータ２５から検
出されるモータ２６の回転速度を比較しながら（モータ
の速度偏差信号を参照しながら）、モータ２６の駆動電
流値を電流制御部２７に出力する。電流制御部２７で
は、指令電流値が実際の電流値と比較された後、アンプ
２８を経てモータ２６に出力され、モータ２６の駆動に
よりステージ４が移動する。

【００１４】次に、試料室３の制振機構の動作周波数と
ステージ４の動作周波数は、次のように分離する。試料
室３の制振機構の動作可能な周波数の上限をｆ₁（Ｈ
ｚ）とする。すなわち、制御の対象である試料室３とス
テージ４を重複する周波数で制御した場合には、両方が
ハンチングを起こしてしまい、制御不可能となる。従っ
て、試料室３の動作周波数の上限をｆ₁とし、これより
高い周波数についてはステージ４の方で動作させる。つ
まり、ステージ４は高周波で速く動作する必要があり、
試料室３は低周波で遅く動作させることになる。ステー
ジ４の制御については、次のように行う。レーザ測長部
２８から出力される電子光学鏡筒１とステージ４との位
置偏差信号には、電子光学鏡筒１と試料室３との位置偏
差信号に試料室３とステージ４との位置偏差信号が加え
られている（図示省略）。そこで、この位置偏差信号
を、ｆ₁（Ｈｚ）以上の周波数を通過させるハイパスフ
ィルタ２９に送り、通過信号をステージ４の位置偏差信
号とする。ステージ４の位置指令値に位置偏差信号を加
えたものが、ステージ４の最終的な位置指令値となる。
この位置指令信号を微分した信号にモータ２６の速度偏
差信号を加えて速度指令値信号とし、速度指令値信号に
基づいてモータ２６を回転させ、ステージ４を制御す
る。

【００１５】一方、試料室３の制御については、次のよ
うに行う。ステージ速度指令信号をｆ₁（Ｈｚ）のロー
パスフィルタ３０を通過させ、微分器３１で１回微分し
た後、ステージ加速度信号としてアクチュエータ制御部
３２に送られる。また、電子光学鏡筒１に対する試料室
３の位置はレーザ測長部３３によって常時検出され、試
料室３の位置偏差信号は微分器３４、微分器３５で、２
回微分して加速度偏差としてアクチュエータ制御部３２
に送られる（制振力偏差信号）。アクチュエータ制御部
３２では、ステージ加速度信号からのステージ反力に相
当する制振力と、試料室３の加速度偏差信号を加えた信
号を制振アクチュエータ１３に送り、制振アクチュエー
タ１３に力を発生させて試料室３を制御する。

【００１６】（第２の実施例）図６は、本発明の第２の
実施例を示す電子ビーム描画装置の断面図である。ここ
では、試料室３の案内手段として磁気浮上案内３６を、
試料室３の制振手段として電磁アクチュエータ３７を、
それぞれ適用した電子ビーム描画装置を示している。磁
気浮上の案内機構３６の詳細構造を図７に示す。架台２
に固定されている浮上用プレート３８は、外筒３９内の
電磁石４０の吸引力で垂直方向に引き付けられる。外筒
３９の上面は架台２の下面に取り付けれており、架台２
と試料室３は完全に非接触の状態でＸ−Ｙ平面内を移動
することができる。また、浮上量制御時には強力な磁場
を発生するが、外筒３９および浮上用プレート３８の外
部露出表面をパーマロイのシールド４１でシールドして
いるため、磁場の影響を防止することができ、電子ビー
ムの位置ずれを防ぐことができる。また、電磁アクチュ
エータ３７の詳細構造を図８に示す。外筒４２を床に設
置し、内筒４３の上面を試料室３に取り付ける。内筒４
３は、外筒４２内の電磁石４４の吸引力により引き付け
られて、試料室３に制振力をＸ方向およびＹ方向に作用
させることができる。外筒４２および内筒４３の外部露
出表面をパーマロイのシールド４５でシールドしている
ため、磁場の影響を回避することができ、その結果、電
子ビームの位置ずれを防止できる。

【００１７】本実施例では、試料室３が架台２に対し
て、ＸおよびＹ方向の平面に移動できるため、より高精
度描画が実現可能である。このように、本発明において
は、試料室３の振動は、床上に設置された制振機構１
３，３７により直ちに制振されるとともに、電子光学鏡
筒１と試料室３とをベローズを介して接続し、かつ直動
転がり案内２１あるいは磁気浮上案内３６で電子光学鏡
筒１の下に試料室３を取り付けているため、試料室３が
水平方向に移動することにより、振動が電子光学鏡筒１
には直接伝達されることがない。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ステージ移動により生じる試料室の振動を電子光学鏡筒
から絶縁することにより、電子光学鏡筒を静止状態に保
つことができるので、高精度な電子ビーム描画を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す電子ビーム描画装
置の断面構造図である。

【図２】図１の試料室の移動させる直動転がり案内の取
り付け方法を示す斜視図である。

【図３】図１の電子光学鏡筒と試料室との真空を維持す
るベローズを示す斜視図である。

【図４】本発明のステージと試料室との力学的な関係を
示す図である。

【図５】本発明における試料室の制振方法とステージの
制御方法を示した図である。

【図６】本発明の第２の実施例を示す電子ビーム描画装
置の断面構造図である。

【図７】図６における磁気浮上の案内機構を示す断面図
である。

【図８】図６における磁気アクチュエータの制振機構を
示す断面図である

【符号の説明】

１：電子光学鏡筒、２：架台、３：試料室、４：ステー
ジ、５：ベローズ、６：床除振機構、７：電子光学鏡筒
測長用ミラー、８：電子光学鏡筒測長用干渉計、９：ス
テージ測長用ミラー、１０：ステージ測長用干渉計、１
１：試料室測長用干渉計、１２：試料室測長用ミラー、
１３：制振アクチュエータ、１４：電子銃、１５：電子
ビーム、１６：電子レンズ、１７：偏向器、１８：試
料、１９：ステージ駆動系、２０：案内、２１：可動
体、２２：同心円状リング、２２ａ：固定台、２３：位
置制御部、２４：速度制御部、２５：タコジェネレー
タ、２６：モータ、２７：電流制御部、２８：アンプ、
２９：ハイパスフィルター、３０：ローパスフィルタ
ー、３１：微分器、３２：アクチュエータ制御部、３
３：レーザ測長部、３４：微分器、３５：微分器、３
６：磁気浮上案内機構、３７：磁気アクチュエータ、３
８：浮上用プレート、３９：外筒、４０：電磁石、４
１：シールド、４２：外筒、４３：内筒、４４：電磁
石、４５：シールド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤秀寿東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者太田洋也東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 2H097 BA02 CA16 LA10 5F056 BA08 BA09 BC06 CB24 CC05 EA12 EA14 EA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子銃からの電子ビームを収束する電子レ
ンズおよび該電子ビームを偏向する偏向器を内蔵し、か
つ定盤に固定された電子光学鏡筒と、該電子ビームで描画される試料を移動させるステージを
内蔵し、かつ上記電子光学鏡筒とは独立して移動が可能
な試料室とを具備したことを特徴とする電子ビーム描画
装置。
【請求項２】電子銃からの電子ビームを収束する電子
レンズおよび該電子ビームを偏向する偏向器を備えた電
子光学鏡筒と、該電子光学鏡筒を固定する定盤と、該電
子ビームで描画される試料を移動させるステージを備え
た試料室と、床から該試料室への振動を絶縁する除振機
構とを有する電子ビーム描画装置であって、該電子光学鏡筒または定盤と該試料室との間に取り付け
られ、かつ該試料室を該電子光学鏡筒に対して水平方向
に移動させる案内機構と、該電子光学鏡筒と該ステージとの相対変位を検出する検
出機構と、床と該試料室の接続点に取り付けられ、かつ床からの振
動を制振する制振機構とを有することを特徴とする電子
ビーム描画装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の電子ビーム描
画装置において、前記試料室を電子光学鏡筒に対して水平方向に移動させ
る案内機構として、多数の移動体を介して該試料室の上
面に接触する可動体を取り付けた直動転がり案内を有す
ることを特徴とする電子ビーム描画装置。
【請求項４】請求項１または２に記載の電子ビーム描
画装置において、前記試料室を電子光学鏡筒に対して水平方向に移動させ
る案内機構として、浮上用板を電磁石の吸引力で垂直方
向に引き付ける多重筒からなる磁気浮上案内を有するこ
とを特徴とする電子ビーム描画装置。
【請求項５】請求項１に記載の電子ビーム描画装置に
おいて、前記床と試料室の接続点に取り付けられた制振機構とし
て、外筒の電磁石の吸引力により内筒を引き付ける電磁
アクチュエータを有することを特徴とする電子ビーム描
画装置。