JP2000231899A

JP2000231899A - 荷電粒子線装置及び荷電粒子線露光装置

Info

Publication number: JP2000231899A
Application number: JP11031360A
Authority: JP
Inventors: Teruaki Okino; 輝昭沖野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2000-08-22

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｓ／Ｎ比の高いアライメントマークや検査マ
ークの検出を行える荷電粒子線露光装置を提供する。【解決手段】本荷電粒子線露光装置は、ウエハ１５面
上のマーク１５ａなどからの反射電子線を検出する反射
電子検出器１９と、ウエハ１６を少なくとも一方向に移
動させるステージ１７を備える。検出器１９が電子線通
過開口１９ｃの周囲に面状に配置された検出面１９ａを
有し、開口１９ｃが帯状の照射領域に対応する形状であ
る。ウエハ上のマーク等からの反射電子を多く捕獲する
ことができ、信号のＳ／Ｎが向上する。そのため検出時
間を短くすることができ、ひいては露光装置のトータル
・スループットを向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路な
どのリソグラフィーに用いられる電子線露光装置やイオ
ンビーム露光装置等の荷電粒子線露光装置、並びに、電
子線をターゲット上の検査マークに照射してその位置を
検査する電子線検査装置等の荷電粒子線装置に関する。
特には、アライメントマークや検査マークのＳ／Ｎ比の
高い検出を行えるように改良を加えた荷電粒子線装置及
び荷電粒子線露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光を用いた露光法の解像の限界が
課題となっている。そこで高解像と高スループットの両
方を兼ね備えた電子線露光装置の方式の検討が進められ
ている。高スループットを達成するためにウエハを載置
した移動ステージを連続的に移動させながら露光するタ
イプの種々の電子線露光装置が、開発又は検討されてい
る。

【０００３】このような電子線露光装置では装置の電子
光学系のキャリブレーションやウエハのアライメントの
ために、照射した電子線により生じるウエハ面（あるい
はステージに設置したフィジシャルマーク面）からの反
射電子や２次電子を検出する検出器をウエハ面直上に設
置するのが一般的である。このような検出器によって、
ウエハ面やステージ上に設置したフィジシャルマーク面
上のマークと照射ビームの相対位置やビームの大きさ・
傾き、ビームのボケ具合などを検出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高精度の電子光学系キ
ャリブレーションや高精度のウエハアライメントを実現
するためには、マーク検出信号のＳ／Ｎ比が良くなけれ
ばならない。すなわち反射電子をより多く捕獲する検出
器でなければならない。電子捕獲効率が悪くても、時間
をかけて検出すればＳ／Ｎ比は向上するが、それでは露
光装置のトータル・スループットが低下してしまい、高
スループットを達成しなければならない量産用露光装置
としては好ましくない。なお、従来の電子線露光装置
は、露光パターンの原板であるマスク（レチクル）製作
用のものが主であったため、露光の高スループットは要
求されず、電子検出器において信号電子の捕獲効率を高
める必要性はあまりなかった。

【０００５】ところで、電子線露光により０．１ミクロ
ン程度の微細パターンを露光するためには、クローン効
果によるぼけやレジスト内での近接効果を極力減らすた
め、１００kV程度の高加速電圧を用いるのが一般的であ
る。このような高加速電圧では、ウエハからの反射電子
コントラストが低下し、従来と同じ検出器ではＳ／Ｎ比
が低下してしまう。

【０００６】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たもので、Ｓ／Ｎ比の高いアライメントマークやフィジ
シャルマーク、検査マークの検出を行える荷電粒子線装
置及び荷電粒子線露光装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子線をターゲッ
ト面へ照射する荷電粒子線照射系と、ターゲット面上の
マークなどからの反射粒子線や散乱粒子線などを検出す
るターゲット面直上に配置された検出器と、を備える荷
電粒子線装置であって；上記荷電粒子線照射系の照射領
域の形状は一方向に長い帯状であり、上記検出器が荷電
粒子線通過開口の周囲に面状に配置された検出面を有
し、上記検出面開口が上記帯状の照射領域に対応する形
状であることを特徴とする。なお、ターゲットとは荷電
粒子線の照射対象物全体を指す意味である。

【０００８】すなわち、従来の荷電粒子線装置では、タ
ーゲットに最も近いレンズのリング状の磁極のターゲッ
ト側の面に円形開口を有する検出器を配置していたの
を、実際の照射領域の形に合わせた開口形状とした。こ
れにより、具体例で後述するように検出面に入射する反
射粒子線等の量が増え、高Ｓ／Ｎ比のマーク検出等を行
うことができる。

【０００９】本発明の荷電粒子線露光装置は、荷電粒子
線を感応基板上で走査・結像させる荷電粒子線光学系
と、ターゲット面上のマークなどからの反射粒子線や散
乱粒子線などを検出するターゲット面直上に配置された
検出器と、感応基板を載置して少なくとも一方向に連続
移動させるステージと、を備え、上記荷電粒子線を、上
記ステージ移動方向と実質的に直交する方向に延びる帯
状の照射領域内において照射し、上記検出器が荷電粒子
線通過開口の周囲に面状に配置された検出面を有し、上
記開口が上記帯状の照射領域に対応する形状であること
を特徴とする。

【００１０】すなわち、検出器の開口を長方形状等にす
ることにより、ウエハ上のマーク等からの反射電子を多
く捕獲することができ、信号のＳ／Ｎが向上する。その
ため検出時間を短くすることができ、ひいては露光装置
のトータル・スループットを向上することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ説明す
る。まず、荷電粒子線の一種である電子線を用いる露光
技術の概要（例）について説明する。図４は、分割転写
方式の電子線投影露光装置の光学系全体における結像関
係及び制御系の概要を示す図である。光学系の最上流に
配置されている電子銃１は、下方に向けて電子線を放射
する。電子銃１の下方には２段のコンデンサレンズ２、
３が備えられており、電子線は、これらのコンデンサレ
ンズ２、３を通ってブランキング開口７にクロスオーバ
ー像C.O.を結像する。

【００１２】コンデンサレンズ３の下には、矩形開口４
が備えられている。この矩形開口（照明ビーム成形開
口）４は、レチクル１０の一つのサブフィールド（単位
露光領域）を照明する照明ビームのみを通過させる。具
体的には、開口４は、照明ビームをレチクルサイズ換算
で１mm角強の寸法の正方形に成形する。この開口４の像
は、レンズ９によってレチクル１０に結像される。

【００１３】ビーム成形開口４の下方には、ブランキン
グ偏向器５が配置されている。同偏向器５は、照明ビー
ムを偏向させてブランキング開口７の非開口部に当て、
ビームがレチクル１０に当たらないようにする。ブラン
キング開口７の下には、照明ビーム偏向器８が配置され
ている。この偏向器８は、主に照明ビームを図３の左右
方向（Ｘ方向）に順次走査して、照明光学系の視野内に
あるレチクル１０の各サブフィールドの照明を行う。偏
向器８の下方には、コンデンサレンズ９が配置されてい
る。コンデンサレンズ９は、電子線を平行ビーム化して
レチクル１０に当て、レチクル１０上にビーム成形開口
４を結像させる。

【００１４】レチクル１０は、図４では光軸上の１サブ
フィールドのみが示されているが、実際には（図５を参
照しつつ後述）光軸垂直面内（Ｘ−Ｙ面）に広がってお
り多数のサブフィールドを有する。レチクル１０上に
は、全体として一個の半導体デバイスチップをなすパタ
ーン（チップパターン）が形成されている。

【００１５】照明光学系の視野内で各サブフィールドを
照明するため、上述のように偏向器８で電子線を偏向す
ることができる。照明光学系の視野を越えて各サブフィ
ールドを照明するためには、レチクル１０を機械的に移
動させる。すなわち、レチクル１０は、ＸＹ方向に移動
可能なレチクルステージ１１上に載置されている。

【００１６】レチクル１０の下方には投影レンズ１２及
び１４並びに偏向器１３が設けられている。そして、レ
チクル１０のあるサブフィールドに照明ビームが当てら
れ、レチクル１０のパターン部を通過した電子線は、投
影レンズ１２、１４によって縮小されるとともに、偏向
器１３により偏向されてウエハ１５上の所定の位置に結
像される。ウエハ１５上には、適当なレジストが塗布さ
れており、レジストに電子ビームのドーズが与えられて
レチクル上のパターンが縮小されてウエハ１５上に転写
される。

【００１７】なお、レチクル１０とウエハ１５の間を縮
小率比で内分する点にクロスオーバー像C.O.が形成さ
れ、同クロスオーバー像位置にはコントラスト開口１８
が設けられている。同開口１８は、レチクル１０の非パ
ターン部で散乱された電子線がウエハ１５に到達しない
よう遮断する。第２の投影レンズ１４とウエハ１５の間
には、反射電子検出器１９が配置されている。この反射
電子検出器１９は、ウエハ１５に当たって反射する電子
線を検出する。検出した反射電子信号から、ウエハ１５
上のマークの位置を知ることができ、ウエハと光学系や
レチクルとの間のアライメントの基礎情報を得ることが
できる。

【００１８】ウエハ１５は、静電チャック１６を介し
て、ＸＹ方向に移動可能なウエハステージ１７上に載置
されている。上記レチクルステージ１１とウエハステー
ジ１７とを、互いに逆の方向に同期走査することによ
り、チップパターン内で多数配列されたサブフィールド
を順次露光することができる。このステージ走査方向は
ビームの走査方向と略直交している。なお、両ステージ
１１、１７には、レーザ干渉計を用いた正確な位置測定
システムが装備されており、ウエハ１５上でレチクル１
０上のサブフィールドの縮小像が正確に繋ぎ合わされ
る。

【００１９】上記各レンズ２、３、９、１２、１４及び
各偏向器５、８、１３は、各々のコイル電源２ａ、３
ａ、９ａ、１２ａ、１４ａ及び５ａ、８ａ、１３ａを介
して制御部２１によりコントロールされる。また、レチ
クルステージ１１及びウエハステージ１７も、ステージ
駆動モータ制御部１１ａ、１７ａを介して、制御部２１
によりコントロールされる。静電チャック１６は、静電
チャック制御部１６ａを介して、メインコントローラ２
１によりコントロールされる。

【００２０】次に、分割転写方式の電子線投影露光に用
いられるレチクルの詳細例について、図５を用いて説明
する。図５は、電子線露光用のレチクルの構成例を模式
的に示す図である。（Ａ）は全体の平面図であり、
（Ｂ）は一部の斜視図である。

【００２１】図５中、多数の正方形４１で示されている
領域が、一つのサブフィールドに対応したパターン領域
を含む小メンブレイン領域（厚さ０．１μm 〜数μm ）
である。一つのサブフィールドは、現在検討されている
ところでは、レチクル上で０．５〜５mm角程度の大きさ
を有する。このサブフィールドがウエハ上に縮小投影さ
れた投影像の領域（イメージフィールド）の大きさは、
縮小率１／５として０．１〜１mm角である。小メンブレ
イン領域４１の周囲の直交する格子状のグリレージと呼
ばれる部分４５は、メンブレインの機械強度を保つため
の、厚さ０．５〜１mm程度の梁である。グリレージ４５
の幅は０．１mm程度である。

【００２２】図のＸ方向には多数の小メンブレイン領域
４１が並んで一つのグループ（偏向帯）をなし、そのよ
うな列がＹ方向に多数並んで１つのストライプ４９を形
成している。ストライプ４９の幅は電子線光学系の偏向
可能視野の広さに対応している。ストライプ４９は、Ｘ
方向に並列に複数存在する。隣り合うストライプ４９の
間にストラット４７として示されている幅の太い梁は、
レチクル全体のたわみを小さく保つためのものである。
ストラット４７はグリレージと一体で、厚さ０．５〜１
mm程度であり、幅は数mmである。

【００２３】現在有力と考えられている方式によれば、
投影露光の際に１つのストライプ４９内のＸ方向の列
（偏向帯）は電子線偏向により順次露光される。一方、
ストライプ４９内のＹ方向の列は、連続ステージ走査に
より順次露光される。隣のストライプ４９に進む際はス
テージを間欠的に送る。

【００２４】投影露光の際、ウエハ上では、スカート
（サブフィールドの回りの額縁状の非パターン領域）や
グリレージ等の非パターン領域はキャンセルされ、各サ
ブフィールドのパターンがチップ全体で繋ぎ合わせされ
る。なお、転写の縮小率は１／５程度であり、ウエハ上
における１チップのサイズは、４ＧＤＲＡＭで２７mm×
４４mmが想定されているので、レチクルのチップパター
ンの非パターン部を含む全体のサイズは、１２０〜２３
０mm×１５０〜３５０mm程度となる。

【００２５】次に反射電子検出器周りの詳細について説
明する。図１（Ａ）は、本発明の１実施例に係る露光装
置の反射電子検出器やウエハ周りの構成を示す一部断面
正面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の露光装置の
反射電子検出器の検出面の平面図である。図１（Ｃ）
は、従来の露光装置の反射電子検出器の検出面の平面図
である。

【００２６】図１（Ａ）には、最もウエハ１５に近い第
２の投影レンズ１４や、ウエハ１５を保持する静電チャ
ック１６、ウェーハステージ１７等が示されている。第
２の投影レンズ１４は、磁気回路を構成する断面内向き
コの字状で回転対称形の磁極１４ａを備える。この磁極
１４ａの内周には励磁コイル１４ｂが巻回されている。

【００２７】ウエハ１５上にはアライメント検査用のマ
ーク１５ａが配置されている。またステージ１７上にも
ステージの基準位置を規定したり、電子光学系のキャリ
ブレーションをするためのフィジシャルマーク１７ａが
配置されている。これらのマークは、ウエハ面の段差を
利用したものや異種金属層を利用したものなどからな
る。

【００２８】第２の投影レンズ１４の磁極下面１４ｃに
は反射電子検出器１９が配置されている。この反射電子
検出器１９は、Ｓｉダイオードやチャンネルプレート等
からなる。なお、チャンネルプレートとは、細い電子増
倍管が面上に敷き詰められた、微少電子を検出する計器
である。

【００２９】反射電子検出器１９の平面形状は、図１
（Ｂ）に示すように外形が円である。そして中心部に電
子線通過開口１９ｃが開かれている。この開口１９ｃの
形状は、図１（Ｂ）に示すように、Ｘ方向に延びる帯状
である。この開口形状は、ウエハ１５に入射する電子線
の偏向範囲に対応したものである。つまり、電子線偏向
により露光走査するウエハ１５上のサブフィールドの列
は、Ｘ方向に延びる帯状をしており、ウエハ上で例えば
１mm×１０mmの寸法である。すなわち、Ｘ方向には主に
電子光学系の偏向で電子線を走査し、Ｙ方向には主にレ
チクルとウエハの機械的移動で露光領域を走査していく
方式では、ウエハ直上における電子線領域は、基本的に
ほぼ上記のような帯状である。そこで、反射電子検出器
の開口形状も電子線の偏向範囲に対応した形状とするこ
とにより、反射電子検出器１９ａの面積をできるだけ広
くとれ、かつ反射電子の多く分布する（詳細後述）光軸
近傍での検出面面積を稼ぐことができる。

【００３０】試みに図１（Ｂ）と（Ｃ）のような反射電
子検出器の形状で、電子捕獲効率がどれほど向上するか
計算してみた。図１（Ｂ）は、検出器の内側開口を長方
形状にした本実施例のものである。ウエハ面上での、鏡
筒から見たビームの領域は１mm×１０mmであるとし、検
出器の内側開口は、この領域に対し周辺に１mmの余裕を
とっている。すなわちｂ＝１２mm、ｈ＝３mmとしてい
る。図１（Ｃ）は、従来より電子線露光装置で通常良く
使われる形状寸法のものであり、電子線通過開口１９
ｃ′は円形でその径ｂは１２mmとしてある。なお検出面
外径ｄは３５mmである。

【００３１】ウエハ面の垂線からの反射角度をθとする
と（図１（Ａ）参照）、ウエハ面からの反射電子強度は
ほぼCos θに比例することが知られている。このことを
用いて、図１（Ｃ）、（Ｂ）の場合について、それぞれ
の検出器に入射する反射電子強度を計算してみた。計算
の結果、本実施例の帯状開口とした場合は、従来の円形
開口のものに比べて補足反射電子強度は約３．１倍とな
った。実際の装置では、検出面１９ａからウエハ１５の
面までの電子進行過程にて生じる電子軌道の回転、結像
過程を考慮して開口１９ｃの帯の向きを設定しなければ
ならない。その値は、もちろん個々の装置によって異な
る値であるが、上記の試算とさほどの相違はないと考え
られる。

【００３２】図２及び図３は、反射電子検出器の分割構
成例を示す平面図である。図２（Ａ）に示すように、長
方形の検出器１１９ａ、１１９ｂを二個ずつ組み合わせ
て反射電子検出器１１９を構成することもできる。ま
た、図２（Ｂ）のように、長方形の検出器を多数組み合
わせてもよい。

【００３３】ターゲット面の凹凸形状を観察する際に
は、４つに分割した検出器の左右（又は上下）の信号の
差分をとるのが良いとされている。この目的のために
は、図４のように、図１（Ｂ）の例の検出器を円周方向
に４分割し、４枚の検出器１３９ａ、ｃ又はｂ、ｄの信
号の差分をとることもできる。

【００３４】以上では半導体型の反射電子検出器を前提
に説明したが、チャンネルプレートの場合も同様であ
る。

【００３５】次に露光のスループットの観点から説明す
る。高スループットを達成するためには、ステージの立
ち上がり、立ち下がりに要する無駄な時間を減らす必要
がある。そのためには、ステージ移動はＳ／Ｒ（ステッ
プ・アンド・リピート）方式ではなく、ステージ連続移
動方式が有効となる。すなわち、光学的にはターゲット
面上でほぼ一方向へ電子線を走査し、それと直交するも
う一方へステージを連続移動する。こうすることによ
り、ステージの立ち上がり、立ち下がりの回数を減らす
ことができ、ひいては総合のステージむだ時間を減らす
ことができる。

【００３６】このような場合、ターゲット面上でビーム
はほぼ一方向へ走査されるので、例えばターゲット面の
上１０mmにあるレンズ下面の開口はもちろん円形である
が、その開口部でのビームの範囲はほぼ長方形状とな
る。Ｓ／Ｒの場合は通常この範囲は正方形状で用いるの
でレンズ下面に設置した検出器の内側開口は円形にして
いる。しかし、上記のような連続移動方式の場合にはス
テージ連続移動方向へは開口を狭くした長方形状でもビ
ームを通すことが可能である。本発明は、ステージ連続
移動式の高スループット露光技術の重要な要素技術を提
供するものである。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、鏡筒から見たビーム偏向範囲がターゲット面
上で帯状の場合、反射電子検出器の内側開口をそれに合
わせて帯状にすることで、検出信号強度を大幅に向上す
ることができる。したがって、露光のアライメントの時
間を短縮でき、ひいてはトータル・スループットを向上
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は、本発明の１実施例に係る露光装置の
反射電子検出器やウエハ周りの構成を示す一部断面正面
図であり、（Ｂ）は、図１（Ａ）の露光装置の反射電子
検出器の検出面の平面図であり、（Ｃ）は、従来の露光
装置の反射電子検出器の検出面の平面図である。

【図２】反射電子検出器の分割構成例を示す平面図であ
る。

【図３】反射電子検出器の分割構成例を示す平面図であ
る。

【図４】分割転写方式の電子線投影露光装置の光学系全
体における結像関係及び制御系の概要を示す図である。

【図５】（Ａ）は電子線露光用のレチクルの構成例を模
式的に示す平面図であり、（Ｂ）は斜視図である。

【符号の説明】

１電子銃２，３コンデンサ
レンズ４照明ビーム成形開口５ブランキング偏
向器７ブランキング開口８偏向器９コンデンサレン
ズ１０レチクル１１レチクルステ
ージ１２投影レンズ１３偏向器１４投影レンズ１４ａ磁極１４ｂ励
磁コイル１５ウエハ１５ａマーク１６静電チャック１７ウエハステージ１
７ａマーク１８コントラスト開口１９反射電子検出
器１９ａ検出面１９ｃ電子線通過
開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/30 ５４１Ｓ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子線をターゲット面へ照射する荷
電粒子線照射系と、ターゲット面上のマークなどからの反射粒子線や散乱粒
子線などを検出するターゲット面直上に配置された検出
器と、を備える荷電粒子線装置であって；上記荷電粒子線照射
系の照射領域の形状は一方向に長い帯状であり、上記検出器が荷電粒子線通過開口の周囲に面状に配置さ
れた検出面を有し、上記開口が上記帯状の照射領域に対応する形状であるこ
とを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】感応基板上に荷電粒子線を照射してパタ
ーンを形成する荷電粒子線露光装置であって；荷電粒子
線を感応基板上で走査・結像させる荷電粒子線光学系
と、感応基板面上のマークなどからの反射粒子線や散乱粒子
線などを検出する感応基板面直上に配置された検出器
と、感応基板を載置して少なくとも一方向に連続移動させる
ステージと、を備え、上記荷電粒子線を、上記ステージ移動方向と実質的に直
交する方向に延びる帯状の照射領域内において照射し、上記検出器が荷電粒子線通過開口の周囲に面状に配置さ
れた検出面を有し、上記開口が上記帯状の照射領域に対応する形状であるこ
とを特徴とする荷電粒子線露光装置。
【請求項３】上記検出器の検出面が、反射電子を検出
する半導体からなることを特徴とする請求項１又は２記
載の荷電粒子線装置又は荷電粒子線露光装置。
【請求項４】上記検出器の検出面が、反射電子及び／
又は２次電子を検出するチャンネルプレートからなるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の荷電粒子線装置又
は荷電粒子線露光装置。