JP2001217179A

JP2001217179A - 荷電粒子ビーム描画方法および装置

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Publication number: JP2001217179A
Application number: JP2000024948A
Authority: JP
Inventors: Moriyuki Isobe; 盛之磯部
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】マーク検出時に、マーク以外の部分への電子
ビームの照射を防止し、被描画材料の有効活用が図れる
電子ビーム描画方法および装置を実現する。【解決手段】検出光学系２４内には、ハーフミラー３
６が設けられ、検出光学系２４に入射した光の一部を曲
げて、結像光学系３５に導くようにしている。結像光学
系３５には、レンズ３７，３８、反射鏡３９、ＣＣＤの
ごとき２次元検出素子４０が含まれている。ハーフミラ
ー３６で曲げられた光線は、レンズ３７，３８により、
適切な倍率で２次元検出素子４０上に結像する。２次元
検出素子４クの像信号は、コンピュータ１４に供給さ
れ、基準となるマーク像との比較が行われる。検出マー
ク像が基準マーク像と一致すれば、マークと認識し、こ
の位置で電子ビームによるマークの正確に位置検出が実
行される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被描画材料に形成
されたマークの位置を検出し、マーク位置に基づいて電
子ビームやイオンビームにより描画行うようにした荷電
粒子ビーム描画方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム描画装置では、既に形成され
たパターン上にレジストを塗布し、新たなパターンの描
画を行うようにしている。この場合、既に形成されてい
るパターンと新たに描画するパターンの重ね合わせの精
度が重要となる。通常、既にパターンが形成された被描
画材料を描画装置のステージに載置する際、被描画材料
の位置がずれ、また、回転して載置される。

【０００３】このため、材料の描画に先立って、材料の
複数の箇所に形成されたマークの位置を検出し、これら
マークの位置から材料の位置ずれや回転量を検出するよ
うにしている。そして、検出された位置ずれや回転量に
基づき、新たなパターンの描画位置の補正動作を行うよ
うにしている。

【０００４】図１は被描画材料に設けられた基準マーク
の配列の一例を示している。被描画材料である半導体ウ
ェハＳの４カ所には、基準マークＭxL、ＭxR、ＭyU、Ｍ
yLが形成されている。これら４つの基準マークの位置を
検出することにより、被描画材料Ｓの位置と回転角θを
求めることができる。なお、基準マークの数は、２カ所
以上であれば被描画材料の回転は決めることができる。
また、ＭxL、ＭxR軸とＭyU、ＭyL軸は必ずしも直交して
いる必要はなく、各マークの設計座標位置が決まってい
れば良い。

【０００５】このマーク検出動作において、被描画材料
が回転していると、設計したときのマークの座標位置で
電子ビームを走査してもマークを検出できないことが多
い。例えば、材料が８インチのウェハ、マークＭxLとマ
ークＭxRとの間の距離が１８０ｍｍ、回転角が０．５度
の例では、マークの設計位置と実際のマーク位置とのず
れは約７８５μｍとなる。

【０００６】このため、マーク検出の最初のステップで
はマークの存在部分を検索するため、図２の点線で示す
ように、点Ｓｃを中心として電子ビームの走査を行う。
この走査は、電子ビームの偏向移動を行いながら、ある
いは、マーク位置（材料が載せられたステージ）の移動
を行いながら実行する。

【０００７】このような検索走査を行った後、マークの
概略位置が発見できたら、図３で示すようにマークＭxL
に対して４種類の電子ビーム走査（ＸU 、ＸL 、ＹL 、
ＹR）を行い、マークＭxLの正確な中心位置を検出す
る。

【０００８】なお、マーク走査を４種類ではなく２種類
（ＸU 、ＹR ）にして、電子ビームによるマーク検索範
囲を狭めることも可能である。しかしながら、４カ所マ
ーク走査で得られる材料の回転情報は、他のマークＭx
R、ＭyU、ＭyLの位置補正にも使用でき、この他のマー
クの位置検出時間の短縮化にもつながるため、４カ所の
マーク走査を行うことが好ましい。

【０００９】一方、被描画材料である半導体ウェハは、
近年径が大きくなっており、被描画材料のたわみ等によ
り、材料の表面高さ位置がずれてしまう。このような場
合、電子ビームのフォーカスがずれてしまったり、電子
ビームの偏向幅に変化が生じ、精度の高い描画が困難と
なる。そのため、高さ測定器を用意し、描画位置の材料
の高さ検出を行い、材料の高さに応じて電子ビームのフ
ォーカスの調整や偏向幅の補正を行っている。

【００１０】この原理について図４を用いて説明する。
図４（ａ）はフォーカスのずれと補正の動作を説明する
ための図、図４（ｂ）は偏向幅の変化とその補正の動作
を説明するための図である。図において、１は対物レン
ズであり、２は対物レンズ絞り、３は偏向器、４は被描
画材料である。

【００１１】図４（ａ）において、電子ビームＥＢは対
物レンズ２により実線のように材料４上に集束されてい
る場合、材料の高さ方向の位置が、実線の状態４から点
線の状態４´に変化すると、電子ビームＥＢは点線位置
の材料４´に対してはフォーカスのずれが生じる。この
ため、材料の高さ位置の変化にともない、対物レンズ２
を制御して電子ビームＥＢを点線のように集束させてフ
ォーカス補正を行い、精度の高い描画を行う必要があ
る。

【００１２】このフォーカス補正は、あらかじめ基準と
なる高さが既知の２カ所を測定したデータを基に作成さ
れたテーブルデータ、あるいは、数式化演算を用いた
り、直接描画では描画位置の代表点のマーク位置波形の
ピークが最大となるような自動制御を用いたりして行
う。

【００１３】図４（ｂ）において、電子ビームＥＢは偏
向器３により実線のように偏向され、材料４上の偏向幅
はＷとなっている。この状態で材料が点線の状態４´と
なると、同じ偏向条件では、材料４´上の偏向幅はＷ´
となり、精度の高い描画が不可能となる。このため、材
料４´における電子ビームの偏向の振幅幅がＷとなるよ
うに電子ビームの偏向幅の補正が行われる。

【００１４】この補正は、あらかじめ基準となる高さが
既知の２カ所に設けたマーク位置を検出し、マークを基
準となる距離Ｗの間隔にレーザー測長機能により機械的
に正しく移動させる。そして、振幅Ｗを正しい幅にする
材料高さに対する振幅補正係数を決め、各高さでの異な
る補正係数を基に、高さに対する補正係数をテーブル化
や数式化し、実際の描画時には、被描画材料の高さを測
定し、求めた高さに対応した補正係数を読み出して偏向
幅の調整を行う。あるいは、直接描画では、描画位置の
代表点のマーク検出により、上記と同様に振幅の再合わ
せを行う。

【００１５】図５は上記高さ補正の機能を備えた電子ビ
ーム描画装置の一例を示している。図中１０は電子銃で
あり、電子銃１０から発生し加速された電子ビームＥＢ
は、縮小レンズ１１により集束され、電子銃１０で生じ
ているクロスオーバーＣｏの像Ｃ１を結像する。このク
ロスオーバー像Ｃ１は、対物レンズ１２により結像さ
れ、被描画材料１３上に像Ｃ２を結ぶ。縮小レンズ１１
と対物レンズ１２の強度は、それぞれ、コンピュータ１
４によって制御される制御回路１５，１６によって制御
される。

【００１６】電子銃１０と縮小レンズ１１との間には、
ブランキング電極１７が配置されている。ブランキング
電極１７には、コンピュータ１４によって制御されるブ
ランキング制御器１８からのブランキング信号により電
子ビームを点線のように偏向する。すなわち、電子ビー
ムＥＢを被描画材料１３上に投射しないときにブランキ
ング電極１７はＯＮとされ、電子ビームは偏向されてビ
ーム受け１９によって遮断される。

【００１７】２０は対物レンズ絞りであり、この絞り２
０は結像に不要となる電子ビームを除くために設けられ
ている。偏向器２１は、コンピュータ１４によって制御
される偏向駆動回路２２からの偏向信号によって電子ビ
ームを偏向する。

【００１８】この偏向器２１は、決められた領域（フィ
ールド）内に電子ビームを位置決めして、その位置で決
められた範囲（照射域）を電子ビーム走査して、材料１
３上に塗布されたレジストを感光させる。そして、この
フィールド内のパターンを形成する多数の照射域個数を
繰り返し電子ビームにより照射する。

【００１９】更に、半導体素子としてのパターン描画
は、図示していない材料の移動機構を用いて、材料１３
をフィールドのサイズだけ移動させ、新たなフィールド
に対して同様の電子ビームによる描画を繰り返す。その
結果、フィールドより広い範囲の素子領域に対して、全
体パターンの描画を行うことができる。

【００２０】被描画材料１３の描画位置の高さ検出は、
照明光学系２３と検出光学系２４から成る検出系を用い
て行われる。この検出系は、被描画材料１３に対して所
定の傾斜角で光を照射し、材料１３によって反射された
光を受光素子で検出する方式である。

【００２１】図６はこの光学式高さ検出系の原理を説明
するための図である。図に示すように、材料１３の高さ
方向の位置が１３ａ，１３ｂのように上下方向に変位
し、それぞれ変位量がΔＨとする。このような材料に一
定方向から光を照射すると、入射光軸ＯＰの反射光軸は
ＯＰｃ，ＯＰａ，ＯＰｂと変化し、反射後の変位量はΔ
Ｈ´となる。材料１３の変位量ΔＨと反射後の変位量Δ
Ｈ´は、入射角をαとすると、次の関係にある倍率Ｒを
有する。

【００２２】ΔＨ´＝２・ｃｏｓα・ΔＨ＝Ｒ・ΔＨこ
の倍率は、入射角αが小さいほど２倍に近くなる。この
変位量ΔＨ´を受光素子上の反射光の入射位置に基づき
求め、この変位量から材料１３の高さ方向のずれ量ΔＨ
が求められる。

【００２３】図７は照明光学系２３と検出光学系２４を
直線状にした光学系を示している。照明光学系２３に
は、光源２５と集光レンズ２６、スリット２７、結像レ
ンズ２８が含まれている。光源２５からの光は、集光レ
ンズ２６で集められ、矩形開口を有するスリット２７を
照明する。スリット２７を透過した光は、被描画材料１
３の手前にスリット２７の像Ｓ１を結像する。

【００２４】このように、被描画材料１３の手前にスリ
ット２７の像Ｓ１を結像する理由は、受光素子上に材料
上に描画されているパターンが投影結像されるのを避け
るためである。

【００２５】検出光学系２４は、レンズ２９，３０、受
光素子３１を含んでいる。レンズ２９，３０は、スリッ
ト像Ｓ１を受光素子３１上に投影するためのレンズであ
り、適切な倍率Ｍを有している。このような検出光学系
により、材料１３の上下変位量は、受光素子３１上の像
Ｓｉの変位となり、この変位は、入射角（反射角）に依
存する倍率Ｒと、投影倍率Ｍに相当する量となり、受光
素子３１から変位信号として検出される。

【００２６】なお、このような高さ検出系は、材料１３
の表面を投影していないので、材料の傾きが測定誤差と
なる。そのため、通常は、２組の検出系を反対向きに使
用し、材料の傾きによる誤差の補正を行うようにしてい
る。

【００２７】検出光学系２４から得られた材料１３の高
さ位置信号は、コンピュータ１４に供給される。コンピ
ュータ１４は、この高さ位置信号に基づき、対物レンズ
１２の制御回路１６を制御して、レンズ１２の強さを変
え、電子ビームのフォーカスの補正を行う。また、偏向
制御回路２２を制御し、例えば、偏向増幅器の偏向感度
を制御して電子ビームの偏向振幅を補正する。このよう
な補正動作により、被描画材料に対して高い精度の描画
が行われる。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】さて、上記した電子ビ
ーム描画システムにおいて、描画開始前に既に形成され
ているマークの位置を検出して材料の位置、回転を検出
しているが、この際、マーク位置の検索のため、マーク
の大きさより広い範囲を電子ビームによって走査してい
る。そのため、材料上でマークが形成されている近傍に
は、半導体素子を配置することができず、材料の有効活
用を図ることができない。

【００２９】また、マークが形成されている周辺に半導
体素子領域を配置すると、その領域にマーク検索時に電
子ビームが照射され、その素子に損傷を与えてしまうこ
とになる。

【００３０】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、マーク検出時に、マーク以外の部
分への電子ビームの照射を防止し、被描画材料の有効活
用が図れる電子ビーム描画方法および装置を実現するに
ある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】第１の発明に基づく荷電
粒子ビーム描画方法は、荷電粒子ビームを被描画材料上
で走査し、所定のパターンの描画を行うようにした荷電
粒子ビーム描画方法において、被描画材料上に光を投射
し、被描画材料で反射した光に基づいて被描画材料の高
さを検出すると共に、被描画材料から反射した光に基づ
いてマーク像を検出し、このマーク像に基づいて荷電粒
子ビームと被描画材料との相対的な位置合わせを行い、
その後マーク部分で荷電粒子ビームの走査を行い、マー
クの位置検出を行うようにしたことを特徴としている。

【００３２】第１の発明では、マークの位置検出を荷電
粒子ビームで行う前段階として、光によりマーク位置の
検索を行い、マーク部分を荷電粒子ビームの光軸に配置
させた後、荷電粒子ビームによるマーク位置検出を行
う。そのため、荷電粒子ビームによるマーク検出時に、
マーク周辺に荷電粒子ビームが不要に照射されることが
なくなるので、半導体素子が形成される領域にマーク検
出用の荷電粒子ビームが照射されてその素子を損傷する
ことは防止される。したがって、被描画材料の有効活用
を図ることができる。

【００３３】第２の発明に基づく荷電粒子ビーム描画装
置は、荷電粒子ビームを被描画材料上で走査し、所定の
パターンの描画を行うようにした荷電粒子ビーム描画装
置において、被描画材料上に光を投射する照明光学系
と、被描画材料で反射した光に基づいて被描画材料の高
さを検出する高さ検出光学系と、被描画材料から反射し
た光に基づいてマーク像を検出する結像光学系とを備え
たことを特徴としている。

【００３４】第２の発明では、被描画材料上に光を投射
する照明光学系と、被描画材料で反射した光に基づいて
被描画材料の高さを検出する高さ検出光学系と、被描画
材料から反射した光に基づいてマーク像を検出する結像
光学系とを備え、簡単な構成により、マークの位置検出
を荷電粒子ビームで行う前段階として、光によりマーク
位置の検索を行い、マーク部分を荷電粒子ビームの光軸
に配置させた後、荷電粒子ビームによるマーク位置検出
を行う。

【００３５】第３の発明では、第２の発明において、高
さ検出光学系の構成要素の一部と、結像光学系の構成要
素の一部とを兼用されているので、より構成が簡単化で
きる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図８は本発明に基づく電子
ビーム描画装置の一例を示しており、図５に示した従来
の装置と同一ないしは類似の構成要素には同一番号を付
し、その詳細な説明は省略する。この図８の構成では、
図５の従来装置の構成に加えて、検出光学系２４に結像
光学系３５を付加している。

【００３７】照明光学系２３、検出光学系２４、結像光
学系３５を直線状にした光学系を図９に示す。この図９
で検出光学系の一部の構成要素は点線で示されている。
検出光学系２４内には、ハーフミラー３６が設けられ、
検出光学系２４に入射した光の一部を曲げて、結像光学
系３５に導くようにしている。結像光学系３５には、レ
ンズ３７，３８、反射鏡３９、ＣＣＤのごとき２次元検
出素子４０が含まれている。なお、反射鏡３９は必須の
構成ではなく、結像光学系を直線状に配置する際には不
要となる。照明光学系２３は、高さ検出とマーク像の結
像のために共通に使用される。光源２５の光は、集光レ
ンズ２６で集められ、矩形開口を有するスリット２７を
照明する。

【００３８】スリット２７を透過した光は、第１の結像
レンズ２８で被描画材料１３の手前にスリット２７の像
Ｓ１を結像する。高さ検出系のレンズ２９は、その焦点
距離で決まる結像位置にスリット２７の像Ｓ２と材料面
の像Ｍ１を結像する。ハーフミラー３６で曲げられた光
線は、レンズ３７，３８により、適切な倍率で２次元検
出素子４０上に結像する。

【００３９】図９に示した例では、高さ検出光学系のレ
ンズ３０の中心に材料面の像が結像するように図示して
ある。これは、材料面の像が高さ検出系に干渉しないよ
うにするためであるが、この結像位置は、必ずしもレン
ズ３０の中心に位置させる必要はない。

【００４０】２次元検出素子４０上には、材料面の像が
投影され、マークがこの素子４０の視野内に入ると、図
１０に示すような像が得られる。この図１０の場合で
は、十字型のマークＭを示したが、マークはＬ字型や四
角等各種の形のマークを使用することができる。

【００４１】２次元検出素子４０によって検出されたマ
ークの像信号は、コンピュータ１４に供給され、基準と
なるマーク像との比較が行われる。検出マーク像が基準
マーク像と一致すれば、マークと認識し、この位置で電
子ビームによるマークの正確な位置検出が実行される。
この場合、電子ビームの光軸における材料面の像を検出
し、材料面の像に基づきマークが認識できない際には、
材料を機械的に適宜移動させ、マークが光軸上に位置さ
れるように制御する。

【００４２】マークが電子ビームの光軸上に位置した後
の電子ビームによるマークの位置検出は、コンピュータ
１４からの制御により偏向器２１により電子ビームを所
定のモードで走査することによって行う。この電子ビー
ムの走査により得られた例えば２次電子信号は、図示し
ていない２次電子検出器により検出され、この検出信号
に基づいてマークの正確な位置が検出される。

【００４３】図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、２次元検
出素子４０によって得られた材料に形成されたマークの
像Ｍｒと、基準パターン像Ｍｓの例を示したものであ
る。マークかどうかの認識は、像Ｍｒの総面積と、像Ｍ
ｓの総面積を比較することによって行い、像Ｍｒにつ
き、所定の割合以上の面積が得られた場合にマークと認
識する。

【００４４】以上本発明の実施の形態を詳述したが、本
発明はこの形態に限定されない。例えば、高さ検出光学
系の一部とマーク像の結像光学系の一部を兼用するよう
にしたが、両光学系を全く独立に設けることも可能であ
る。また、電子ビーム描画装置を例に説明したが、イオ
ンビーム描画装置にも本発明を適用することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明では、
マークの位置検出を荷電粒子ビームで行う前段階とし
て、光によりマーク位置の検索を行い、マーク部分を荷
電粒子ビームの光軸に配置させた後、荷電粒子ビームに
よるマーク位置検出を行うようにした。

【００４６】その結果、荷電粒子ビームによるマーク検
出時に、マーク周辺に荷電粒子ビームが不要に照射され
ることがなくなるので、半導体素子が形成される領域に
マーク検出用の荷電粒子ビームが照射されてその素子を
損傷することは防止される。したがって、被描画材料の
有効活用を図ることができる。

【００４７】第２の発明では、被描画材料上に光を投射
する照明光学系と、被描画材料で反射した光に基づいて
被描画材料の高さを検出する高さ検出光学系と、被描画
材料から反射した光に基づいてマーク像を検出する結像
光学系とを備えるようにした。その結果、簡単な構成に
より、マークの位置検出を荷電粒子ビームで行う前段階
として、光によりマーク位置の検索を行い、マーク部分
を荷電粒子ビームの光軸に配置させた後、荷電粒子ビー
ムによるマーク位置検出を行うことができる。したがっ
て、第１の発明と同様な効果が得られる。

【００４８】第３の発明では、第２の発明において、高
さ検出光学系の構成要素の一部と、結像光学系の構成要
素の一部とを兼用するように構成したので、より構成が
簡単化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は被描画材料に設けられた基準マークの配
列の一例を示す図である。

【図２】マーク部分の検索を行う際の電子ビームの走査
の状態を示す図である。

【図３】マーク位置検出の際の電子ビームの走査の状態
を示す図である。

【図４】電子ビームのフォーカスの調整や偏向幅の補正
を行う原理を説明するための図である。

【図５】高さ補正の機能を備えた電子ビーム描画装置の
一例を示す図である。

【図６】光学式高さ検出系の原理を説明するための図で
ある。

【図７】照明光学系と検出光学系を直線状にした光学系
を示す図である。

【図８】本発明に基づく電子ビーム描画装置の一例を示
す図である。

【図９】照明光学系、検出光学系、結像光学系を直線状
にした光学系を示す図である。

【図１０】２次元検出素子に投影された像の一例を示す
図である。

【図１１】２次元検出素子によって得られた材料に形成
されたマークの像と、基準パターン像の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０電子銃１１縮小レンズ１２対物レンズ１３被描画材料１４コンピュータ１５，１６制御回路１７ブランキング電極１８ブランキング制御器１９ビーム受け２０絞り２１偏向器２２偏向駆動回路２３照明光学系２４検出光学系３５結像光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子ビームを被描画材料上で走査
し、所定のパターンの描画を行うようにした荷電粒子ビ
ーム描画方法において、被描画材料上に光を投射し、被
描画材料で反射した光に基づいて被描画材料の高さを検
出すると共に、被描画材料から反射した光に基づいてマ
ーク像を検出し、このマーク像に基づいて荷電粒子ビー
ムと被描画材料との相対的な位置合わせを行い、その後
マーク部分で荷電粒子ビームの走査を行い、マークの位
置検出を行うようにした荷電粒子ビーム描画方法。
【請求項２】荷電粒子ビームを被描画材料上で走査
し、所定のパターンの描画を行うようにした荷電粒子ビ
ーム描画装置において、被描画材料上に光を投射する照
明光学系と、被描画材料で反射した光に基づいて被描画
材料の高さを検出する高さ検出光学系と、被描画材料か
ら反射した光に基づいてマーク像を検出する結像光学系
とを備えた荷電粒子ビーム描画装置。
【請求項３】高さ検出光学系の構成要素の一部と、結
像光学系の構成要素の一部とが兼用されている請求項２
記載の荷電粒子ビーム描画装置。