JP2006079911A - 電子ビーム電流計測方法、電子ビーム描画装置および電子ビーム検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子ビーム描画装置において、微弱なビーム電流を高精度に計測する際、長い伝送経路に重畳するノイズの影響を低減し、また、マルチビーム描画装置において、微弱なビーム電流を高精度に効率よく計測する技術を提供する。
【解決手段】 電子ビーム検出素子１０９と検出信号用伝送経路１２４を遮断・接続するスイッチ１１０を用いて、ビーム電流計測の間、電子ビーム検出素子１０９を検出信号用伝送経路１２４から遮断し、電子ビーム検出素子１０９内に検出信号を蓄積し、計測終了と同時に電子ビーム検出素子１０９と検出信号用伝送経路１２４を接続し、蓄積信号を計測する。また、同様な計測方法を複数同時に行うため、電子ビーム検出素子と複数のスイッチとを用いて、複数本の電子ビームを同時に高精度に計測する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子ビーム電流計測方法、電子ビーム描画装置および電子ビーム検出器に関し、特に電子ビーム乃至パルスビームの平均電流量を求める方法および手段、複数本の電子ビーム乃至パルスビームを使用して描画を行う電子ビーム描画装置に適用して有効な技術に関する。

本発明者が検討した技術として、例えば、半導体集積回路装置（ＬＳＩ）の製造に用いられる電子ビーム描画装置においては、ＬＳＩの微細化、複雑化、パターンデータの大容量化が進み、描画精度の向上と共に、描画スループットの向上が要求されている。このため、可変成形ビーム方式の電子ビーム描画装置に加え、マスク上の部分パターンを縮小投影する一括露光方式電子ビーム描画装置が開発されている。

また、次世代のリソグラフィ装置として、ＥＰＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）に代表される電子ビーム投影リソグラフィや、複数本の電子ビームを一斉に偏向し、半導体ウェハの露光／非露光部にて電子ビームをオン／オフして描画するマルチビーム方式の電子ビーム描画装置の開発が進められている。

いずれの電子ビーム描画装置でも、電子ビームの電流値を計測し、描画時の電子ビーム照射量を校正することが必要である。電子ビーム照射量の高精度な制御は、パターン寸法精度の向上に結びつく。このため、照射量決定の基準となる電子ビームのビーム電流を高精度に計測することは、高精度な描画を行うのに不可欠である。

例えば、電子ビーム描画装置として、電子ビームをパルス化し、ビームオン時間のパルス幅を制御して描画パターンを形成するものがある。この電子ビーム描画装置の電子光学系は、内部を真空排気した真空カラム、電子ビームを発生する電子銃、電子ビームを収束するためのレンズ、電子ビームをオン／オフするためのブランキング電極とブランキングアパーチャ、電子ビームのビーム電流を計測するための電子ビーム検出素子、描画パターンを形成するための試料を搭載する可動ステージ、ステージ上での電子ビームの位置を決める偏向器、配線系統を大気中に導くための真空電流導入端子などで構成されている。

この電子ビーム描画装置において、電子銃から発生した電子ビームは、レンズや偏向器により収束および偏向され、可動ステージ上の電子ビーム検出素子および試料に到達する。ビームオフ時には、電子ビームはブランキング電極で偏向され、ブランキングアパーチャに照射され、通過する電子ビームを遮断させる。ブランキング電極にパルス電圧を印加することで、電子ビームをオン／オフさせ、パルスビームを生成する。

この電子ビーム描画装置の制御系は、生成された電子ビーム乃至パルスビームを電子ビーム検出素子に照射する。電子ビーム検出素子により検出した信号を、検出信号用伝送経路を介して計測回路に転送する。この計測結果に基づき、電子ビームの電流量を算出する。算出したビーム電流量の計測データを元に、描画時のビームオン時間を補正する。これにより、所望の照射量による描画を行う。なお、可変成形ビーム方式の電子ビーム描画装置においては、ビーム電流の計測結果から、電子ビームの面積を補正し、照射量を制御する。

従来のビーム電流計測では、例えば、特許文献１に記載されているように、電子ビーム検出素子としてファラデーカップ、計測回路として電流計を用いて、電流値あるいは電流密度を求めている。

また、電子ビームの照射量を補正する方法として、特許文献２および特許文献３に記載されている技術がある。
特許第３０８２６６２号公報 特開平５−２９９３２８号公報 特開２００３−５１４３７号公報

ところで、前記のような電子ビーム描画装置の技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。

例えば、電子ビーム描画装置は、微細なパターンを形成するために、ビーム電流計測を高精度に行い、計測結果に基づいて電子ビーム照射量を決定して制御する。微細なパターンの描画では、ビーム電流も微弱になり、従来のファラデーカップ方式のビーム電流計測では高精度な電流の計測が困難である。特にマルチビーム描画装置では、１本の電子ビームは微弱かつ高速なパルスビームとなる。このような微弱かつ高速なビーム電流を通常のファラデーカップおよび電流計で精度良く計測することは、信号／雑音比の観点から困難である。

これに対して、一般的に積分回路によりビーム電流ｉをパルス数Ｎだけ積分する方法が知られている。これは、検出素子により検出された信号を後段積分回路に転送し、積分回路にて積分した信号を計測するものである。

しかし、電子ビーム描画装置では、一般的に描画すべき試料の大きさが径φ２００〜φ３００ｍｍと大きく、これに伴ってステージの可動範囲も大きくなる。このため、電子ビーム検出素子から後段計測回路までの検出信号用伝送経路が長くなる。例えば、最小でも数十ｃｍ、ステージが大きい場合には数ｍの検出信号用伝送経路で微弱な信号を伝送する必要がある。マルチビーム描画装置のように微弱かつ高速な信号を検出する場合、従来のファラデーカップ方式および後段積分回路で積分する方式では、電子ビーム検出素子から後段計測回路（積分回路もしくは増幅回路）までの長い伝送経路上に重畳するノイズのために、電流の計測に誤差が生じてしまい、計測精度の向上を妨げている。

また、ｎ本の電子ビームを露光／非露光部にて高速かつ個別にオン／オフさせて、描画を行うマルチビーム描画装置では、計測時間が１本ビームのｎ倍以上となり、計測時間の短縮が必要である。なお、ｎは自然数である。

そこで、本発明の目的は、寸法精度の高いパターンを試料上に形成するために必要な電子ビーム電流計測方法、電子ビーム描画装置および電子ビーム検出器を提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、本発明による電子ビーム描画装置乃至電子ビーム検出器は、電子ビーム検出素子で検出した電流を電荷として蓄積する蓄積部と、その蓄積部と計測回路との間を電気的に遮断および接続するスイッチとを設けたものである。この蓄積部とスイッチは、描画装置内の電子ビーム検出素子が設置されているステージ上にあることにする。理想的には、この蓄積部とスイッチを電子ビーム検出素子内に作りこむ構成が望ましい。例えば、このような電子ビーム検出素子は、半導体ダイオードである。

また、本発明による電子ビーム電流計測方法は、スイッチにより蓄積部と計測回路との間を電気的に遮断すると同時に、または遮断した後に、電子ビームを電子ビーム検出素子に照射し、蓄積部にて電荷を蓄積し、特定のビーム照射時間経過後、スイッチにより蓄積部と計測回路とを接続し、蓄積した電荷量から電子ビーム電流量を算出するものである。

さらに、複数本の電子ビームを同時に計測するため、電子ビーム検出器において、複数の電子ビーム検出素子を２次元状に配列し、散乱電子の影響を受けないように、その一方向の素子ピッチを、電子ビームの飛程の２倍以上で、かつ、複数本の電子ビームのビームピッチの整数倍とする。さらに、この電子ビーム検出素子で検出した電流を電荷として蓄積する複数の蓄積部と、複数の蓄積部と複数の計測回路との間を電気的に遮断および接続する複数のスイッチとを設ける。この複数の蓄積部およびスイッチは、電子ビーム描画装置内の電子ビーム検出素子が設置されているステージ上にあることにする。理想的には、この複数の蓄積部およびスイッチを電子ビーム検出素子内に作りこむ構成が望ましい。例えば、このような複数の電子ビーム検出素子は、半導体ダイオードアレイである。

そして、複数のスイッチにより、蓄積部と計測回路との間を電気的に遮断すると同時に、または遮断した後に、複数本の電子ビームを同時に照射し、複数の蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積し、特定のビーム照射時間経過後、複数のスイッチにより複数の蓄積部と複数の計測回路とを接続し、蓄積した電荷量から電子ビーム電流量をそれぞれのビームについて算出する。

これらにより、長い検出信号用伝送経路中に重畳する電子ビーム描画装置特有のノイズの影響を出来る限り低減した高精度な計測が可能となる。また、複数本の電子ビームを高精度に同時計測することが可能となる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

検出信号用伝送経路に重畳するノイズを出来る限り低減した高精度な電子ビーム電流計測が可能となり、電子ビーム描画装置の高精度な照射量制御が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による電子ビーム描画装置の要部を示す構成図、図２は本実施の形態１による電子ビーム描画装置において、計測回路に積分器を用いて、電子ビーム検出素子に半導体ダイオードを用いた場合の一例を示す構成図、図３はビーム電流計測におけるタイミングを示す図、図４は電子ビーム検出素子と蓄積部とスイッチとを内部に組み込んだ電子ビーム検出器を示す構成図、図５は真空電流導入端子（ハーメコネクタ）の配置を示す図である。

まず、図１により、本実施の形態１による電子ビーム描画装置の構成の一例を説明する。本実施の形態１の電子ビーム描画装置は、例えば、ポイントビームを用いた描画装置とされ、電子光学系１００と制御系１１２などから構成されている。

電子光学系１００は、内部を真空排気した真空カラム１０１、電子ビーム１０２を発生する電子銃１０３、電子ビーム１０２を収束するためのレンズ１２６、電子ビーム１０２をオン／オフするためのブランキング電極１０５とブランキングアパーチャ１０６、電子ビームのビーム電流を計測するための電子ビーム検出素子１０９と電子ビーム検出素子１０９をオン／オフするスイッチ１１０などからなる電子ビーム検出器４００、描画パターンを形成するためのシリコンウェハなどの試料１０４と電子ビーム検出器４００（電子ビーム検出素子１０９とスイッチ１１０）とを搭載する可動ステージ１０８、可動ステージ１０８上での電子ビームの位置を決める偏向器１２７、配線系統を大気中に導くための真空電流導入端子（ハーメコネクタ）１１１などから構成されている。

電子ビーム検出器４００において、電子ビーム検出素子１０９は、検出信号の電荷を蓄積する蓄積部を内部に備えている。このような電子ビーム検出素子としては、フォトダイオード、アバランシェダイオードなどの半導体ダイオードや、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）や電子増倍管など、電子ビームに対して増倍作用のある検出素子であることが望ましい。また、スイッチ１１０はリーク電流の少ないものを用い、ステージ１０８上の電子ビーム検出素子１０９に出来る限り近いところに設置する。これにより、検出信号用伝送経路１２４を介して、電子ビーム検出素子１０９に蓄積した信号を転送することが可能となる。

制御系１１２は、制御系１１２全体を統括する制御用計算機１１３、種々のデータ処理を行うデータ制御系１１４、ブランキング制御部１１５、信号処理部１１６などから構成されている。データ制御系１１４は、データ制御部１１７、電流量の計測結果から露光量を補正するための補正演算部１１８などから構成されている。補正演算部１１８には、補正データ用メモリ１１９が含まれている。信号処理部１１６は、タイミング制御部１２０、計測回路１２１、計測回路１２１の出力電圧をサンプリングするサンプル／ホールド回路（Ｓ／Ｈ）１２２、サンプリングされたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）１２３などから成る。

制御用計算機１１３はデータ制御系１１４と接続され、データ制御系１１４はブランキング制御部１１５および信号処理部１１６と接続され、ブランキング制御部１１５は信号処理部１１６と接続されている。また、ブランキング制御部１１５は真空電流導入端子１１１ｃを介してブランキング電極１０５と接続され、信号処理部１１６内のタイミング制御部１２０は制御信号用伝送経路１２５および真空電流導入端子１１１ａを介して電子ビーム検出器４００内のスイッチ１１０の制御端子に接続され、計測回路１２１は検出信号用伝送経路１２４および真空電流導入端子１１１ｂを介してスイッチ１１０に接続されている。

この電子ビーム描画装置は、電子ビーム１０２をパルス化し、ビームオン時間のパルス幅を制御して描画パターンを形成するものである。

電子光学系１００において、電子銃１０３から発生した電子ビーム１０２は、レンズ１２６や偏向器１２７により収束および偏向され、可動ステージ１０８上の電子ビーム検出素子１０９および試料１０４に到達する。ビームオフ時には、電子ビーム１０２はブランキング電極１０５で偏向され、ブランキングアパーチャ１０６に照射され、通過する電子ビームを遮断させる。ブランキング電極１０５にパルス電圧を印加することで、電子ビーム１０２をオン／オフさせて、パルスビーム１０７を生成する。

また、制御系１１２において、信号処理部１１６内のタイミング制御部１２０は、ブランキング制御部１１５、信号処理部１１６内のＡ／Ｄ変換器１２３、サンプル／ホールド回路１２２および計測回路１２１、並びにデータ制御部１１７のタイミング制御を行う。

生成された電子ビーム１０２もしくはパルスビーム１０７を電子ビーム検出素子１０９に照射する。電子ビーム検出素子１０９により検出した信号を、検出信号用伝送経路１２４を介して計測回路１２１に転送して計測を行う。この計測結果に基づき、電子ビームの電流量を算出する。

データ制御系１１４内の補正演算部１１８は、信号処理部１１６から送られるビーム電流量の計測データを元に、補正データを作成する機能を持ち、さらにメモリ１１９内の各アドレスにその補正データを記憶している。描画時は描画パターンデータに対し、予め作成した補正データをメモリ１１９から読み出し、ビームオン時間を補正する。これにより、所望の照射量による描画を行う。なお、可変成形ビーム方式の電子ビーム描画装置においては、ビーム電流の計測結果から、電子ビームの面積を補正し、照射量を制御する。

次に、本実施の形態１による電子ビーム描画装置における電子ビーム電流量の計測の手順について説明する。ビーム電流計測時には、まず、制御用計算機１１３から計測開始の起動信号がかかり、ビーム照射量計測用の描画パターンデータをデータ制御系１１４に転送する。同時に、可動ステージ１０８を移動させ、電子ビーム検出素子１０９をビーム照射位置まで移動させる。

データ制御系１１４で前記ビーム照射量計測用の描画パターンデータをビームオン時間とパルス数に変換し、変換されたデータをブランキング制御部１１５に転送する。このビームオン時間の設定値は、過去の計測結果に基づき、電子ビーム１０２のパルス化される前のビーム電流量と、ブランキングの応答遅れなどを考慮して算出される。ここでは、その算出方法の詳しい説明は省略する。このとき、同時に信号処理部１１６内のタイミング制御部１２０にビーム照射量計測の起動信号を送る。

ブランキング制御部１１５は、転送されたデータに対応したパルス電圧をブランキング電極１０５に印加し、パルスビーム１０７を生成する。本実施の形態１の計測方法における計測対象はパルス化された電子ビームに限らないが、ここでは特にパルスビームの計測方法について述べる。

信号処理部１１６内のタイミング制御部１２０は、パルスビーム１０７の照射と同時か、それ以前に、制御信号用伝送経路１２５を介した制御信号によってスイッチ１１０をオフにして、電子ビーム検出素子１０９と後段計測回路１２１との間を電気的に遮断する。ブランキング制御部１１５が一定数のパルスだけパルス電圧を出力し、パルスビーム１０７を電子ビーム検出素子１０９に照射して、電子ビーム検出素子１０９内に検出信号を電荷として蓄積させる。前記ビーム照射量計測用の描画パターンデータによるパルス数だけパルスビームを照射した後、タイミング制御部１２０から制御信号用伝送経路１２５を介して伝送された制御信号に従い、スイッチ１１０をオンにして、電子ビーム検出素子１０９内に蓄積された電荷を計測回路１２１に送り、計測回路１２１でその電荷量を電圧として計測し、後段のサンプル／ホールド回路１２２が出力電圧をサンプリングしてＡ／Ｄ変換器１２３によりアナログ信号をデジタルデータに変換し、補正演算部１１８内のメモリ１１９に記憶させる。この記憶されたデータに基づいて、補正演算部１１８は計測値の設定値からのずれが許容量以内であるか否かを判定する。この許容量は、ビーム描画寸法精度から決まる照射量の設定精度で決まる。設定値と計測値のずれが許容値を超えた場合、ビーム照射量の補正演算を行い、補正したビームオン時間をブランキング制御部１１５に転送する。このとき、同時に信号処理部１１６にも起動信号を与え、再び上記計測動作を繰り返す。

このようにして、電子ビーム検出素子１０９内に蓄積された電荷量から、照射されたビーム電流を算出し、ビームオン時間を補正することで、描画時のビーム照射量を決定する。この方式では、蓄積した信号が検出信号用伝送経路１２４にて伝送されるため、検出信号用伝送経路１２４に重畳するノイズの影響を受けにくく、高精度なビーム電流の計測が可能となる。

次に図２により、計測回路１２１として積分器２００を用いて、電子ビーム検出素子１０９として半導体ダイオード２０６を用いた場合の電子ビーム描画装置の構成例を説明する。図２において、真空カラム１０１内の他の部分は、図１の構成と同じであるので省略している。

積分器２００は、オペアンプ２０２を用いて、帰還容量としてコンデンサ２０３を接続したもので、コンデンサ２０３の積分信号をリセットするためのリセットスイッチ２０１をオペアンプ２０２の入力と出力の間に備えている。また、バイアス電源２０４の正極が半導体ダイオード２０６のカソード側に接続され、バイアス電源２０４の負極が積分器２００のアース２０５とオペアンプ２０２の入力につながっている。半導体ダイオード２０６のアノード側はスイッチ１１０に接続されている。この半導体ダイオード２０６の飽和値については、後で詳しく述べる。積分器２００のリセットスイッチ２０１はタイミング制御部１２０と接続され、動作時はタイミング制御部１２０から制御信号を受け取り、リセットスイッチ２０１によりコンデンサ２０３をリセットしてから積分器２００で積分を開始する。

この電子ビーム描画装置におけるビーム照射量の計測方法は、スイッチ１１０と、制御信号用伝送経路１２５を介して接続されるタイミング制御部１２０とを用いて、パルスビームもしくは電子ビームが照射されると同時かそれ以前にスイッチ１１０をオフすることで、半導体ダイオード２０６を検出信号用伝送経路１２４から電気的に遮断し、半導体ダイオード２０６内に検出信号を蓄積させて、パルスビームもしくは電子ビームの照射終了後、スイッチ１１０をオンすることで、蓄積した信号を後段の信号処理部１１６により計測する。

次に図３により、これらの計測方法におけるタイミング制御の一例を説明する。

図３において、ビーム信号は、半導体ダイオード２０６で検出されるビーム電流強度を表す。

検出器スイッチは、スイッチ１１０を制御する制御信号を表し、信号がハイ（Ｈｉｇｈ）でスイッチ１１０がオフとなり、半導体ダイオード２０６を後段検出信号用伝送経路１２４から電気的に遮断する。また、検出器スイッチの信号がロウ（Ｌｏｗ）でスイッチ１１０がオンとなり、半導体ダイオード２０６を後段検出信号用伝送経路１２４に接続する。

積分器リセットスイッチは、リセットスイッチ２０１を制御する制御信号を表し、信号がハイでリセットスイッチ２０１がオフとなり、積分器２００のコンデンサ２０３に検出器内に蓄積された電荷を積分する。また、積分器リセットスイッチの信号がロウでリセットスイッチ２０１がオフとなり、コンデンサ２０３の電荷をリセットする。

検出器内電荷量は、半導体ダイオード２０６の電子ビーム検出素子内部に蓄積される電荷量である。積分器出力電圧は、積分器２００の出力電圧である。

時刻ｔ_０において、制御用計算機１１３からの起動信号により、データ制御系１１４でビーム照射量計測用の描画パターンデータをビームオン時間とパルス数に変換し、変換されたデータをブランキング制御部１１５に転送する。ここで、ビーム照射時間とは、前記ビーム照射量計測用の描画パターンデータに基づいて変換されたパルス数だけ電子ビームを照射する時間であり、ここでは、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２の間である。パルス数は任意であり、パルス数が１の場合、すなわち連続照射も含まれる。

時刻ｔ_１において、ブランキング制御部１１５はパルスビームを発生する。同時に、ブランキング制御部１１５からの起動信号によりタイミング制御部１２０は制御信号用伝送経路１２５を介してスイッチ１１０をオフさせる。このスイッチ１１０をオフさせる時刻は、パルスビームの照射開始と同時である必要はないが、少なくとも時刻ｔ_０から時刻ｔ_１の間である。パルスビーム１０７が半導体ダイオード２０６に照射され、半導体ダイオード２０６内の電荷量が増加していく。

時刻ｔ_２において、計測用のパルスビーム１０７が終了すると同時に、ブランキング制御部１１５からの終了信号がタイミング制御部１２０に転送され、リセットスイッチ２０１をオフし、積分器２００をオンさせる。このとき、オペアンプ２０２のオフセット電流のために積分器出力電圧がわずかに増加する。

時刻ｔ_３において、積分器２００のオフセット出力が安定するタイミングで、サンプル／ホールド回路１２２が出力電圧をサンプリングしてＡ／Ｄ変換器１２３によりデジタルデータに変換し、データ制御系１１４内のメモリ１１９にオフセット電圧として記憶される。

時刻ｔ_４において、オフセット電圧のサンプリングが終了するタイミングでスイッチ１１０をオンさせて、半導体ダイオード２０６内に蓄積した電荷を積分器２００に転送する。

時刻ｔ_５において、半導体ダイオード２０６内の電荷量がすべて積分器２００に転送され、積分器２００の出力電圧が安定するタイミングで再びサンプル／ホールド回路１２２でサンプリングし、Ａ／Ｄ変換器１２３によりデジタルデータに変換し、メモリ１１９に記憶させる。計測された照射量は、先ほどのオフセット電荷量を差し引いたものとなる。

このように、半導体ダイオード２０６内に電荷を蓄積させてから信号を取り出すことで、検出信号用伝送経路１２４に重畳する電磁ノイズの影響を出来る限り低減した精度の高い電流計測が可能となる。

次に図４（ａ）、（ｂ）により、電子ビーム検出器４００の構成例を説明する。

図４（ａ）の電子ビーム検出器４００は、検出素子４０１と蓄積部４０２とスイッチ４０３とを内部に作りこんだことに特徴がある。検出素子４０１は、ファラデーカップ、電子ビームに増倍作用のある半導体ダイオード（フォトダイオードもしくはアバランシェフォトダイオード）、ＭＣＰ、電子増倍管などである。増幅作用のある素子を用いる場合、ファラデーカップなどの検出方式と出力電流を比較し、絶対校正を行い、正確な増倍率を計測している。なお、検出素子４０１と蓄積部４０２は、図１の電子ビーム検出素子１０９に対応し、スイッチ４０３はスイッチ１１０に対応する。

図４（ｂ）の電子ビーム検出器４００は、検出素子と蓄積部とスイッチとを同一半導体基板内に作りこんだものである。検出素子および蓄積部として半導体ダイオード４０４を用いて、蓄積部には半導体ダイオード４０４の接合容量を利用した。スイッチとして電界効果型のトランジスタ４０５を用いた。そして、半導体ダイオード４０４とトランジスタ４０５を半導体４０６内に作りこんだものである。なお、半導体ダイオード４０４は、図２の半導体ダイオード２０６に対応し、トランジスタ４０５はスイッチ１１０に対応する。

次に図５（ａ）、（ｂ）により、ビーム電流計測に用いる配線を真空内外に導くための真空電流導入端子（ハーメコネクタ）の配置例を説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、図１および図２の真空カラム１０１の外壁に現れた真空電流導入端子板の部分を表している。また、図５（ａ）は図１に対応し、図５（ｂ）は図２に対応している。

図５（ａ）において、真空電流導入端子板６００には、従来の検出信号用真空電流導入端子１１１ｂに加えて、電子ビーム検出器４００内のスイッチ１１０のオン／オフを制御する配線を導くための制御信号用真空電流導入端子１１１ａを新たに設置した。

図５（ｂ）は、電子ビームに増倍作用のある半導体ダイオード２０６を検出素子として用いた場合の構成である。半導体ダイオード２０６のように増幅作用のある素子を用いる場合、ファラデーカップなどの検出方式と出力電流を比較し、絶対校正を行う。よって、真空電流導入端子板６０３には、半導体ダイオード２０６のアノード用真空電流導入端子１１１ｄとカソード用真空電流導入端子１１１ｅに加えて、校正用のファラデーカップの信号線を導くための校正信号用真空電流導入端子１１１ｆと、電子ビーム検出器４００内のスイッチ１１０のオン／オフを制御する配線を導くための制御信号用真空電流導入端子１１１ａを新たに設置した。

後述する本発明の実施の形態２による検出素子が複数個並んだ電子ビーム検出器を用いる場合、半導体ダイオードのアノード用真空電流導入端子１１１ｄとカソード用真空電流導入端子１１１ｅは検出素子数に応じて増加する。ただし、その場合でも校正信号用真空電流導入端子１１１ｆと制御信号用真空電流導入端子１１１ａは、それぞれ１個ずつである。

電子ビーム検出器の蓄積部は大きいほうがよいが、図４（ｂ）のように蓄積部に半導体ダイオードの接合容量を用いる場合、現実的には飽和電荷量が存在し、飽和電荷量以上の測定は不可能である。そこで、蓄積部に半導体ダイオードの接合容量を用いる場合において、計測可能なビーム電流量とビーム照射時間の上限を決定するための算出方法について述べる。

例えば、半導体ダイオードの素子容量が５０（ｐＦ）で、順方向電圧が０．５Ｖまで印加可能な素子を用いた場合についての計算方法を述べる。素子内に蓄積できる電荷量Ｑ_maxは、
Ｑ_max＝５０（ｐＦ）×０．５（Ｖ）＝２５（ｐＣ）
である。

半導体ダイオードは電子ビームに対して増倍作用がある。このため、電子ビームにより蓄積される電荷量Ｑは、
電荷量Ｑ＝ビーム電流量ｉ×検出素子増倍率Ｇ×Σビームオン時間Ｔ_ON
である。

この検出素子増幅率Ｇは入射電子がＰＮ接合による空乏層内でエネルギー損失することにより発生する電子−正孔対の数を基本としている。このため、電子ビームの入射エネルギーＥ_i（ｅＶ）、シリコン（Ｓｉ）において１個の電子−正孔対を発生させるのに必要なエネルギーを３．６ｅＶとすると、増倍率は、
Ｇ＝α・Ｅ_i／３．６
で表される。αはエネルギー伝達係数であり、素子の反射係数や表面から空乏層までの深さ、電子の侵入深さによる。電子の入射エネルギーが５０ｋｅＶで、空乏層までの深さが約０．２５μｍだとすると、半導体ダイオードの増倍率は約１２０００倍程度となる。描画装置では、このような増幅作用のある素子を用いる場合、ファラデーカップなどの検出方式と出力電流を比較し、絶対校正を行い、正確な増倍率を計測している。

よって、電子の加速電圧が５０ｋｅＶの場合の計測可能なビーム電流量ｉとビーム照射時間中の総ビームオン時間ΣＴ_ONは、
２５（ｐＣ）≧ｉ×１２０００×ΣＴ_ON
の条件を満たすものである。例えば、ビーム電流が１ｎＡ程度である場合、ビーム照射時間ΣＴ_ONは、２μｓ程度となる。

このような方法によりビーム電流量、およびビーム照射時間の上限を定めることで、電子ビーム描画装置の長い信号用伝送経路において出来る限り大きい信号を伝送させ、重畳するノイズの影響を低減し、ビーム電流量を高精度に算出することが可能となる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２によるマルチ電子ビーム描画装置の要部を示す構成図、図７は本実施の形態２によるマルチ電子ビーム描画装置において、電子ビーム検出器の構成を示す図である。

まず、図６により、本実施の形態２によるマルチ電子ビーム描画装置の構成の一例を説明する。本実施の形態２のマルチ電子ビーム描画装置は、例えば、複数本の電子ビームを用いた描画装置とされ、内部を真空排気した真空カラム５００、電子ビーム５０２を発生する電子銃５０１、コンデンサーレンズ５０３、アパーチャアレイ５０４、レンズアレイ５０５、複数の電子ビーム５０６をオン／オフするためのブランキング電極アレイ５０７とブランキング絞り５０８、第１投影レンズ５０９、主偏向器５１０、第２投影レンズ５１１、副偏向器５１２、複数本の電子ビームのビーム電流を計測するための電子ビーム検出素子アレイ５１４と電子ビーム検出素子アレイ５１４をオン／オフするスイッチ５２７からなる電子ビーム検出器、描画パターンを形成するためのシリコンウェハなどの試料５１３と電子ビーム検出素子アレイ５１４とスイッチ５２７とを搭載する試料ステージ５１５、フォーカス制御回路５２０、照射量制御回路５２１、レンズ制御回路５２２、偏向制御回路５２３、信号処理回路５２４、ステージ制御回路５２５、ＣＰＵ５２６、検出信号用伝送経路５２８、制御信号用伝送経路５２９などから構成されている。

真空カラム５００内において、電子銃５０１から発した電子ビーム５０２は、コンデンサーレンズ５０３、アパーチャアレイ５０４、レンズアレイ５０５により複数の電子ビーム５０６が形成される。この複数の電子ビーム５０６は、ブランキング電極アレイ５０７、ブランキング絞り５０８によりそれぞれが独立にオン／オフされ、第１投影レンズ５０９および第２投影レンズ５１１により、試料５１３上に投影される。このとき、複数の電子ビーム５０６の試料５１３上での位置は、主偏向器５１０、副偏向器５１２を用いて一斉に走査される。走査と複数の電子ビーム５０６のオン／オフを同期させ、かつ、ステージ５１５により試料５１３を移動させることで試料全面を描画する。

フォーカス制御回路５２０はレンズアレイ５０５を、照射量制御回路５２１はブランキング電極アレイ５０７を、レンズ制御回路５２２は第１投影レンズ５０９と第２投影レンズ５１１を、偏向制御回路５２３は主偏向器５１０と副偏向器５１２を、ステージ制御回路５２５はステージ５１５をそれぞれ制御している。信号処理回路５２４は電子ビーム検出素子アレイ５１４からの信号を検出し、信号処理を行っている。この電子ビーム検出素子アレイ５１４は、半導体ダイオードなどの検出素子が複数個並んだ検出素子アレイであり、同時に複数本のビームを計測することが可能である。また、電子ビーム検出素子アレイ５１４内に蓄積部を有している。これら、すべてのユニットを統括しているのがＣＰＵ５２６である。

ここで、照射量制御回路５２１には、ブランキング制御手段とビームオン時間の補正データ作成および補正演算を行う補正演算部が含まれ、これは図１のブランキング制御部１１５と補正演算部１１８と同一の構成である。また、信号処理回路５２４には、タイミング制御部、計測回路、サンプル／ホールド回路、Ａ／Ｄ変換器、が含まれ、これは図１のタイミング制御部１２０、計測回路１２１、サンプル／ホールド回路１２２、Ａ／Ｄ変換器１２３と同一の構成である。ただし、タイミング制御部を除く計測回路、サンプル／ホールド回路、Ａ／Ｄ変換器については、同時計測を可能にするため、同様のものが複数個並んだ構成となっている。

また、スイッチ５２７は前記複数の検出素子のそれぞれの出力部を電気的に遮断する手段であり、図１のスイッチ１１０と同じ構成のものが複数個並んだものである。検出信号用伝送経路５２８においても、検出信号用伝送経路１２４と同一の構成のものが複数本並んでおり、制御信号用伝送経路５２９においては制御信号用伝送経路１２５と同じ構成である。

このマルチ電子ビーム描画装置では、電子銃５０１からの放射電流密度分布、電子光学系を構成する要素の機械的な誤差などで、各電子ビームの特性が異なることがある。そのため、同一のビームオン時間を設定しても、それぞれの電子ビームでビーム照射量が異なるため、描画パターンの寸法が均一にならない。このため、ビームごとに電流量を計測し、それぞれの照射量特性データを作り、ビームオン時間を校正する。

しかし、ビームの本数が増えると、その分だけ電流計測に時間がかかり、計測時間の短縮が必要である。また、検出信号用伝送経路５２８は数十ｃｍ〜数ｍとなり、さらに複数本のケーブルが並列に配置されている。このような長い伝送経路は、周囲の電磁ノイズを多く受け、微弱な検出信号を転送することは非常に困難である。よって、前記実施の形態１で説明した検出素子内に電荷を蓄積し、蓄積した信号を計測する方法を、複数本のビームに対して同時に行うことが、長い検出信号用伝送経路５２８に重畳する電磁ノイズによる影響を低減する。

次に図７により、電子ビーム検出素子アレイ５１４とスイッチ５２７などからなる電子ビーム検出器の構成について詳しく述べる。複数本の電子ビーム７００を検出するために、複数の検出素子である（２×ｎ）個の半導体ダイオードアレイ７０１が、その一方向の素子ピッチΔｐ、素子数ｎ、長さＬをもつ構造となっている。また、検出素子のそれぞれの信号を取り出す信号線は、スイッチ５２７につながり、前記実施の形態１と同様に電子ビームの発生・終了に同期して、信号処理回路５２４内のタイミング制御部からの信号を制御信号用伝送経路５２９によりスイッチ５２７に転送し、検出素子の出力を開閉する。これにより、蓄積した信号を検出信号用伝送経路５２８にて転送し、後段の信号処理回路５２４内の計測回路で計測を行う。

素子ピッチΔｐは、電子ビームの飛程の２倍以上でかつ前記複数の電子ビーム７００のビームピッチの整数倍である。素子数ｎは、ビームの一列分の本数を前記素子ピッチΔｐで割った値以上である。

例えば、素子ピッチΔｐは、電子の入射エネルギーが５０ｋｅＶである場合のシリコン内の飛程が２０μｍであるため、ビームピッチを２μｍとすると、４０μｍピッチとなる。前記実施の形態１で述べたように、加速電圧は５０ｋＶ、ビーム電流量は約１ｎＡ、ビームオン時間の合計が１０μｓ以下の場合だと検出素子の各々の素子容量は、２４ｐＦ以上が必要となる。

半導体ダイオードの素子容量Ｃは、パッケージ容量と半導体ダイオードの接合容量Ｃ_ｊ の和である。最もノイズの影響を少なくするために蓄積する信号は素子の接合容量内にできる限り蓄積させることにする。半導体ダイオードの接合容量は、半導体ダイオードの素子面積Ａと空乏層厚さＴに依存し、

の関係がある。接合容量Ｃ_ｊを大きくするためには、空乏層厚さＴを薄くするか、素子面積Ａを大きくするかである。５０ｋｅＶの電子ビームの場合、シリコン内の飛程は２０μｍであり、これ以上空乏層厚さＴを薄くすると、検出効率を下げてしまうため、素子面積Ａを大きくする。ただし、素子ピッチΔｐは、４０μｍであるため、素子容量を２４ｐＦ以上とするためには、長さＬで調整することが最も簡単な方法である。素子ピッチΔｐが、４０μｍである場合、素子容量を２４ｐＦ以上にするためには、長さＬは約７．５ｍｍ以上が必要である。

マルチビーム描画装置では、ビームの領域は１００μｍ角程度であるため、出来る限り多くのビームを同時に計測しようとすると、図７に示すように、（２×ｎ）個の検出素子アレイの構造となる。

また、図７のように非常に細長い検出素子の端の一部だけを使って、ビームを検出することになり、照射されない領域が広く、この非照射部に入射する電磁波がノイズ源となり、測定の誤差の原因となってしまう。そこで、ビームが照射される以外の検出素子表面に入ってくる電磁波を防ぐ必要がある。このため、遮蔽板７０２を素子上面に設置する。この遮蔽板７０２は照射される各電子ビーム径以上の開口部を持つ。この開口部は、図７では、一つであるが、それぞれの検出素子ごとに複数の孔を開けてもよい。遮蔽板７０２の材質は電磁波や電子ビームができる限り透過しないように、タンタルより原子番号の大きな重金属製とする。これらの重金属では加速電圧５０ｋＶの電子ビームにおいては、その飛程は約２μｍである。その他、高エネルギーの電磁波もできる限り遮蔽するために、遮蔽板７０２の厚さは０．５ｍｍ程度にする。

したがって、本実施の形態２によれば、マルチビーム描画装置において、伝送経路のノイズの影響を低減し、かつ効率よく電流計測を行うことが可能となり、精度の高い照射量計測が実現する。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施の形態においては、電子ビームについて説明したが、これに限定されるものではなく、他の荷電粒子ビームについても適用可能である。

本願において開示される発明は、半導体装置の製造に用いられる電子ビーム描画装置などについて適用可能である。

本発明の実施の形態１による電子ビーム描画装置の要部を示す構成図である。 本発明の実施の形態１において、計測回路として積分器を用いて、電子ビーム検出素子として半導体ダイオードを用いた場合の電位ビーム描画装置の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態１において、計測におけるタイミングを示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１において、内部に検出素子と蓄積部とスイッチを組み込んだ電子ビーム検出器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１において、真空電流導入端子の配置を示す図である。 本発明の実施の形態２によるマルチ電子ビーム描画装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２において、電子ビーム検出器の構造を示す図である。

符号の説明

１００ 電子光学系
１０１，５００ 真空カラム
１０２，５０２，７００ 電子ビーム
１０３，５０１ 電子銃
１０４，５１３ 試料
１０５ ブランキング電極
１０６ ブランキングアパーチャ
１０７ パルスビーム
１０８，５１５ ステージ
１０９ 電子ビーム検出素子
１１０，４０３，５２７ スイッチ
１１１ａ〜１１１ｆ 真空電流導入端子
１１２ 制御系
１１３ 制御用計算機
１１４ データ制御系、
１１５ ブランキング制御部
１１６ 信号処理部
１１７ データ制御部
１１８ 補正演算部
１１９ メモリ
１２０ タイミング制御部
１２１ 計測回路
１２２ サンプル／ホールド回路（Ｓ／Ｈ）
１２３ Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）
１２４，５２８ 検出信号用伝送経路
１２５，５２９ 制御信号用伝送経路
１２６ レンズ
１２７ 偏向器
２００ 積分器
２０１ リセットスイッチ
２０２ オペアンプ
２０３ コンデンサ
２０４ バイアス電源
２０５ アース
２０６，４０４ 半導体ダイオード
４００ 電子ビーム検出器
４０１ 検出素子
４０２ 蓄積部
４０５ トランジスタ
４０６ 半導体
６００，６０３ 真空電流導入端子板
５０３ コンデンサーレンズ
５０４ アパーチャアレイ
５０５ レンズアレイ
５０６ 複数の電子ビーム
５０７ ブランキング電極アレイ
５０８ ブランキング絞り
５０９ 第１投影レンズ
５１０ 主偏向器
５１１ 第２投影レンズ
５１２ 副偏向器
５１４ 電子ビーム検出素子アレイ
５２０ フォーカス制御回路
５２１ 照射量制御回路
５２２ レンズ制御回路
５２３ 偏向制御回路
５２４ 信号処理回路
５２５ ステージ制御回路
５２６ ＣＰＵ
７０１ 半導体ダイオードアレイ
７０２ 遮蔽板

Claims (12)

1. 電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、前記電子ビームをオン／オフするブランキング手段と、前記電子ビームのビーム電流を検出する電子ビーム検出素子と、前記電子ビーム検出素子の検出信号を計測する計測回路とを用いて、前記電子ビームを前記電子ビーム検出素子に照射して電子ビーム電流の計測を行う電子ビーム電流計測方法であって、
   前記電子ビーム検出素子で検出した電流を電荷として蓄積する蓄積部と前記計測回路との間に設けられたスイッチにより、前記蓄積部と前記計測回路との間を電気的に遮断すると同時に、または遮断した後に、前記電子ビームを前記電子ビーム検出素子に照射し、
   前記電子ビーム検出素子で検出した電流を電荷として前記蓄積部に蓄積し、
   特定のビーム照射時間が経過した後、前記スイッチにより前記蓄積部と前記計測回路とを接続し、
   前記蓄積部に蓄積された電荷量から電子ビーム電流量を算出することを特徴とする電子ビーム電流計測方法。
2. 請求項１記載の電子ビーム電流計測方法において、
   前記電子ビーム電流量と前記電子ビーム検出素子の増倍率と前記ビーム照射時間との積で決定される蓄積電荷量が、前記蓄積部の飽和電荷量以下となるように、前記電子ビーム電流量および前記ビーム照射時間を決めることを特徴とする電子ビーム電流計測方法。
3. 電子ビームの電流を検出しその検出信号を蓄積する検出器と、
   前記検出信号に基づいて前記電子ビームの電流量を算出する計測回路と、
   前記検出器と前記計測回路との間に設けられ、前記検出器と前記計測回路との間を電気的に遮断および接続するスイッチとを有することを特徴とする電子ビーム描画装置。
4. 電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、前記電子ビームの電子ビーム電流を検出する電子ビーム検出素子と、前記電子ビーム検出素子の検出信号を伝送する伝送手段と、前記検出信号を計測する計測手段と、前記電子ビームをオン／オフするブランキング手段と、前記ブランキング手段を制御するブランキング制御手段と、前記電子ビームを試料上に収束させるレンズと、前記電子ビームの試料上での位置を決める偏向器と、前記試料と前記電子ビーム検出素子を搭載して移動する可動ステージと、種々のデータを処理するデータ制御手段と、それらの機器および手段を制御する制御用計算機とを備えた電子ビーム描画装置であって、
   前記電子ビーム検出素子により検出したビーム電流を電荷として蓄積する蓄積部と、
   前記蓄積部と前記計測手段との間を電気的に遮断および接続するスイッチと、
   前記スイッチの開閉を制御するタイミング制御部と、
   前記タイミング制御部から前記スイッチへの制御信号を伝送する制御信号用伝送手段とを有することを特徴とする電子ビーム描画装置。
5. 請求項４記載の電子ビーム描画装置において、
   前記スイッチが前記可動ステージ上に設置されていることを特徴とする電子ビーム描画装置。
6. 電子ビーム検出素子と、
   前記電子ビーム検出素子で検出した電流を電荷として蓄積する蓄積部と、
   前記蓄積部の出力を開閉するスイッチとを有し、
   前記電子ビーム検出素子と前記蓄積部と前記スイッチは、同一半導体基板内に構成されていることを特徴とする電子ビーム検出器。
7. 複数の電子ビームを発生するマルチビーム発生手段と、前記複数の電子ビームを個別にオン／オフするブランキング手段と、前記複数の電子ビームの電子ビーム電流を同時に検出する複数の電子ビーム検出素子からなる電子ビーム検出素子アレイと、前記電子ビーム検出素子アレイの複数の検出信号を同時に計測する複数の計測回路とを用いて、前記複数の電子ビームを前記電子ビーム検出素子アレイに照射して計測を行う電子ビーム電流計測方法であって、
   前記電子ビーム検出素子アレイ内の前記複数の電子ビーム検出素子で検出した電流を電荷として蓄積する複数の蓄積部と、前記複数の計測回路との間に設けられた複数のスイッチにより、前記複数の蓄積部と前記計測回路とを電気的に遮断すると同時に、または遮断した後に、前記複数の電子ビームを照射し、
   前記複数の電子ビーム検出素子で検出した電流を電荷として前記複数の蓄積部のそれぞれに蓄積し、
   特定のビーム照射時間が経過した後に、前記複数のスイッチにより前記蓄積部と前記計測回路とを複数個同時に接続し、
   前記複数の蓄積部に蓄積した電荷量から前記複数の電子ビームの各々の電子ビーム電流量を算出することを特徴とする電子ビーム電流計測方法。
8. 複数の電子ビームを生成するマルチビーム生成手段と、前記複数の電子ビームの電子ビーム電流を同時に検出する複数の電子ビーム検出素子からなる電子ビーム検出素子アレイと、前記複数の電子ビーム検出素子からの検出信号を伝送する複数本の伝送手段と、前記検出信号を計測する複数の計測手段と、前記電子ビームを個別にオン／オフするブランキング手段と、前記ブランキング手段を制御するブランキング制御手段と、前記複数の電子ビームを試料上に収束させるレンズと、前記電子ビームの試料上での位置を決める偏向器と、前記試料と前記複数の電子ビーム検出素子を搭載して移動する可動ステージと、種々のデータを処理するデータ制御手段と、それらの機器および手段を制御する制御用計算機とを備えた電子ビーム描画装置であって、
   前記電子ビーム検出素子アレイ内の前記複数の電子ビーム検出素子で検出した電流を電荷として蓄積する複数の蓄積部と、
   前記複数の蓄積部と前記複数の計測回路との間を電気的に遮断および接続する複数のスイッチと、
   前記複数のスイッチの開閉を制御するタイミング制御部と、
   前記タイミング制御部から前記複数のスイッチへの制御信号を伝送する制御信号用伝送手段とを有することを特徴とする電子ビーム描画装置。
9. 請求項８記載の電子ビーム描画装置において、
   前記複数のスイッチが前記可動ステージ上に設置されていることを特徴とする電子ビーム描画装置。
10. 複数の電子ビーム検出素子と、
    前記複数の電子ビーム検出素子の検出信号を蓄積する複数の蓄積部と、
    前記複数の蓄積部の出力を開閉する複数のスイッチとを有し、
    前記複数の電子ビーム検出素子と前記複数の蓄積部と前記複数のスイッチは、同一半導体基板内に構成されていることを特徴とする電子ビーム検出器。
11. 複数の電子ビームの電子ビーム電流を検出する複数の電子ビーム検出素子を有し、
    前記電子ビーム検出素子は、２次元状に配列された複数の半導体検出素子であり、一方向の素子ピッチが前記電子ビームの飛程の２倍以上でかつ前記複数の電子ビームのビームピッチの整数倍であることを特徴とする電子ビーム検出器。
12. 複数の電子ビームの電子ビーム電流を検出する複数の電子ビーム検出素子と、
    前記電子ビームのビーム径以上の開口部を有する遮蔽板とを有することを特徴とする電子ビーム検出器。

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