JP2007019061A - 電子ビーム描画装置、電子ビームの焦点ずれ補正方法及び電子ビームの焦点ずれ測定方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 主偏向領域面と共に副偏向領域面での焦点ずれを小さくする電子ビーム描画装置或いはその方法を提供することを目的とする。
【構成】 主偏向器２１４と副偏向器２１２と、前記主偏向器２１４及び副偏向器２１２内の電子ビーム２００の位置を平行移動させるアライメントコイル２１０を具備した電子ビーム描画装置において、前記副偏向器２１２によるビーム偏向の際に、前記アライメントコイル２１０により試料面に対する焦点ずれが最小となるように前記電子ビーム２００を移動させると共に、前記主偏向器２１４によるビーム偏向の際に、試料面に対する焦点ずれが最小となるように前記電子ビーム２００の焦点を補正することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子ビーム描画装置、電子ビームの焦点ずれ補正方法及び電子ビームの焦点ずれ測定方法に係り、例えば、主偏向器と副偏向器とを用いて電子ビームを偏向させる電子ビーム装置及びかかる装置の制御方法に関する。

半導体デバイスの微細化の進展を担うリソグラフィ技術は半導体製造プロセスのなかでも唯一パターンを生成する極めて重要なプロセスである。近年、ＬＳＩの高集積化に伴い、半導体デバイスに要求される回路線幅は年々微細化されてきている。これらの半導体デバイスへ所望の回路パターンを形成するためには、高精度の原画パターン（レチクル或いはマスクともいう。）が必要となる。ここで、電子線（電子ビーム）描画技術は本質的に優れた解像性を有しており、高精度の原画パターンの生産に用いられる。

図１３は、可変成形型電子線描画装置の動作を説明するための概念図である。
可変成形型電子線描画装置（ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ）描画装置）における第１のアパーチャ４１０には、電子線３３０を成形するための矩形例えば長方形の開口４１１が形成されている。また、第２のアパーチャ４２０には、第１のアパーチャ４１０の開口４１１を通過した電子線３３０を所望の矩形形状に成形するための可変成形用開口４２１が形成されている。荷電粒子ソース４３０から照射され、第１のアパーチャ４１０の開口４１１を通過した電子線３３０は、偏向器により偏向され、第２のアパーチャ４２０の可変成形開口４２１の一部を通過して、所定の一方向（例えば、Ｘ方向とする）に連続的に移動するステージ上に搭載された試料に照射される。すなわち、第１のアパーチャ４１０の開口４１１と第２のアパーチャ４２０の可変成形開口４２１との両方を通過できる矩形形状が、Ｘ方向に連続的に移動するステージ上に搭載された試料３４０の描画領域に描画される。第１のアパーチャ４１０の開口４１１と第２のアパーチャ４２０の可変成形開口４２１との両方を通過させ、任意形状を作成する方式を可変成形方式という（例えば、特許文献１参照）。

上述した電子線は、電磁レンズにより結像され、また偏向器により偏向されるが、その際、電磁レンズによる収差により、電子線を偏向器で偏向させる場合に偏向量に応じた焦点ずれが生じて像がぼけてしまう場合がある。

ここで、電子ビームの焦点ずれに関連して、サブフィールド内の最小パターンのボケが最小となるように投影レンズで焦点位置を基板の高さ方向（Ｚ軸方向）に制御する技術が文献に開示されている（例えば、特許文献２参照）。その他、焦点補正コイルと非点補正器とにより基板の高さ方向（Ｚ軸方向）に焦点位置を補正することによりサブフィールド内の像の歪みを補正する技術が文献に開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２０００−５８４２４号公報 特開平１０−１４４５８３号公報 特開平１１−２６０６８７号公報

電子線描画装置では、試料の描画領域を主偏向器により偏向可能な幅で例えばＹ方向にストライプ状の複数の描画領域（ストライプ領域）に分割し、各ストライプ領域ごとにステージをＸ方向に移動させながら、各ストライプ領域を副偏向器により偏向可能な幅でさらに小さく分割された領域であるサブフィールドごとに描画する。ここで、電磁レンズや主偏向器による収差、特に像面湾曲については、焦点位置を試料の高さ方向（ここでは、ビーム軸方向、或いは光軸方向、或いはＺ軸方向ともいう）に移動させて補正することが試みられている。しかしながら、かかる手法では、主偏向器により偏向可能な領域である主偏向領域面では、焦点ずれを小さくすることができるとしても、副偏向器により偏向可能な領域である副偏向領域（サブフィールド）面での焦点ずれが残ってしまう。そして、副偏向領域面での焦点分布の傾きが大きいと描画されるパターン像がぼけ、かかるパターンのＣＤ精度を劣化させるといった問題があった。

本発明は、かかる問題点を克服し、主偏向領域面と共に副偏向領域面での焦点ずれを小さくする装置或いはその方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の荷電ビーム描画装置は、
主・副２段の対物偏向器と、前記対物偏向器内の荷電ビームの位置を平行移動させるコイルを具備した荷電ビーム描画装置において、
前記副偏向器によるビーム偏向の際に、前記コイルにより試料面に対する焦点ずれが最小となるように前記荷電ビームを移動させると共に、
前記主偏向器によるビーム偏向の際に、試料面に対する焦点ずれが最小となるように前記荷電ビームの焦点を補正することを特徴とする。

前記副偏向器により偏向させられる前記荷電ビームの位置を前記コイルにより平行移動させることにより、副偏向領域面内における焦点位置を移動させることができる。そして、前記主偏向器により前記荷電ビームの焦点位置を移動させることができる。

そして、前記副偏向器により偏向させられる前記荷電ビームの焦点ずれが最小となるように前記荷電ビームの位置を前記コイルにより移動させることにより、前記副偏向領域面内における焦点ずれを最小とすることができる。

さらに、前記主偏向器により偏向させられる前記荷電ビームの焦点ずれが最小となるように前記荷電ビームの焦点位置を移動させることにより、前記主偏向領域面内における焦点ずれをも最小とすることができる。

そして、さらに、前記副偏向面内の焦点ずれを最小とする手段において、前記副偏向面内の焦点ずれをＸとＹ方向の焦点ずれに分離して、前記副偏向面内の焦点傾きの一次係数を求め、これらの係数と２次元のコイル励磁値とを関数化して、これらの係数の絶対値が最小となるコイルの励磁値を求めることを特徴とする。

また、前記主偏向面内の焦点ずれ補正は、偏向電圧と焦点補正用のバイアス電圧を重畳した電圧を前記主偏向器に印可することを特徴とする。

また、本発明の一態様の荷電ビーム描画装置における荷電ビームの焦点ずれ補正方法は、
主・副２段の対物偏向器と、前記対物偏向器内の荷電ビームの位置を平行移動させるコイルを具備した荷電ビーム描画装置を用い、
前記副偏向器によるビーム偏向の際に、前記コイルにより試料面に対する焦点ずれが最小となるように前記荷電ビームを移動させると共に、
前記主偏向器によるビーム偏向の際に、試料面に対する焦点ずれが最小となるように前記荷電ビームの焦点を補正する荷電ビーム描画装置における荷電ビームの焦点ずれ補正方法であって、
前記副偏向面内の焦点ずれをＸとＹ方向の焦点ずれに分離して、前記副偏向面内の焦点傾きの一次係数を求め、これらの係数と２次元のコイル励磁値とを関数化して、これらの係数の絶対値が最小となるコイルの励磁値を求める工程を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、副偏向領域面内における焦点位置を移動させることができると共に、主偏向領域面内における焦点位置を移動させることができるので、前記副偏向領域面内と前記副偏向領域面を含む主偏向領域面内における焦点ずれを小さくすることができる。その結果、前記副偏向領域面内と前記副偏向領域面を含む主偏向領域面内の両方の焦点分布をより均一化させることができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における描画装置の構成を示す概念図である。
図１において、荷電ビーム描画装置の一例である電子ビーム描画装置となる描画装置１００は、描画部の一例となる電子鏡筒１０２、描画室１０３と、ＸＹステージ１０５、駆動部１０６を備えている。電子鏡筒１０２内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、第１のアパーチャ２０３、投影レンズ２０４、偏向器２０５、第２のアパーチャ２０６、対物レンズ２０７、アライメントコイル２１０、副偏向器２１２、主偏向器２１４を有している。そして、描画装置１００は、制御部の一部としてレンズ・アライメント制御電源２３０、レンズ・アライメント制御回路２４０、偏向制御回路２５０、副偏向アンプ２２２、主偏向アンプ２２４を備えている。図１では、本実施の形態１を説明する上で必要な構成部分以外については記載を省略している。描画装置１００にとって、通常、必要なその他の構成が含まれることは言うまでもない。

電子銃２０１からＺ軸（ビーム軸）方向に出た荷電ビームの一例となる電子ビーム２００は、照明レンズ２０２により矩形例えば長方形の穴を持つ第１のアパーチャ２０３全体を照明する。ここで、電子ビーム２００をまず矩形例えば長方形に成形する。そして、第１のアパーチャ２０３を通過した第１のアパーチャ像の電子ビーム２００は、投影レンズ２０４により第２のアパーチャ２０６上に投影される。かかる第２のアパーチャ２０６上での第１のアパーチャ像の位置は、偏向器２０５によって制御され、ビーム形状と寸法を変化させることができる。そして、第２のアパーチャ２０６を通過した第２のアパーチャ像の電子ビーム２００は、対物レンズ２０７により焦点を合わせ、主・副２段の対物偏向器となる主偏向器２１４と副偏向器２１２とにより偏向されて、描画室１０３内に移動可能に配置されたＸＹステージ１０５上の試料１０１の所望する位置に照射される。

図２は、ステージ移動の様子を説明するための図である。
試料１０１に描画する場合には、ＸＹステージ１０５を駆動部１０６によりＸ方向に連続移動させながら、描画（露光）面を電子ビーム２００が偏向可能な短冊状の複数のストライプ領域に仮想分割された試料１０１の１つのストライプ領域上を電子ビーム２００が照射する。ＸＹステージ１０５のＸ方向の移動は、連続移動とし、同時に電子ビーム２００のショット位置もステージ移動に追従させる。連続移動させることで描画時間を短縮させることができる。そして、１つのストライプ領域を描画し終わったら、ＸＹステージ１０５を駆動部１０６によりＹ方向にステップ送りしてＸ方向（今度は逆向き）に次のストライプ領域の描画動作を行なう。各ストライプ領域の描画動作を蛇行させるように進めることでＸＹステージ１０５の移動時間を短縮することができる。

図３は、主偏向領域と副偏向領域とを示す図である。
第２のアパーチャ２０６で成形された電子ビーム２００は、２つの偏向器（主偏向器２１４及び副偏向器２１２）によって偏向され、連続的に移動するステージに追従しながら照射位置が決められる。ここでは、例えば、８極静電偏向器を用いる。８極の静電偏向器を用いることで電子ビーム２００を高速かつ高精度に制御することができる。
図３に示すように、試料となるマスクの描画領域は、主偏向器２１４により偏向可能な幅で例えばＹ方向にストライプ状の複数の描画領域（ストライプ）に分割され、各ストライプにおいてＸ方向にもストライプのＹ方向の幅と同じ幅で区切られた領域が、主偏向器２１４により偏向可能な主偏向領域となる。また、主偏向領域をさらに細分化した領域が副偏向領域（またはサブフィールドと呼ぶ）となる。
副偏向器２１２は、各ショットごとの電子ビーム２００の位置を高速かつ高精度に制御するために用いられる。そのため、偏向範囲は図３に示すように狭く、マスクブランク上で、サブフィールドに限定され、その領域を超える偏向は主偏向器２１４でサブフィールドの位置を移動することによって行なう。一方、主偏向器２１４は、サブフィールドの位置を制御するために用いられ、複数のサブフィールドが含まれる範囲（主偏向領域と呼ばれます）内で移動する。また、描画中はＸＹステージ１０５がＸ方向に連続的に移動しているため、主偏向器２１４でサブフィールドの描画原点を随時移動（トラッキング）することでＸＹステージ１０５の移動に追従させることができる。

ここで、上述したように電子ビーム２００は、対物レンズ２０７により結像され、また主偏向器２１４及び副偏向器２１２により偏向されるが、その際、対物レンズ２０７による収差、特に像面湾曲が生じ、主偏向器２１４或いは副偏向器２１２により電子ビーム２００を偏向させると偏向量に応じて、端で焦点ずれが生じて像がぼけてしまう。

図４は、電子ビームの焦点ずれ測定方法の要部の工程を示すフローチャート図である。
図４に示すように、電子ビーム２００の焦点ずれ測定補正方法は、ビーム平行移動工程（Ｓ４０２）と焦点ずれ測定工程（Ｓ４０４）という一連の工程を実施する。

Ｓ（ステップ）４０２において、ビーム平行移動工程として、アライメントコイル２１０は副偏向器２１２内のビームの軌道を平行移動（ビーム軸方向と直交する方向）させるように駆動される。
Ｓ４０４において、焦点ずれ測定工程として、副偏向器２１２内のビームの軌道が平行移動された状態で、副偏向器２１２でビームを偏向して、副偏向面内の焦点ずれを測定して、面内焦点傾きを算出する。

図５は、副偏向領域内フォーカス傾きを最適化することを説明するための概念図である。
偏向器の機械的な製作精度に依存して、領域の小さな副偏向領域においても焦点位置分布にある傾きが生じる。副偏向器２１２の偏向量に応じて焦点位置にある傾きが生じ、ＸおよびＹ方向それぞれに焦点ずれが生じるため、偏向非点として現れる。ある領域について見ると、図５（ａ）に示すようにかかる領域内に位置する複数の副偏向領域は、どれもある一定の方向に焦点位置がずれる、すなわち、焦点位置分布にある傾き（フォーカス傾き）が生じる傾向がある。そこで、レンズ・アライメント制御回路２４０により制御されたレンズ・アライメント制御電源２３０からアライメントコイル２１０に所定の電流を流すことで、電子ビーム２００のビーム軸方向（Ｚ軸方向）と直交するＸＹ方向に電子ビーム２００を平行移動させる。直交するＸＹ方向に電子ビーム２００を平行移動させることで、図５（ｂ）に示すようにフォーカス傾きを低減させることができる。アライメントコイル２１０に流す電流量は、試料面のうち副偏向領域面での副偏向器２１２により偏向させられる前記電子ビーム２００の焦点ずれが小さくなるように制御する。具体的には、前記副偏向面内の焦点ずれをＸとＹ方向の焦点ずれに分離して、前記副偏向面内の焦点傾きの一次係数を求める。そして、これらの係数と２次元のコイル励磁値とを関数化して、これらの係数の絶対値が最小となるアライメントコイル２１０の励磁値を求める。そして、求めた励磁値をアライメントコイル２１０に流す。これにより、副偏向面内の焦点ずれを最小とすることができる。

図６は、副偏向領域面を示す概念図である。
図７は、補正された副偏向領域面のＸ方向の焦点分布の一例を示す図である。
図８は、補正された副偏向領域面のＹ方向の焦点分布の一例を示す図である。
図７では、ある領域内に位置する複数の副偏向領域面について、図６に示す各副偏向領域面のＸ方向に延びる辺（Ｘエッジ）のフォーカス傾きを示している。図８では、同様に、ある領域内に位置する複数の副偏向領域面について、図６に示す各副偏向領域面のＹ方向に延びる辺（Ｙエッジ）のフォーカス傾きを示している。アライメントコイル２１０によりＸＹ方向に電子ビーム２００を平行移動させることで、図７及び図８に示すようにフォーカス傾きを低減し、より平面に近づけることができる。言い換えれば、焦点位置の分布を平坦に近づけることができる。すなわち、焦点ずれを低減することができる。

ここで、図１では、アライメントコイル２１０が副偏向器２１２の上部位置に配置されているが、これに限るものではない。アライメントコイル２１０の配置位置は、副偏向器２１２により副偏向器２１２中を通る電子ビーム２００の軌道を変更できる位置（副偏向器２１２により偏向可能な位置）であれば構わない。より好ましくは、例えば、アライメントコイル２１０が副偏向器２１２と同程度の高さ位置（Ｚ方向）が良い。或いは、副偏向器２１２の少し上部が良い。

そして、焦点位置移動工程として、主偏向器２１４は、副偏向領域を含む主偏向領域の方向に前記電子ビーム２００を偏向させると共に、前記電子ビーム２００の焦点位置をＺ方向に移動させる。

図９は、主偏向領域面の像面湾曲補正を説明するための概念図である。
副偏向領域面の焦点ずれ補正をした後、副偏向領域面の焦点ずれ補正によってずれた分も含めて補正するように、偏向制御回路２５０により制御された主偏向アンプ２２４から所定のバイアス電圧を主偏向器２１４に印加して、像面湾曲により試料１０１面上に像を結ばない焦点Ｐの位置をＺ方向に移動させる。これにより試料１０１面上Ｐ’の位置に像を結ぶように補正することができる。

図１０は、主偏向器の上面から見た場合の概念図である。
ここでは、上述したように８極の静電偏向器を用いる。図１０に示すように、例えば、ＸＹ方向の所定の方向に偏向させるため、電極（１）には、ｙ、電極（２）には、（ｘ＋ｙ）／√２、電極（３）には、ｘ、電極（４）には、（ｘ−ｙ）／√２、電極（５）には、−ｙ、電極（６）には、（−ｘ−ｙ）／√２、電極（７）には、−ｘ、電極（８）には、（−ｘ＋ｙ）／√２といった電圧を印加する。ここで、さらに、全ての電極に同じＶ１のバイアス電圧を印加することで、ビーム軸（Ｚ軸）方向に焦点位置を移動させることができる。すなわち、偏向電圧と焦点補正用のバイアス電圧を重畳した電圧を前記主偏向器に印可する。ここでは、焦点位置ＰをＡ’とＸＹ方向に平行なＰ’に移動させるように制御されたＶ１のバイアス電圧を印加することにより、主偏向領域面の焦点ずれを補正することができる。

図１１は、主偏向領域面の焦点ずれ補正前の焦点分布の一例を示す図である。
図１１では、ある領域内に位置する複数の主偏向領域面について、各主偏向領域面のフォーカス傾きを示している。図１１に示すように、各主偏向領域面の焦点位置は大きく傾いていることが示されている。

図１２は、主偏向領域面の焦点ずれ補正後の焦点分布の一例を示す図である。
主偏向器２１４が、副偏向領域を含む主偏向領域の方向に前記電子ビーム２００を偏向させると共に、主偏向領域面において主偏向器２１４により偏向させられる前記電子ビーム２００の焦点ずれが小さくなるように全極共通のバイアス電圧を印加して前記電子ビーム２００の焦点位置をＺ方向に移動させることにより、図１２に示すようにフォーカス傾きを補正し、より平面に近づけることができる。言い換えれば、焦点位置の分布を平坦に近づけることができる。すなわち、焦点ずれを補正することができる。例えば、ここでは、補正前の図１１における焦点分布の振れ幅は約２μｍであるのに対し、補正後の図１２における焦点分布の振れ幅は約１μｍに抑えることができる。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本実施の形態では、荷電ビームの一例として、電子ビームについて説明したが、これに限るものではなく、荷電ビーム、すなわち、荷電粒子線であれば構わない。例えば、イオンビームであっても構わない。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。例えば、描画装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての電子ビーム装置及び電子ビームの焦点ずれ補正方法は、本発明の範囲に包含される。

実施の形態１における描画装置の構成を示す概念図である。 ステージ移動の様子を説明するための図である。 主偏向領域と副偏向領域とを示す図である。 電子ビームの焦点ずれ測定方法の要部の工程を示すフローチャート図である。 副偏向領域内フォーカス傾きを最適化することを説明するための概念図である。 副偏向領域面を示す概念図である。 補正された副偏向領域面のＸ方向の焦点分布の一例を示す図である。 補正された副偏向領域面のＹ方向の焦点分布の一例を示す図である。 主偏向領域面の像面湾曲補正を説明するための概念図である。 主偏向器の上面から見た場合の概念図である。 主偏向領域面の焦点ずれ補正前の焦点分布の一例を示す図である。 主偏向領域面の焦点ずれ補正後の焦点分布の一例を示す図である。 可変成形型電子線描画装置の動作を説明するための概念図である。

符号の説明

１００ 描画装置
１０１，３４０ 試料
１０２ 電子鏡筒
１０３ 描画室
１０５ ＸＹステージ
１０６ 駆動部
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２ 照明レンズ
２０３，４１０ 第１のアパーチャ
２０４ 投影レンズ
２０５ 偏向器
２０６ 第２のアパーチャ
２０７ 対物レンズ
２１０ アライメントコイル
２１２ 副偏向器
２１４ 主偏向器
２２２ 副偏向アンプ
２２４ 主偏向アンプ
２３０ レンズ・アライメント制御電源
２４０ レンズ・アライメント制御回路
２５０ 偏向制御回路
３３０ 電子線
４１１ 開口
４２１ 可変成形開口
４３０ 荷電粒子ソース

Claims (4)

1. 主・副２段の対物偏向器と、前記対物偏向器内の荷電ビームの位置を平行移動させるコイルを具備した荷電ビーム描画装置において、
   前記副偏向器によるビーム偏向の際に、前記コイルにより試料面に対する焦点ずれが最小となるように前記荷電ビームを移動させると共に、
   前記主偏向器によるビーム偏向の際に、試料面に対する焦点ずれが最小となるように前記荷電ビームの焦点を補正することを特徴とする荷電ビーム描画装置。
2. 前記副偏向面内の焦点ずれを最小とする手段において、前記副偏向面内の焦点ずれをＸとＹ方向の焦点ずれに分離して、前記副偏向面内の焦点傾きの一次係数を求め、これらの係数と２次元のコイル励磁値とを関数化して、これらの係数の絶対値が最小となるコイルの励磁値を求め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。
3. 前記主偏向面内の焦点ずれ補正は、偏向電圧と焦点補正用のバイアス電圧を重畳した電圧を前記主偏向器に印可す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。
4. 主・副２段の対物偏向器と、前記対物偏向器内の荷電ビームの位置を平行移動させるコイルを具備した荷電ビーム描画装置を用い、
   前記副偏向器によるビーム偏向の際に、前記コイルにより試料面に対する焦点ずれが最小となるように前記荷電ビームを移動させると共に、
   前記主偏向器によるビーム偏向の際に、試料面に対する焦点ずれが最小となるように前記荷電ビームの焦点を補正する荷電ビーム描画装置における荷電ビームの焦点ずれ補正方法であって、
   前記副偏向面内の焦点ずれをＸとＹ方向の焦点ずれに分離して、前記副偏向面内の焦点傾きの一次係数を求め、これらの係数と２次元のコイル励磁値とを関数化して、これらの係数の絶対値が最小となるコイルの励磁値を求める工程を備えたことを特徴とする荷電ビーム描画装置における荷電ビームの焦点ずれ補正方法。

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