JP3102632B2

JP3102632B2 - 荷電粒子ビーム加工方法及び装置

Info

Publication number: JP3102632B2
Application number: JP09049510A
Authority: JP
Inventors: 恭宏染田; 博之伊藤; 義則中山; 二三夫村井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1997-03-05
Publication date: 2000-10-23
Anticipated expiration: 2017-03-05
Also published as: JPH10247470A

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
置等の荷電粒子ビームを用いる加工装置に関し、特に、
それにおける面積ビームのビーム調整方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】可変成形ビームを用いる電子線描画装置
では、第１成形絞り開口を透過したビームと第２成形絞
り開口との重なり合いの大きさを変化させることによっ
て様々な大きさのビームを生成している。その際、第２
成形絞り上での第１成形絞りの開口像は、上記の重なり
合いによって生成される成形ビームのコーナ角が直角と
なるように、つまり、第２成形絞り上での第１成形絞り
開口像と第２成形絞り開口の対応する各辺が互いに平行
方向となるように、その回転角を調整される必要があ
り、また、ターゲット(被描画試料)表面上での成形ビー
ム像は、その各辺が各々ｘ，ｙ両軸に対して同方向とな
るように回転角調整される必要がある。これらの回転角
調整には、現在数ミリラジアン以下の高精度が要求され
ている。

【０００３】このような第１成形絞りと第２成形絞り間
での相対的な回転角調整や第１成形絞りと第２成形絞り
によって生成される矩形成形ビームの回転角調整に際し
て、従来は、先ずテスト描画を行ない、実際にターゲッ
ト面上に形成されたレジスト像を電子顕微鏡等で観察し
て、両絞り間の相対回転角及び成形ビームの回転量を測
定して回転誤差を求めた上で、該回転誤差を回転レンズ
によって補正するか、または、成形絞りを機械的に回転
させることによって補正していた。

【０００４】上記手法の代表的な一例として、特公平０
７−０３２１０８号公報に示されている方法がある。こ
の方法では、最初にテスト描画を行なって各回転誤差を
求めた後、回転レンズを用いてそれぞれの回転誤差を補
正し、もって良好なショット間接続を実現しようとして
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来例で
は回転角補正を行なう前に必ずテスト描画を行なう必要
があり、従って、本描画前のビーム調整に多くの時間を
要していた。また、回転誤差の測定は、電子顕微鏡等に
より各描画ショット間の接続誤差を測定することにより
行なっているが、所要測定量が数十ｎｍと小さいのに対
して測定誤差が大きく、十分な補正精度を得ることがで
きないのが実状である。また、ビーム調整前のテスト描
画を省くためには、ビーム回転誤差量そのものを直接測
定する方式も考えられるが、現在のビーム校正用マーク
の構造では、数十ｎｍオーダの誤差量を精度良く測定す
ることは困難である。

【０００６】従って、本発明の目的は、上記したような
従来技術における問題点を解決し、ビームの回転誤差補
正を高速かつ高精度で行なうことの可能な面積ビームの
校正方法及びその方法を実施するのに好適な荷電粒子ビ
ーム加工装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】ビームの回転誤差補正を
高速かつ高精度で行なうためには、ビーム回転量そのも
のの高精度測定を可能にし、かつ回転誤差補正のための
調整作業を自動化してやればよい。そこで、本発明で
は、ビーム回転量の測定を行なうために、ナイフエッジ
を用いる方法を採用している。ナイフエッジは、通常は
点ビームのビーム径の計測に用いられているが、本発明
ではこれを面積ビームの回転量測定に適用する。面積ビ
ームの回転量校正の場合には、面積ビームのビーム回転
量を複数値にわたって変化させ、各ビーム回転量の面積
ビームを試料（被加工物）表面上で走査することによっ
て、それぞれのビーム回転量の面積ビームについてのビ
ーム電流波形（各走査位置におけるビーム電流強度）を
取得し、各ビーム電流波形の２階微分処理を行なって、
得られた２次微分波形の正，負両ピーク間の値（ｐ−ｐ
値）を求め、このｐ−ｐ値が極大値となった時のビーム
回転量を最適回転量とする。なお、面積ビームの場合に
は、点ビームの場合と違いビーム形状に方向性があるた
め、ナイフエッジをＸ，Ｙ両軸方向に対してそれぞれ直
角に設けることによって、さらに高精度な補正が可能と
なる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、図面を参照して詳細に説明する。

【０００９】〈実施例１〉本実施例は、第１及び第２の
成形絞り（転写マスク）によって生成される成形ビーム
（面積ビーム）の回転量の校正方法についてのものであ
る。

【００１０】図１に、本実施例で使用した電子線描画装
置の概略構成を示す。電子銃１より放射された電子ビー
ムは、第１転写マスク（第１成形絞り）２及び第２転写
マスク（第２成形絞り）５を通して矩形断面形状に成形
された後、縮小レンズ６及び第１及び第２対物レンズ
７，９によってターゲット（被描画試料）２４の表面上
に縮小・投影され、ターゲット２４表面上に設けられた
レジスト膜を露光する。第１及び第２転写マスク２，５
間に設けられた転写レンズ３は、第１転写マスク２のマ
スク開口を通過した電子ビーム（第１マスク開口像）を
第２転写マスク５表面上に縮小・投影（転写）するため
のものであり、また、同じく両転写マスク２，５間に設
けられた成形偏向器４は、第１転写マスク２の開口を通
過した電子ビームを第２転写マスク５表面上で偏向し
て、上記第１マスク開口像と第２転写マスク５の開口と
の切り合い（重なり合い）状態を調節し、ターゲット２
４表面上に投影される成形ビーム像の形状・寸法を調節
するためのものである。また、第１及び第２対物レンズ
７，９間に設けられた偏向器８は、第２転写マスク５の
開口を通過した電子ビームをターゲット２４表面上で偏
向走査して、ターゲット２４表面上での成形ビーム像の
投影（転写）位置を調節するためのものである。さら
に、縮小レンズ６の上，下レンズ間には、第２転写マス
ク５を通過した電子ビーム（成形ビーム像）のターゲッ
ト２４表面上での回転状態を調整するための第２回転レ
ンズ２６が、転写レンズ３の上，下レンズ間には、第１
転写マスク２を通過した電子ビーム（第１マスク開口
像）の第２転写マスク５表面上での回転状態を調整する
ための第１回転レンズ２７が、それぞれ設けられてい
る。これらのレンズ３，６，７，９，２６，及び２７
は、それぞれレンズ電源１１，１３，１５，２２，１
４，及び３０を介して、制御コンピュータ２５により制
御されている。また、上記の偏向器４，８は、それぞれ
偏向器電源１２，１６を介して、同様に制御コンピュー
タ２５により制御されている。ターゲット２４は、Ｘ−
Ｙ２次元方向に精密移動可能なステージ１０上に載置さ
れている。ステージ１０上にはターゲット２４表面と同
一平面上にビーム検出用のナイフエッジ１８が設けられ
ている。さらに、ナイフエッジ１８からの反射，透過電
子を検出するための検出器１７，１９が設けられてお
り、これらの検出器１７，１９は検出器制御部２０，２
１を介して制御コンピュータ２５により制御されてい
る。

【００１１】図２に本実施例におけるビーム検出方法を
示す。ビームの検出は、ターゲット２４表面と同一平面
上に設置されたナイフエッジ１８上をビーム２３で走査
し、透過電子を検出器１９で検出することによって行な
う。転写マスク２，５の絞り開口を通して成形されたビ
ーム２３は、第２回転レンズ２６によってターゲット２
４上で正しい方向となるように回転調整される。

【００１２】ビームの回転調整は次のようにして行な
う。上記の光学系によって生成された成形（面積）ビー
ム２３を偏向器８を用いてナイフエッジ１８上で偏向走
査し、各走査点における透過電子電流を検出器１９によ
り検出し、得られたビーム電流波形を２階微分して上述
のｐ−ｐ値を求める。第２回転レンズ２６のレンズ強度
（ビーム回転量）を変化させながら上記のｐ−ｐ値測定
を複数回行なって、第２回転レンズの強度とｐ−ｐ値と
の関係を求める。この時の成形ビーム２３の回転量とビ
ーム電流波形（生波形，１次微分波形，および２次微分
波形）及びｐ−ｐ値との関係を図３に示す。

【００１３】上記のｐ−ｐ値は、ビーム電流波形のＸ，
Ｙ方向での立上り，立ち下がりでのボケを表わしてお
り、ｐ−ｐ値が大きい程ボケ量が少ないことになる。同
様に、ビームが回転している時にも、一方向（Ｘまたは
Ｙ方向）からの観察ではビームエッジがだれて見えるた
め、ビームがボケているのと同様の効果が観察される。
すなわち、ナイフエッジ２６の方向とビームエッジの方
向とが同一方向の時に、２階微分波形上でのｐ−ｐ値が
極大値となる。従って、この点を利用することによっ
て、成形（面積）ビームの回転調整を行なうことができ
る。

【００１４】第２回転レンズ２６のレンズ強度を変化さ
せながらそれぞれのレンズ強度値におけるｐ−ｐ値を求
める。そして、レンズ強度値とｐ−ｐ値との関係をプロ
ットすると、図４の様になる。この関係を２次式で近似
し、ｐ−ｐ値が極大値となる点から最適レンズ強度値を
求める。Ｘ方向測定による最適レンズ強度値とＹ方向測
定による最適レンズ強度値とは理論上は等しくなるが、
測定精度その他の理由で異なる場合もあり、両者の平均
を採ることによってさらに高精度な補正が可能となる。

【００１５】上記した最適レンズ強度値決定方式を用い
て矩形成形ビームの回転量の補正を行なった。補正対象
としての矩形成形ビームは５μｍ角の正方形であり、図
２に示したナイフエッジ１８を用いてビーム回転量の測
定を行なった。第２回転レンズ２６のレンズ強度値を変
化させて ±２０ｍｒａｄの範囲内で等間隔に１１点
のビーム回転量の場合について、ビーム電流の２次微分
波形のｐ−ｐ値を測定し、レンズ強度値（ビーム回転
量）とｐ−ｐ値との関係を２次式で近似することによっ
て、ｐ−ｐ値の極大点から最適レンズ強度値を求めた。
そして、第２回転レンズ２６のレンズ強度値を上記で求
めた最適レンズ強度値に固定設定することにより、ビー
ム回転量の補正を完了した。

【００１６】上記のビーム回転量補正の結果、５μｍ角
の矩形成形ビームを１ｍｒａｄの精度で回転調整でき
た。なお、ビーム回転量の指標としてビーム電流の２次
微分波形上でのピークトゥピーク（ｐ−ｐ）値を用いた
がゼロトゥピーク（０−ｐ）値を用いてもよく、あるい
はまた、ビーム電流の１次微分波形や生波形を用いても
波形処理の方法を変えることにより同様の補正が可能で
ある。また、本実施例ではナイフエッジからの透過電子
を検出器１９によって検出したが、反射電子を検出器１
７を用いて検出することによっても同様の補正が可能で
ある。

【００１７】〈実施例２〉上記実施例１においては、第
２転写マスク５を通過した成形電子ビームの回転補正を
行なったが、本実施例では、第１転写マスク２の絞り開
口を通過した電子ビームによって第２転写マスク５上に
形成される第１絞り開口像と第２転写マスク５の絞り開
口（第２絞り開口）との相対回転量の調整を行なってい
る。図５に示す如く、可変ビーム成形法では、第１と第
２の絞り開口によって矩形ビームを生成しているが、第
１，第２の絞り開口の端縁で規定されるビームエッジ２
８，２９を用いて矩形ビーム２３を生成しているため、
両絞り開口間の相対回転量が最適値よりずれていると、
矩形成形ビームが楔状になってしまって適切な描画を行
なうことができない。この相対回転量の調整には、機械
的にマスクを回転させる方法や回転レンズを用いる方法
があるが、上記の成形ビームの回転調整の場合同様に
数ｍｒａｄの調整精度が要求される。本実施例で
は、第１転写マスク２によって形成される第１絞り開口
像と第２転写マスク５によって形成される第２絞り開口
像との間の相対回転量を自動的に測定して、最適な相対
回転量となるように、自動的に第１絞り開口像の回転量
を補正する。

【００１８】この場合のビームの回転調整は、次のよう
にして行なう。ビームの検出方法は実施例１の場合と同
様である。上記した光学系によって成形された電子ビー
ムをナイフエッジ１８上で走査し、各走査点における透
過電子電流を検出器１９にて検出する。そして、検出ビ
ーム電流波形を２階微分してそのｐ−ｐ値を求める。第
１回転レンズ２７のレンズ強度を変化させながら上記の
走査を複数回行ない、レンズ強度値とｐ−ｐ値との関係
を求める。この時の成形ビーム２３の回転量とビーム電
流波形（生波形，１次微分波形，並びに２次微分波形）
及びｐ−ｐ値との関係を図５に示す。

【００１９】第１の実施例では、第２回転レンズ２６の
レンズ強度の変化によるビーム回転量の変化につれて、
ビーム電流波形を２階微分して得られる２次微分波形の
正側および負側のピーク値が共に変化したが、本実施例
では、第１回転レンズ２７のレンズ強度を変化させて第
１絞り開口像の回転量のみを変化させているため、成形
ビーム２３の第１絞り開口により規定されるビームエッ
ジ２８のみが回転し、第２絞り開口により規定されるビ
ームエッジ２９は回転しないため、ビーム回転量の変化
につれて、ビーム電流波形を２階微分して得られる２次
微分波形上での正側のピーク値は変化するが、負側のピ
ーク値は変化しない。

【００２０】第１回転レンズ２７のレンズ強度を変化さ
せながら、それぞれのレンズ強度値におけるｐ−ｐ値を
求める。そして、求めたｐ−ｐ値とレンズ強度値との関
係をプロットすると、実施例１の場合と同様に図４の様
な関係曲線が得られる。この関係曲線を２次式で近似
し、ｐ−ｐ値が極大値となる点から最適レンズ強度値を
求める。Ｘ軸方向測定での最適レンズ強度値とＹ軸方向
測定での最適レンズ強度値とは理論上は等しくなるが、
測定精度その他の理由により異なる場合もある。そこ
で、両者の平均値を採ることによって、さらに高精度な
補正が可能となる。

【００２１】上記した最適レンズ強度値決定方式を用い
て第１絞り開口像の回転量の補正を行なった。補正対象
としての成形ビームは５μｍ角の正方形ビームであり、
図２に示したナイフエッジ１８を用いて第１絞り開口像
の回転量の測定を行なった。第１回転レンズ２７のレン
ズ強度値を変化させて ±２０ｍｒａｄの範囲内で等
間隔に１１点のビーム回転量の場合について、ビーム電
流波形の２次微分波形からｐ−ｐ値を測定し、得られた
レンズ強度値（ビーム回転量）とｐ−ｐ値との関係曲線
を２次式で近似し、この２次近似式上でｐ−ｐ値が極大
値となる点から第１回転レンズ２７の最適レンズ強度値
を求めた。そして、第１回転レンズ２７のレンズ強度値
を上記で求めた最適レンズ強度値に固定設定して、第１
絞り開口像の回転量の補正を完了した。

【００２２】上記した第１回転レンズ２７による第１絞
り開口像の相対回転量補正の結果、５μｍ角の矩形成形
ビームを１ｍｒａｄの精度で、迅速に回転調整する
ことができた。なお、ここではビーム回転量の指標とし
てビーム電流波形の２次微分波形上でのピークトゥピー
ク（ｐ−ｐ）値を用いたが、代わりにゼロトゥピーク
（０−ｐ）値を用いてもよく、あるいはまたビーム電流
の１次微分波形や生波形を用いても、波形処理の方法を
変えることで、同様の補正が可能である。また、本実施
例では、ナイフエッジからの透過電子を検出器１９によ
って検出したが、反射電子を検出器１７を用いて検出し
ても同様の補正が可能である。

【００２３】〈実施例３〉先の実施例１，２では、ビー
ム回転量の最適値をナイフエッジ１８上でビームを走査
することにより求めたが、本実施例では、これら実施例
１，２とは異なるビーム回転量検出方式及び最適レンズ
強度値決定方式を用いて、第１絞り開口と第２絞り開口
とによって形成される成形ビーム像の回転量の補正を行
なう場合について示す。

【００２４】図６に、本実施例で用いるビーム検出方法
について示す。また、ビーム回転量の補正は、次のよう
にして行なわれる。先ず、ビームの検出は、ターゲット
面上に設置されたナイフエッジを成形ビーム２３で走査
して、透過電子を検出器１９を用いて検出することによ
り行なう。本実施例でのビーム検出には、図６に示すよ
うな２種類のナイフエッジ１８−１，１８−２を用い
る。１回目の走査の際には、図６の(ａ)に示す如く、ビ
ーム２３の上方部分のみがナイフエッジ１８−１当た
り、２回目の走査の際には、図６の(ｂ)に示す如く、ビ
ーム２３の下方部分のみがナイフエッジ１８−２に当た
るようにする。このような方法で検出されるビーム電流
波形を１階微分することによって、図７に示すような、
１次微分波形３１，３２がそれぞれ得られる。ここで、
ビーム２３が回転している場合には、両波形３１，３２
のピーク位置間にずれが生じ、回転していない（ビーム
方向がナイフエッジの方向に一致している）場合には、
両波形３１，３２のピーク位置は互いに合致する。な
お、本実施例の場合、１回目と２回目のビーム走査開始
点からそれぞれ対応するナイフエッジまでの距離ｄが互
いに等しくなるように予め設定してある。例えば、両ナ
イフエッジのエッジ端がビーム走査方向に対して直角な
一直線上に配置されている場合には、ビーム走査開始点
は該エッジ端と平行な一直線上に設定される。

【００２５】上記したビーム回転量測定方式を用いて矩
形成形ビーム２３の回転量の補正を行なった。補正対象
としての矩形成形ビームは５μｍ角の正方形ビームであ
り、図６に示したナイフエッジ１８−１，１８−２を用
いて、ビーム２３の回転量の測定を行なった。両ナイフ
エッジ１８−１，１８−２とビーム２３とのオーバーラ
ップ量は、ビームの上方部分，下方部分共に、それぞれ
上，下端から１μｍとした。第２回転レンズ２６のレン
ズ強度値を変化させて、 ±２０ｍｒａｄの範囲内で
等間隔に１１点のビーム回転量の場合について、検出ビ
ーム電流波形を１階微分することにとって得られる１次
微分波形３１，３２間のずれ量（ピーク間距離）３３を
測定し、このずれ量と第２回転レンズのレンズ強度値と
の関係を求め、さらに、この関係を２次式で近似し、該
近似式上でずれ量が最少となる点から第２回転レンズ２
６の最適レンズ強度値を求めた。そして、第２回転レン
ズ２６のレンズ強度値を上記で求めた最適レンズ強度値
に固定設定してビーム回転量の補正を完了した。

【００２６】上記した第２回転レンズ２６による矩形成
形ビームの回転量補正の結果、成形ビームを１ｍｒ
ａｄの精度で回転調整できた。なお、ビーム回転量の
測定に際しては、成形ビームの上方部分，下方部分のナ
イフエッジとのオーバーラップ量が互いに等しくなるよ
うにすることが望ましいが、違っていても補正は可能で
ある。また、本実施例では、ビーム回転量の指標として
両ビーム電流波形の１次微分波形上でのピーク間距離を
用いたが、両ビーム電流波形の合致度等を指標としたそ
の他のビーム回転量測定方法を用いても同様の補正が可
能である。また、本実施例ではナイフエッジからの透過
電子を検出器１９により検出したが、反射電子を検出す
ることによっても同様の補正が可能である。さらに、ビ
ーム検出用のマークとして、上記したナイフエッジに代
えて、軽元素基板上に設けた重金属マーク等の他の適宜
なマークを用いても同様の補正が可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
可変成形ビーム法によって形成される任意形状の面積ビ
ームの高速かつ高精度での回転調整（回転誤差補正）を
行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例になる電子線描画装置の概略
構成図。

【図２】本発明の実施例１〜２におけるビーム検出方式
の説明図。

【図３】本発明の実施例１におけるビーム回転量測定方
法の説明図。

【図４】本発明の実施例１におけるビーム回転量測定方
法を説明するためのレンズ強度値とｐ−ｐ値との関係を
示す図。

【図５】本発明の実施例２におけるビーム回転量測定方
法の説明図。

【図６】本発明の実施例３におけるビーム検出方式の説
明図。

【図７】本発明の実施例３におけるビーム回転量測定方
法の説明図。

【符号の説明】

１：電子銃，２：第１転写マスク，３：転写レンズ，４：成形偏向器，５：第２転写マスク，６：縮小レンズ，７：第１対物レンズ，８：偏向器，９：第２対物レンズ，１０：ステージ，１１，１３〜１５，２２，３０：レンズ電源，１２，１６：偏向器電源，１７：反射電子検出器，１８，１８−１，１８−２：ナイフエッジ，１９：透過電子検出器，２０，２１：検出器制御部，２３：成形電子ビーム，２４：ターゲット，２５：制御コンピュータ，２６：第２回転レンズ，２７：第１回転レンズ，２８：第１転写マスク２によるビームエッジ，２９：第２転写マスク５によるビームエッジ，３１：１回目の走査による検出ビーム電流の１次微分波
形，３２：２回目の走査による検出ビーム電流の１次微分波
形，３３：ピーク間距離。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村井二三夫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 (56)参考文献特開平６−290727（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−169132（ＪＰ，Ａ) 特開平９−223649（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/305 G03F 7/20 504 G03F 7/20 521 H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子ビームをして第１及び第２の絞り
開口を順次通過させることによって所定断面形状に成形
された面積ビームをターゲット表面上に投射することに
より該ターゲット表面の加工を行なう荷電粒子ビーム加
工方法であって、上記ターゲット表面と同一面上に設け
られたビーム検出用マークに対して上記面積ビームを走
査しながら投射する工程と、上記ビーム検出用マークか
ら放出される二次荷電粒子又は上記ビーム検出用マーク
を透過する荷電粒子を検出器を用いて検出する工程と、
上記検出器からの検出信号を２次微分して得られる２次
微分信号から上記面積ビームの上記ビーム検出用マーク
に対する相対的な回転量を算出する工程と、該回転量算
出工程により得られた回転量算出結果に基づいて上記面
積ビームの上記ビーム検出用マークに対する相対的な回
転量を最適値に補正する工程とを含んでなることを特徴
とする荷電粒子ビーム加工方法。
【請求項２】荷電粒子ビームをして第１及び第２の絞り
開口を順次通過させることによって所定断面形状に成形
された面積ビームをターゲット表面上に投射することに
より該ターゲット表面の加工を行なう荷電粒子ビーム加
工装置であって、上記ターゲット表面と同一面上に設け
られたビーム検出用マークに対して上記面積ビームを走
査しながら投射する手段と、上記ビーム検出用マークか
ら放出される二次荷電粒子又は上記ビーム検出用マーク
を透過する荷電粒子を検出する検出器と、上記検出器か
らの検出信号を２次微分して得られる２次微分信号から
上記面積ビームの上記ビーム検出用マークに対する相対
的な回転量を算出する演算手段と、上記演算手段による
回転量算出結果に基づいて上記面積ビームの上記ビーム
検出用マークに対する相対的な回転量を最適値に補正す
る回転量補正手段とを具備してなることを特徴とする荷
電粒子ビーム加工装置。