JP3569254B2 - 電子ビーム描画装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パターン位置誤差の少ない高精度な電子ビーム描画装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビーム描画装置は、試料であるガラスマスクやシリコンウェハなどを、所定の位置に移動可能な試料ステージ上に乗せて描画を行っている。このとき、試料やステージの温度が変動すると熱膨張による伸縮が起こり、描画パターンの位置ずれの原因となる。
【０００３】
描画パターンの複雑化、大面積化に伴い、試料ステージの描画時の総移動距離が長くなり、摩擦熱による温度変化量が増加している。この問題に対して、たとえば特開昭５６−１５０４１号公報では、試料の温度を非接触で測定し、ステージの移動量や電子ビームの照射位置の補正を行っている。
【０００４】
また、試料ステージを一定の温度に制御する冷却装置を設ける場合もあるが、その応答性は悪く、また試料ステージ全体を均一温度に保つのが困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年のデバイスの微細化に伴い高精度な位置精度の描画が必要とされ、試料や試料ステージの温度変化に伴う部材の伸縮による位置誤差の減少及び補正が課題となっている。しかし、試料をガラスマスクプレートに限定すれば、試料ステージの材質である金属に比べて熱伝導率と熱膨張係数が小さいため、試料の温度変化量は少ない。また、温度変化によるガラスマスクプレート自身の伸縮による位置誤差は無視し得るほど少ない。従って、温度上昇に起因する位置誤差は、主に試料ステージの伸縮に伴うものである。
【０００６】
試料ステージの伸縮は、試料ステージ上の測長用ミラーと試料位置との間の距離変動を引き起こす。電子ビームの制御は、試料ステージ位置からパターン描画位置を算出しているため、パターン描画中の上記距離の変動は、パターン位置誤差の原因となる。
【０００７】
電子ビーム描画装置の試料ステージは、真空内で使用されることや試料の上下動を一定の許容範囲内に納めるため、可動部分を摺動させる方式が用いられている。摺動部分は摩擦係数とごみの発生の点から、面積が小さくかつ熱伝導率の小さい物質に限られる。そのため、摺動方式で長時間のステージの移動を行うと摺動部分から発生した熱が逃げにくく、また、放射による熱伝導も少ないため、試料ステージの温度はステージの移動量に応じて上昇する。その場合の試料ステージの温度分布は、熱源である摺動部位付近の温度が高く、試料付近では低いといった不均一な温度分布となっている。
【０００８】
また、試料ステージに複数の材質を用いている場合が多いため、材質の熱膨張係数などから、その変形量を単純モデル化して補正を行うことは困難である。
【０００９】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点に鑑み、試料ステージの温度変化による試料の位置誤差を補正して高精度に描画を行う方法および装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、電子銃と電子ビームを収束する電子レンズと、電子ビームを偏向する偏向器と、試料を機械的に移動可能な試料ステージと、前記試料ステージを駆動する機構と、前記試料ステージの温度を少なくとも１点以上測定する機構と、その試料ステージの位置を測定する機構と、試料ステージ上に測定用ミラーとを具備する電子ビーム描画装置において、前記試料ステージの温度と、測定用ミラーと試料間の距離変動量を記録する手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
および／または、前記試料ステージの温度と、前記電子銃と試料間の距離変動量を記録する手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の作用を説明する。予め試料ステージ上の複数点の温度変化量から、実験や有限要素解析などのシミュレーションによって作成された、試料ステージの温度上昇に伴う熱膨張による、試料ステージ上のレーザ測長用ミラーの鏡面と試料との距離の変化量を求め、この値に基づいた補正データを電子線描画装置内の記憶装置に記録しておく。また、同時に試料ステージの熱膨張に伴う鉛直方向の変化量に応じた補正データを記録しておく。そして、パターン描画時には、試料ステージに取り付けた複数の温度センサにより、試料ステージの各点の温度を測定し、記憶されている補正データから、その温度値に対応する補正データを求め、そのデータを電子ビーム偏向制御系又は、ステージ位置測定系もしくはその両方に反映させることによって、試料ステージの温度変化による試料の位置誤差を打ち消し、位置精度の高い描画を行う。
【００１３】
また、鉛直方向の補正データを電子レンズ制御系に反映させることにより、試料の描画面鉛直方向の変動によるフォーカスずれを補正し、位置精度と線幅精度の高い描画を行う。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す電子ビーム描画装置の概略図である。電子銃１０１から放射された電子ビーム１０２は、電子レンズ１０３で収束され、偏向器１０４で偏向されて、試料１０５上にパターンを描画する。電子ビーム１０２の収束量、つまり試料１０５の描画点でのフォーカスの調整は、制御計算機１０８から出力される電子ビーム収束制御量をレンズ制御用ＤＡ変換器１１７（以下、ＤＡＣと略す）によりアナログ信号へ変換し、レンズ制御用アンプ１１８により増幅された電流を電子レンズ１０２に与え、発生する磁場により制御される。
【００１５】
また、電子ビーム１０２の偏向量は、制御計算機１０８から出力される制御量を偏向制御用ＤＡＣ１１５（以下、ＤＡＣと略す）によりアナログ信号へ変換し、偏向制御用アンプ１１６により増幅された電圧を偏向器１０４に印加することで静電偏向により制御される。
【００１６】
偏向器１０４の偏向領域外へのパターンの描画では、制御計算機１０８から試料ステージ１０６の移動制御量をステージ制御系１１２へ与え、モータと駆動ロッド等で構成されるステージ駆動系１１１によって、試料１０５のパターン描画位置が偏向領域内に収まるように、試料ステージ１０６を移動させて描画を行う。
【００１７】
このとき、試料ステージ１０６上に設置している測定用ミラー１１３と干渉計１１４の距離Ｍをレーザ干渉測定器１０９によって計測し、その計測値を制御計算機１０８に入力する。そして、制御計算機１０８の中で計測データと、予め測定してある既知の測定用ミラー１１３と試料１０５との距離Ｌを加算して、試料１０５の位置を求め、これを偏向器１０４の制御量とステージ制御系１１２にフィードバックし、電子ビーム１０２の偏向制御と試料ステージ１０６の位置制御を行う。
【００１８】
また、試料描画面高さ測定器１１９により、試料１０５へのパターンの描画前に、試料の描画面の高さＫを測定しておく。実際にパターン描画をするときには、測定したデータに基づき制御計算機１０８において電子レンズ１０３の電子ビーム収束制御量を決定する。
【００１９】
試料ステージの各部位の温度は、複数の温度センサ１０７によって測定される。予め、予備実験や有限要素解析などのシミュレーションにより、試料ステージ１０６の温度変化による熱膨張量を算出し、温度センサ１０７を取り付けた位置の温度と、その温度による熱膨張量を打ち消すような補正量を補正量演算器１１０に記録しておく。試料１０５に、パターンを描画する場合には、補正量演算器１１０により、温度センサ１０７で測定した試料ステージ１０６の温度に対応する補正量を算出し、この補正量を制御計算機１０８で、各制御量に加算して、試料ステージ１０６の熱膨張による位置誤差、またはフォーカスずれを補正する。
【００２０】
図２は、図１の装置による試料の描画処理の流れを示すフローチャートである。ステップ２０１で、制御計算機１０８により描画が開始される。ステップ２０２ではレーザ干渉測定器により、試料ステージ１０６上の測定用ミラー１１３と干渉計１１４の距離Ｍを計測し、制御計算機１０８で距離Ｍと測定ミラー１１３と試料１０５の距離Ｌを加算し、試料１０５の位置を求める。次に、求めた位置情報をもとに、ステップ２０３で電子ビーム１０２の偏向制御量を、ステップ２０４で電子ビーム１０２の収束制御量を、ステップ２０５で試料ステージ１０６の移動制御量をそれぞれ制御計算機１０８で求める。
【００２１】
その後、ステップ２０６で試料ステージ１０６上に取り付けられている温度センサ１０７により、試料ステージ１０６の各部の温度を測定し、その測定したデータを補正量演算器１１０へ入力する。ステップ２０７では、入力された温度データに対応するビーム偏向補正量を補正量演算器１１０で算出し、制御計算機１０８へ入力する。ステップ２０８では、制御計算機１０８がステップ２０３で求めたビーム偏向制御量と入力されたビーム偏向補正量を加算する。
【００２２】
その後、制御計算機１０８から、ステップ２０９でステップ２０８で加算されたビーム偏向制御量を偏向制御用ＤＡＣへ出力し、ステップ２１０で電子ビーム収束制御量をレンズ制御用ＤＡＣへ出力し、ステップ２１１で試料ステージ１０６の移動制御量をステージ制御系１１２へ出力し、偏向器１０４、電子レンズ１０３、試料ステージ１０６の少なくとも一つを駆動する。
【００２３】
その後、ステップ２１２で電子ビーム１０２を試料１０５へ照射し、試料１０５上にパターンを描画する。そして、ステップ２１３で試料１０５全体の描画が終了したかを制御計算機１０８で確認し、未終了であれば再びステップ２０２へ戻り、上記ステップ２０２〜２１２の処理を繰り返す。終了していれば、試料の描画終了となる。
【００２４】
図３は、別の補正方法による描画処理の流れを示すフローチャートである。図示のように、ステップ２０２でレーザ干渉測定器１０９によって測定された試料ステージ１０６の位置のデータを求め、次にステップ２０６で温度データを測定し、ステップ３０１において測定した温度に対応する試料ステージ位置補正データを補正量演算器１１０で求める。その後、ステップ３０２で試料ステージ位置データと試料ステージ位置補正データを制御計算機１０８内で加算し、その位置情報を元に、ステップ２０３からステップ２０５において各制御量を算出し、ステップ２０９からステップ２１１で図２と同様の各制御を実行している。
【００２５】
図４は、更に別の補正方法による描画処理を示すフローチャートである。図２のステップのうち、変更箇所はステップ２０７，２０８である。
【００２６】
ステップ２０７を変更したステップ４０１では、補正量演算器１１０により、温度センサ情報を元にその温度に対応するステージ制御量補正データを求め、ステップ２０８を変更したステップ４０２において、試料ステージ移動制御量に加算している。この実施例では、試料ステージ１０６の移動制御量を補正することによって、試料ステージ１０６の熱膨張による試料１０５の位置誤差を低減することができる。
【００２７】
図５は、更に別の補正方法による描画処理を示すフローチャートである。試料ステージ１０６の熱膨張量が電子ビーム１０２の偏向可能領域より大きい場合の例である。図示のように、ステップ２０６後のステップ５０１で、ビーム偏向補正データとステージ制御量補正データを取得し、ステップ２０８でビーム変更制御量へ加算し、またステップ４０２で試料ステージ移動制御量へ加算して、制御を行う。
【００２８】
一般に偏向器１０４による電子ビーム１０２の偏向可能量は小さい。また、試料ステージ１０６の移動可能最小距離は、電子ビーム１０２の偏向可能量に比較して大きいため、上記のようにビーム変更制御量と試料ステージ移動制御量の補正を組み合わせた方法は、微小な補正量から大きな量の補正に幅広く対応することが可能となる。
【００２９】
図６は、描画面鉛直方向の補正方法の実施フローを示している。試料ステージ１０６の熱膨張による試料１０５のパターン描画面の鉛直方向、つまり電子銃への方向の位置変動は、電子ビームのフォーカスずれの要因となり、線幅精度の悪化を招く。これを回避するためにステップ６０１において、補正量演算器１１０に温度センサ１０７によって測定した試料ステージ１０６の温度データを入力し、補正量演算器１１０から温度データに対応する電子レンズ制御補正データを求め、ステップ６０２において、求めた補正データを制御計算機１０８内で電子ビーム収束制御量に加算して、以下ステップ２０９からステップ２１４の処理を行う。
【００３０】
この補正方法を行うことで、電子ビーム収束制御量を補正して、フォーカスずれを防ぐことが出来る。
【００３１】
図７は、図２と図６の実施例を組み合わせることにより、偏向制御量と収束制御量の両方に補正データを加算して、位置精度及び線幅精度を向上させるものである。
【００３２】
図８は、図２と図３と図６の実施例を組み合わせることで、偏向制御量と収束制御量および試料ステージ１０６の制御量に補正を加え、大きな補正量にも対応させている。
【００３３】
次に、試料ステージ１０６の熱膨張によって発生する位置誤差について説明する。描画面積が大きく、描画時間も長いガラスマスクの描画では、通常金属製であるステージ材料に比べて、試料の熱伝導率と熱膨張率の両方共に小さい。ガラスマスクの温度変化は小さく、また、温度変化による位置誤差も少ない。従って、試料ステージの温度変化による位置誤差の主たる原因はステージを構成する金属の伸縮である。ステージの温度変化量をｄＴ、ステージ材質の熱膨張率をα、ステージ位置測定点から試料固定点までの距離をＬとすると、補正量ｄＬは式（１）によって算出される。
【００３４】
ｄＬ＝αＬｄＴ （１）
図９は、試料ステージの構造を示したものである。パターンの描画を行うと、試料ステージ９Ａの摺動部分からの摩擦熱で、試料ステージ９Ａの温度が上昇する。この温度上昇は描画するパターンの種類や、密度、試料ステージの材質に依存して変化するが、時間的な変化は緩やかで、パターンの１ショット中の時間においては試料ステージの各温度の変動がないとみなせる。
【００３５】
試料ステージ９Ａ上には、レーザ干渉測長用ミラー９Ｂと９Ｃがあり、レーザ光によって位置を計測する。試料９Ｄはカセット９Ｅに実装されて、試料ステージ９Ａ上に固定されている。カセット９Ｅでは、試料９Ｄを試料固定部材９Ｆと９Ｇにこれらとは逆側のばね９Ｈにより押圧して、支持している。このため、試料ステージ９Ａまたは、カセット９Ｅの温度変化により伸縮が起こった場合にも、常に試料９Ｄに対して、試料固定部材９Ｆ、９Ｇ側の２辺が基準位置となる。
【００３６】
試料ステージ９Ａの位置は、測長用ミラー９Ｂと９Ｃの鏡面で測定される。試料９Ｄとの位置関係は、測長用ミラー９Ｂと９Ｃの鏡面と試料９Ｄとの距離Ｌｘ、Ｌｙで規定されている。試料ステージ９Ａの温度が上昇すれば、試料９Ｄは相対的に図示の矢印Ａの方向に動き、ＬｘとＬｙが長くなる。逆に温度が下降すれば矢印Ｂの方向に動いてＬｘとＬｙが短くなる。例えば、試料ステージ９Ａの熱膨張係数αが１０×１０−６／℃、Ｌｘ、Ｌｙが３０ｍｍであるとき、試料ステージの温度が０．１℃上昇すると、Ｌｘ、Ｌｙの変化量は３０ｎｍとなる。このように、温度が０．１℃上昇しただけでも、３０ｎｍの位置誤差を発生する。従って、この温度変化による距離Ｌｘ、Ｌｙの変動を正確に知ることが出来れば、試料９Ｄの位置誤差をなくすことが可能である。
【００３７】
また、図１０の試料ステージの側面図に示すように、試料ステージ１０６の温度変動は試料１０５の描画面水平方向の位置誤差だけでなく、描画面鉛直方向の位置Ｌｚにも変動を発生させる。パターン描画時に鉛直方向の位置変動が生じると、電子ビームのフォーカスずれが発生し、線幅精度の悪化を引き起こす。また、同時に位置誤差を生じる。従って、試料ステージ１０６の温度変動による試料１０５の描画面鉛直方向の位置変動を求めておけば、線幅精度の悪化を低減することができる。
【００３８】
実際には、温度センサを設置する位置や測定点数、更に試料ステージ９Ａの材質や構造等の複雑な相関を含むため、試料ステージ９Ａと試料９Ｄ、カセット９Ｅを、Ｌｘ、Ｌｙの変化量を単純モデル化または関数化することが困難である。
【００３９】
さらに試料ステージ上の温度分布により、熱膨張量が不均一となり、図１１に示すように測定用ミラー９Ｂ、９Ｃの鏡面に対し試料９Ｄが回転してしまうことも考えられる。また、試料ステージ１０６の描画面鉛直方向についてみれば、試料１０５が傾いた状態になることも考えられる。
【００４０】
そこで、事前に有限要素モデルを用いた熱変形解析や感度解析、もしくは試料ステージの温度と変形との関係を多点で計測する予備実験などにより、試料ステージ９Ａの温度測定点の各温度状態における、試料ステージ９Ａ上の測長用ミラー９Ｂと９Ｃの鏡面と試料９Ｄの距離の変動量から補正量を求め、補正データとして補正量演算器１１０に記録しておく。
【００４１】
補正量は図１１に示すような、Ｌｘａ，Ｌｘｂ，Ｌｙａ，Ｌｙｂの変動量ｄＬｘａ，ｄＬｘｂ，ｄＬｙａ，ｄＬｙｂに基づいて作成すると、試料９Ａの回転も補正できる。
【００４２】
そして、実際に試料９Ｄにパターンを描画する際には、試料ステージ９Ａに取り付けた温度センサからの試料ステージ各点の温度情報を元に、補正量演算器１１０で補正データを算出する。制御計算機１０８はその補正データを用いて、温度変動による位置誤差を打ち消すように偏向器１０４の制御や、レーザ干渉測長器１０９の出力を補正する。また、試料ステージ１０６の温度変動による描画面鉛直方向の位置変動ｄＬｚは、電子ビームのフォーカス位置を補正データにより電子レンズ制御系１１７及び１０８へフィードバックして補正することにより、線幅精度、位置誤差をなくすことが可能になる。
【００４３】
試料ステージの温度測定点は、実験もしくは有限要素解析、感度解析などにより、試料９Ｄと測長用ミラー９Ｂ、９Ｃの距離の変動との相関性が高い位置を求め、温度センサを配置するとよい。例えば、図１２に示すように、測長用ミラー９Ｂ、９Ｃと試料９Ｄとの間に温度センサ１２Ａを配置してもよい。また、描画面鉛直方向については、温度のばらつきが大きいため、図１３に示すように試料ステージ１０６の摺動面から、試料１０５までの間に複数点の温度センサ１３Ａを設けるとよい。
【００４４】
図１４に補正データの構成を示す。試料ステージに取り付けた温度センサの情報をキーとして、補正データを記録している。キーとなる温度の分解能は、補正の精度によるが、例えば０．０１℃程度、つまり前述の例で考えると３ｎｍの分解能で位置誤差の補正が可能であるように、分解能を設定すればよい。更に高精度な補正を行うのであれば、温度の分解能を高分解能化すればよいが、記録する補正データ量が膨大になるため、補正量演算器１１０の記録容量と必要な補正精度から、適切な温度の分解能を設定すればよい。
【００４５】
図１５に別の実施例を示す。ビーム位置補正用マーク１４Ａを用いて、ビーム補正を行う場合には、マーク位置が測長用ミラー９Ｂと９Ｃの鏡面とは別の位置にあることがある。このときには、図示のようにＬｘとＬｙをとって補正データを作成し、上述のような補正を行えばよい。
【００４６】
この補正は、試料ステージ１０６の温度センサ１０７の温度変化量が、温度の分解能の最小単位を超えたときに行えばよいが、より簡便には一定の時間間隔、または試料ステージ１０６の移動ごとに行ってもよい。
【００４７】
以上の実施例は、試料９Ｄとして、ガラスマスクを想定しているが、別の実施例として、図１６に示すように、シリコンウェハ１５Ａでもよい。ただし、ウェハ直接描画では、チップ単位でビーム位置補正を行うので、描画面積がガラスマスクに比べて小さく補正の効果は少なくなる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、試料ステージの温度変化に起因する試料ステージと試料の位置変動、及び試料描画面鉛直方向の位置変動を補正することが出来るため、試料上の描画パターンの位置誤差及び線幅精度の悪化を低減できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す電子ビーム描画装置の概略図。
【図２】本発明の一実施例を示す電子ビーム描画装置の描画処理のフロー図。
【図３】本発明の別の実施例を示す描画処理のフロー図。
【図４】本発明の更に別の実施例を示す描画処理のフロー図。
【図５】本発明の更に別の実施例を示す描画処理のフロー図。
【図６】本発明の更に別の実施例を示す描画処理のフロー図。
【図７】本発明の更に別の実施例を示す描画処理のフロー図。
【図８】本発明の更に別の実施例を示す描画処理のフロー図。
【図９】試料ステージの構造を示す平面図。
【図１０】試料ステージの構造を示す側面図。
【図１１】試料ステージの変形による試料の位置変動を示す試料ステージの平面図。
【図１２】温度センサ取り付け位置の例を示す試料ステージの平面図。
【図１３】温度センサ取り付け位置の例を示す試料ステージの側面図。
【図１４】一実施例による補正データの構成図。
【図１５】別の実施例における試料ステージの構造を示す平面図。
【図１６】別の試料での実施例を示す試料ステージの構造を示す平面図。
【符号の説明】
１０１…電子銃、１０２…電子ビーム、１０３…電子レンズ、１０４…偏向系、１０５，９Ｄ…試料、１０６，９Ａ…試料ステージ、１０７，１２Ａ，１３Ａ…温度センサ、１０８…制御計算機、１０９…レーザ干渉測長器、１１０…補正量演算器、１１１…ステージ駆動機構、１１２…ステージ制御系、１１３，９Ｂ，９Ｃ…測長用ミラー、１１４…干渉計、１１５…偏向制御用デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）、１１６…偏向制御用アンプ、１１７…レンズ制御用デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）、１１８…レンズ制御用アンプ、１１９…試料描画面高さ測定器、９Ｅ…カセット、９Ｆ，９Ｇ…試料固定部材、９Ｈ…ばね、１４Ａ…ビーム位置補正用マーク、１５Ａ…シリコンウェハ。

Claims (3)

1. 電子銃と電子ビームを収束する電子レンズと、電子ビームを偏向する偏向器と、試料を機械的に移動可能な試料ステージと、前記試料ステージを駆動する機構と、前記試料ステージの温度を少なくとも１点以上測定する機構とを具備する電子ビーム描画装置において、
   前記試料ステージの温度と、前記電子銃と試料間の距離変動量を記録する記憶手段を備えたことを特徴とする電子ビーム描画装置。
2. 請求項１において、
   前記試料は試料ステージに保持されており、前記試料ステージの温度と前記記憶手段が記憶している前記データに基づいて、前記試料位置の補正を電子レンズの制御により行うことを特徴とする電子ビーム描画装置。
3. 電子銃と、電子ビームを収束する電子レンズと、電子ビームを偏向する偏向器と、試料を機械的に移動可能な試料ステージと、前記試料ステージを駆動する機構と、前記試料ステージの温度を少なくとも１点以上測定する機構と、その試料ステージの位置を測定する機構と、試料ステージ上に測定用ミラーとを具備する電子ビーム描画装置において、
   前記試料ステージの温度と、測定用ミラーと試料間の距離変動量と、前記電子銃と試料間の距離変動量と、を記録する記憶手段を備えたことを特徴とする電子ビーム描画装置。

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