JP3722110B2

JP3722110B2 - 電子ビ−ム描画装置

Info

Publication number: JP3722110B2
Application number: JP2002323267A
Authority: JP
Inventors: 秀寿佐藤; 広之酒井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: JP2003209052A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料面の高さを光学的に検出する高さ検出装置を備えた電子ビ−ム描画装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図1は電子ビーム描画装置の概略を示したものである。真空に保持された電子光学鏡筒1（以下、カラムと略記）内の電子源2から電子ビーム3が放出される。電子ビーム3は制御計算機4からの描画データに基づき偏向制御回路5を介して、偏向器6により試料面9内である図1のＸ，Ｙ直交2方向に偏向制御される。このように制御された電子ビーム3は、真空試料室7でＸ，Ｙ方向に移動可能な試料ステージ8上に固定された試料面9上で所望のパターンを描画すべく偏向される。偏向された電子ビーム3は図2に示す様に通常試料面の法線方向である電子ビーム中心軸21に対し、最大θの開き角度を持つ。このとき、偏向器によって設定されている試料面と実際に試料のある面との間に、Ｚ方向の高さ誤差Δｈを生じた場合、電子ビームが到達する試料位置はすなわち描画位置は所望の位置からΔｘ=Δｈ・tanθだけずれてしまい、描画の位置（倍率）誤差を生じる。例えば、開き角θが5mrad、Δｈが10μｍのときΔｘは0.05μｍにもなり、描画パターンの位置精度を著しく低下させる。さらに、試料面の高さ位置に誤差が生じる場合、描画パターンが回転したり、焦点位置がずれることによる描画パターンのぼけなどを生じ、描画パターンの精度を劣化させる。
【０００３】
以上のように電子ビーム描画装置により高精度な描画を行う際には、試料面9の高さ情報が必要である。それゆえ、電子ビーム描画装置には試料面の高さ検出器10を備えたものが多い。
【０００４】
この高さ検出器10により検出された値を用いて電子ビーム3が試料面9に到達する位置と所望の電子ビーム光学特性を合致させるためには以下の方法により行う。通常の電子ビーム描画装置では、試料ステージ8がＺ方向には移動しないため、図1内に示すように高低（Ｈ面、Ｌ面）2つ高さの基準面11をステージ上に設け、この基準面11を基準として高さ検出器10のゲインとオフセットを高さ信号処理部12、制御計算機4を介して校正している。また、この基準面11内には電子ビームがその位置を最も精度よく検出できる基準マーク（図示せず）を備えている。そして、この2つの基準面11の段差内の試料面9に対して基準面との内挿補間により高さ検出を行い、さらに基準マーク上に電子ビーム3を走査し、その反射電子信号を反射電子検出器で求め電子ビーム位置を検出する。そして、これら検出された高さ、電子ビーム位置の情報から、電子ビームの焦点、偏向感度、倍率などの電子光学的特性パラメータを決定する。
【０００５】
高さ検出器10に求められる機能は、非接触、高速、ミクロンオーダで試料面9の高さを検出できることである。このため、高さ検出器10には光学的に検出するものが多い。
【０００６】
従来の高さ検出装置の例として、特公平2-6216で述べられている高さ検出器の構造を図3に示す。この検出器は、レーザ光源Ｌから放射されたレーザ光をプリズムＰ1、Ｐ2及びＰ3を経てレンズＬ1を通して斜め方向から入射角αで試料面9上に照射し、その反射光をレンズＬ2によって、検出器Ｄ上に結像させる。そして、この検出器Ｄの出力を演算処理することによって、試料表面の高さ位置を測定している。
【０００７】
また、図4に示す従来の高さ検出装置のもう一つの例（特公平3-70164）では、試料面の斜め方向から光を照射し、その反射光をレンズによって、検出器上に結像させるという上記特公平2-6216と同じ方法であるが、光照射部LI及び受光部LDはそれぞれ一体的に形成し、かつ荷電ビーム描画装置の真空試料室7に取付けられ、容易に挿脱可能に構成している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記、従来技術には以下に述べるような問題がある。
【０００９】
1）図4で示した高さ検出器では、カラムの径が大きくなるに従って光照射部LI及び受光部LDそれぞれの試料に最も近傍のレンズ（101、102）と試料面9間の距離が長くなり、レンズの焦点距離が長くなるので光学系全体が大きくなり、微小な光学系の変動（ドリフト）であっても高さ検出器では許容以上の変動となり性能を劣化させる要因となる。また、試料面での高さ検出光の位置調整も難しくなる。荷電ビーム描画装置では精度を保ちつつ偏向範囲を広げた場合、カラム1の外径が大きくなる。従って、この問題は描画装置の性能向上とともに問題となる。
【００１０】
2）光源にレーザ光を使う図3では、レーザ光が単波長あるいは狭い帯域の光であるため、レジスト、酸化膜など可干渉性のある試料面では光干渉を生じる。特にレジスト、酸化膜が特定の膜厚になると反射光量が極端に減少し大きな高さ検出誤差を生じるという問題がある。
【００１１】
3）上記2）の課題を回避するために光源に白色光とスリットを使用し、スリットの像を試料面に結像した場合でも、レンズが試料面に近い場合、通常使用されている円形レンズではカラムと試料の間の狭い空間に配置するため、小さな口径の円形レンズしか使用できないという制約を受ける。この結果、試料面に達する光量が減少し、高さ検出の精度を劣化させる要因となる。
【００１２】
4）通常の電子ビーム描画装置の試料であるウエーハやレチクル上にはレジストが均一な厚さで塗布されている。このレジストは可視光に対し反射率が低い。このため、高さ検出器でこのレジスト表面を検出する場合、検出光の試料面への入射角を80°程度にし、反射率を高めることが得策である。しかし、入射角が大きくなるに従い試料への入射光が試料面の近くを通ることになり、大きな口径のレンズの配置が困難になる。
【００１３】
本発明の目的は、高精度でコンパクトな高さ検出器によって描画の高精度化を図ることができる電子ビーム描画装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では以下の手段により、上記課題を解決する。
【００１５】
1）本発明では照射光学系及び受光光学系それぞれの試料に最も近接した2つの球面平凸レンズの外形を通常の円形ではなく１つ以上の平面をもつ形状とし、かつ上記１つ以上の平面が光軸に平行ないしは平行から角度１度以内に配置された形状とする。光軸を挟む2つの平行な平面で切り出した形状とする。
【００１６】
2）また、上記レンズの平面と試料面のなす角を光軸の試料に対する入射角に等しくする。
【００１７】
3）さらに、上記2つのレンズを試料室ないしは、カラムの下に上記平面のうち少なくとも1つ以上を基準として取付ける。
【００１８】
4）上記1）から3）で述べた照射光学系及び受光光学系それぞれで試料に最も近接した2つの球面平凸レンズに導電性処理を施す。
【００１９】
本発明によれば、スリットよって形成された光の像に合わせるようにレンズを形成したため入射する光の光量の増加が図られた。特に球面平凸レンズを配置することにより受光素子上での受光光量が増加し、高さ検出信号のS/Nの改善がされる。この結果高さ検出器の性能が向上し、電子ビーム描画装置の精度向上が図れる。
【００２０】
さらに、複雑な構造でスペースの制約がある電子ビーム描画装置の試料室あるいはカラムの下に、効率よく開口面積の大きな球面凸レンズを容易に配置できる。
【００２１】
また、この形状の導電性処理を施すことにより、電子ビ−ムによる反射電子、反射イオン、２次電子などのレンズへの付着に起因したチャ−ジアップを防止できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の高さ検出装置の実施例を図を用いて説明する。
【００２３】
図5、図6は本発明の高さ検出器の一実施例を説明するものである。図5は、本実施例の高さ検出器の光学系の光路図を示している。図5（1）はＺ方向からの射影図であり、図5（2）側面図、すなわち試料面がＸＹ平面にあるとしたときのｚ方向を含む側面からの射影図である。図5中一点鎖線は光軸を示し、点線はスリット中心から発した光線を示す。図6は、図5に示した本発明の高さ検出器を電子ビーム描画装置に適応した場合の装置内での構成を示している。
【００２４】
まず、図5により、光学系の概要を説明する。光源51にはハロゲンランプを用い、光源51からでた白色光をコンデンサレンズ52でスリット53に照射する。スリットから出射した光は、対物レンズ54を通り、試料面9に入射角θで斜めの方向から結像する。試料上で反射した光は、集光レンズ55で集光され受光素子56上に結像する。いま、図5（1）に示す様に試料面がΔｈだけｚ方向に変化したとき、受光素子56上でΔｄだけ変化したとする。このとき、集光レンズ55による光学系倍率がｍの場合、ΔｈとΔｄには、以下の数1の関係があることが知られている。
【００２５】
（数1） Δｄ = ２Δｈsinθ×ｍ
つまり、ΔｈはΔｄに比例するので、試料高さ変化は受光素子上の光点位置変化となる。そこで、受光素子56を半導体位置検出素子（ＰＳＤ）として光点位置を電気信号に変換し、信号処理部で適当な信号処理を施すと、試料の高さを検出できる。
【００２６】
次に、電子ビーム描画装置に本発明の高さ検出装置を適応したときの構成を図6に示す。100ワットのハロゲンランプ光源（図示せず）から発せられた光はファイバ61により電子ビーム描画装置試料室7に取付けられた照射部ホルダ62へ挿入される。ファイバ61端面から出た光は焦点距離30ｍｍのコンデンサレンズ63へ入る。コンデンサレンズを出た光は幅200μｍ×3ｍｍの矩形スリット53へ入射する。このとき、矩形スリット53の長辺は図の紙面に垂直でかつ試料面9と平行になっている。スリット53からでた光はミラー64で反射し、スリット53から約160ｍｍ離れた焦点距離80ｍｍの球面凸レンズ54に入射する。この球面凸レンズ54が対物レンズである。対物レンズ54を出た光は、160ｍｍ離れた試料面9上に入射角80°でスリット53の像を結像し、反射する。反射した光は120ｍｍ離れた焦点距離80ｍｍの集光レンズ55（球面凸レンズ）で集光され、ミラー64を経てＰＳＤ65上に結像する。集光レンズ55とＰＳＤ65間は240ｍｍあり、本実施例の受光部の光学系では、受光光学系の倍率を2倍としたため、試料面9の高さ変化が約3.9倍になって受光位置変化となる。
【００２７】
本実施例では、入射角が80度と非常に大きい。このため、試料面に最も近接する2つのレンズ（対物レンズ54、集光レンズ55）の中心（すなわち光軸）と試料面9のＺ方向の距離が対物レンズ54で約27.8ｍｍ、集光レンズ55で20.8ｍｍである。すなわち、球面凸レンズの外形が円形の場合、設置できるレンズの直径はこの距離以下である。さらに、ステージ8上には基準マーク11やｘｙ方向の位置基準である干渉測長計用ミラーなどがウエーハ面よりも高く設置されている。加えて、対物、集光レンズ自身のホルダを考慮すると、レンズの外径を15ｍｍから20ｍｍ程度にしかできない。
【００２８】
そこで、本発明では試料面9に近い対物レンズ54と集光レンズ55を通常の球面凸レンズのような円形外形ではなく、図7で詳細を示す様なレンズの光軸方向70に平行な2つの平面をもつレンズ71で構成した。さらに図７のレンズは光軸から等距離に2つの平面（72、73）で切り出した形状である。図6の実施例の高さ検出器では外径40ｍｍのレンズを平行平面間距離15ｍｍで切り出した形状とした。
【００２９】
このように光軸方向に平行な2つの平面をもつレンズ形状とすることで直径15mmの球形凸レンズを使用する場合と比較して、レンズ開口の面積が約3.3倍になった。さらに、本発明では対物レンズに迷光防止、及び試料面上でのスリット像のコントラスト向上を目的として開口絞り57設けた。この開口絞り57はスリットからの出た光を絞るため、10mm×30mmの矩形開口を持つ。絞りを設けたことにより、開口面積は減少するがこの矩形絞り57による開口面積を直径15mm円形絞りで比較しても、2倍近く大きい。
【００３０】
このように図７で示したレンズを使用することにより、試料面9で反射してＰＳＤへ入射する光量が増加し、光電変換され位置信号となる電流量が増加するため信号処理回路でのS/Nが２倍に改善され、検出精度が向上した。具体的には、反射率10％程度の試料面でも、0.1μｍ程度の高さ分解能を得ることができた。本実施例では図７の切り出したレンズ71の2つの平面のうち一方を基準としてホルダ81に接着固定した（図８）。このホルダ81は６面体のアルミ板で構成され図８に示すようにレンズを接着する面の反対側の面は光軸方向に１０度の傾斜をもつ。そして、レンズの外周部分にはレンズ落下防止用及びチャージアップ防止用のための金属の薄板82を巻付けホルダ81即ち電気的グランドレベルに接続固定した。さらにホルダ81の１０度の傾斜側の面を試料面に平行な試料室の壁にネジ止めめで取付けた。この例ではＸ，Ｙ方向の調整をやりやすくするために押し引きネジを用いた。この取付け方法により、レンズ光軸が試料面9に対する入射角が所望の80度になる。従来の円形外形の球面レンズを使用して外周部分にホルダを設ける必要があったのに比べ、本発明が、少ない部品でかつ少ないスペースで取付けられることは明白である。
【００３１】
また、レンズの材料はＢＫ7レンズ用ガラス材料であり、導電性はない。図６で示した試料面9に最も近い対物レンズ54並びに集光レンズ55には、試料面からの反射電子や２次電子が直接当たる。そこで、レンズ表面に導電性膜をコーティングし、落下防止用の金属薄板から導通を取り、電子ビーム描画装置のグランド電位とした。この結果チャージアップにより電子光学系の特性を悪化させる現象がほとんど生じることがなかった。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べた様に本発明によれば、試料面の高さ検出器において受光素子上での受光光量を増加させ高さ検出信号のS/Nを改善する。さらに、複雑な構造でスペースの制約がある荷電ビーム描画装置の試料室あるいはカラムの下に、効率よく開口面積の大きな球面凸レンズを容易に配置できる。
【００３３】
この結果、コンパクトで高精度な高さ検出器を搭載した電子ビーム描画装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子ビ−ム描画装置の概略を示した図。
【図２】電子ビ−ム開き角と高さ誤差の関係を説明する図。
【図３】従来の電子ビ−ム描画装置用試料面高さ検出器の例（その１）を示す図。
【図４】従来の電子ビ−ム描画装置用試料面高さ検出器の例（その２）を示す図。
【図５】本発明の高さ検出器の光学系概略を示した図。
【図６】本発明の電子ビ−ム描画装置用高さ検出器の例を説明する図。
【図７】本発明の高さ検出器用球面凸レンズの外形を説明する図。
【図８】球面凸レンズの取付け方法を説明する図。
【符号の説明】
１…電子光学系鏡筒（カラム）、２…電子源、３…電子ビ−ム、６…偏向器、７…試料室、８…試料ステ−ジ、９…試料面、１０…高さ検出器、１２…高さ信号処理部、２１…電子ビ−ム中心軸、５１…ハロゲンランプ、５２…コンデンサレンズ、５３…スリット、５４…対物レンズ、５５…集光レンズ、５６…受光素子、５７…絞り、６１…ファイバ、６４…ミラ−、６５…ＰＳＤ、７１…球面凸レンズ、７２、７３…切断された平面、８１…レンズホルダ、８２…金属薄板。

Claims

電子ビーム源を備えた電子光学系鏡筒を有し、
前記電子ビーム源から照射される電子ビームによって所定のパターンを試料に形成する電子ビーム描画装置において、
前記試料を載置する試料ステージと、
前記試料の高さを検出する高さ検出器と、
前記試料ステージを格納する試料室とを備え、
前記高さ検出器は、
光源と、
該光源から放射した光を入射させて、該入射した光を直接前記試料に照射するように配置された第１のレンズと、
前記試料より反射した前記光が直接入射されるように配置された第２のレンズと、
前記第１のレンズまたは第２のレンズを前記電子光学系鏡筒ないし試料室に対して固定するための面を有するホルダと、
前記第２のレンズを通過した光を受光する受光素子と、
前記第１のレンズおよび第２のレンズは、入射光の光軸が通過する第１の面と、前記ホルダに対する接着面をなす第２の面とを有し、
前記ホルダは前記第１または第２のレンズが接着される面を備え、
前記ホルダにおける前記電子光学系鏡筒ないし試料室に対して固定するための面は、前記入射光の光軸に併せて傾斜していることを特徴とする電子ビーム描画装置。
電子ビーム源を備えた電子光学系鏡筒を有し、
前記電子ビーム源から照射される電子ビームによって所定のパターンを試料に形成する電子ビーム描画装置において、
前記試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージを格納する試料室と、
光源と、
該光源から出た光を入射させて、該入射した光を直接前記試料に照射するように配置された第１のレンズと、
前記試料より反射した前記光が直接入射されるように配置された第２のレンズと、
前記第１のレンズまたは第２のレンズを前記電子光学系鏡筒ないし前記試料面に対して固定するためのホルダと、前記第２のレンズを通過した光を受光する受光素子とを有し、
前記第１のレンズおよび第２のレンズは、入射光の光軸が通過する第１の面と、前記ホルダに対する接着面をなす第２の面とを有し、
前記ホルダは前記第１または第２のレンズが接着される面を備え、
該ホルダの接着面は、前記入射光の光軸に併せて傾斜していることを特徴とする電子ビーム描画装置。
請求項１または２に記載の電子ビーム描画装置において、
前記第１のレンズまたは第２のレンズ表面に形成された導電性膜を有することを特徴とする請求項１または２記載の電子ビーム描画装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の電子ビーム描画装置において、
前記第１のレンズまたは第２のレンズの表面がグランド電位であることを特徴とする電子ビーム描画装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の電子ビーム描画装置において、
前記第１または第２のレンズは球面平凸レンズであることを特徴とする電子ビーム描画装置。
請求項１または２に記載の電子ビーム描画装置において、
前記第１のレンズは開口絞りを備えることを特徴とする電子ビーム描画装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載の電子ビーム描画装置において、
前記第１のレンズは、前記光源から出た光を前記試料上に結像させる対物レンズであることを特徴とする電子ビーム描画装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載の電子ビーム描画装置において、
前記第２のレンズは、前記試料からの反射光を集光する集光レンズであることを特徴とする電子ビーム描画装置。
請求項１または２に記載の電子ビーム描画装置において、
前記光源は白色光源であることを特徴とする電子ビーム描画装置。
請求項１または２に記載の電子ビーム描画装置において、
前記入射光の光軸に併せて傾斜した面は光軸に対して平行ないしは平行から角度１度以内に配置されることを特徴とする電子ビーム描画装置。