JP3969640B2 - 荷電粒子ビーム描画装置およびそれを用いた描画方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームやイオンビーム等を用いた荷電粒子ビーム描画装置およびそれを用いた描画方法の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビームやイオンビーム等を用いた荷電粒子ビーム描画装置は、半導体素子など様々な素子を作製するために、各種基板の上に所望の微細パターンを形成することを目的として、広く用いられている。特に、数ナノメータから数十ナノメータの大きさの任意のパターンを形成する適当な手段が他にないため、電子ビームをなるべく小さいスポットに収束させて描画を行うポイントビーム型電子ビーム描画装置は、ナノメータサイズの構造を有するデバイスを作製することを目的に、重要視されている技術である。
【０００３】
形成する微細パターンの大きさや位置の精度を高く保つためには、照射する荷電粒子ビームを試料（基板）表面で精度良く収束または結像させることが重要である。そのために、荷電粒子ビームが進行・収束する方向についての試料表面の位置（高さ）を高精度に測定することが重要である。
【０００４】
市販されている荷電粒子ビーム描画装置の多くについては、試料表面で荷電粒子ビームが収束する角度が、数mradから十mrad程度である。また、ポイントビーム型の荷電粒子ビームでは、収束位置からの高さのずれに応じて荷電粒子ビームの径が大きくなり、その径の増大分Δｄは概ね高さのずれΔｈおよび前記のビームの収束角αを用いて、
となる。ここで、ｄ０は、最も収束した高さでのビーム径である。よって、収束位置で数nmの径となる荷電粒子ビームを、０.５〜１nm以下に径の増大を抑えた状態で、試料に照射するためには、１／１０〜１μmの精度で試料表面の高さを測定する必要がある。
【０００５】
しかし、実際に荷電粒子ビーム描画装置で用いられている高さセンサは、１μm程度かそれ以上の誤差がある。その理由は、以下に詳しく述べるが、簡単にいうと、光てこ型の高さセンサを用いた際に、高さ測定用の光に対する試料の反射率が低かったり、試料に既に形成されているパターンに反射率のばらつきがあったり、光の収束位置が、想定されている条件からずれていたり、試料が傾いていたりすることが誤差の原因となる。また、荷電粒子ビームを収束させる収束レンズ部との兼ね合いで、高さセンサの配置が制限され、十分な性能の高さセンサが使用できないことも、十分な精度で試料の高さ測定ができない理由である。
【０００６】
従来の荷電粒子ビーム描画装置の大まかな構成と動作は、例えば、電子・イオンビームハンドブック第３版（日本学術振興会第１３２委員会編、日刊工業新聞社刊、１９９８年）５１９頁から５４７頁に説明されている。従来の試料表面の高さ測定を行う部分の構成と作用を分かりやすく説明するために、以下に従来の荷電粒子ビーム描画装置の例の構成と動作を示す。
【０００７】
従来の荷電粒子ビーム描画装置の構成と作用の例を、図８を用いて説明する。図８は、従来の荷電粒子ビーム描画装置の構成の例を示した図である。図８の２０１は荷電粒子ビーム源部、２０２は荷電粒子ビーム２０１Ａを偏向させる偏向部、２０３は荷電粒子ビーム２０１Ａを収束させる収束レンズ部、２０４は試料３０１の表面の高さ（荷電粒子ビームが進行する方向または試料３０１の表面に垂直な方向に沿った位置）を測定する光てこ型の高さセンサ部、２０５は試料３０１を保持・移動するステージ部である。なお、２０１Ａは荷電粒子ビーム、２０４Ａ１は試料３０１の高さを測定するために高さセンサ部２０４から試料３０１に照射される光である。
【０００８】
また、高さセンサ部２０４の詳細を図９に示す。図９は高さセンサ部２０４の構成、および試料３０１の高さを測定する作用を説明するための図である。図９の２０４Ａはレーザ発信器、２０４Ｂおよび２０４Ｃはレンズ、２０４Ｄおよび２０４Ｅは光検出器、２０４Ｆは加算器、２０４Ｇは減算器、２０４Ｈは除算器、２０４Ｉはアンプである。２０６Ａおよび２０６Ｂはステージ部２０５に取り付けられている標準高さマークである。
【０００９】
次に、荷電粒子ビーム描画装置の動作を説明する。荷電粒子ビーム源部２０１は荷電粒子ビーム２０１Ａを発生する。荷電粒子ビーム２０１Ａは、ステージ部２０５に向かって進行していくが、収束レンズ部２０３の作用により試料３０１の表面付近で収束する。また、荷電粒子ビーム２０１Ａは、偏向部２０２の作用により偏向され、試料３０１の表面上のレジスト（荷電粒子ビーム感光剤）に所望のパターンが形成されるように照射される。この際、荷電粒子ビーム２０１Ａが試料３０１の表面で正確に収束するように、高さセンサ部２０４は、照射領域付近に光２０４Ａ１をあらかじめ照射し、その反射光を検出することにより、試料３０１の表面の高さを測定する。測定された高さに応じて、収束レンズ部２０３の作用を調節することにより、荷電粒子ビーム２０１Ａは試料３０１の表面で正確に収束する。
【００１０】
次に、標準高さマーク２０６Ａと標準高さマーク２０６Ｂとの各々の高さにおける、高さセンサ部２０４による高さ測定の結果と、収束レンズ部２０３の作用による荷電粒子ビーム２０１Ａの収束との様子から、高さセンサ部２０４による高さ測定と収束レンズ部２０３の作用との関係を較正する方法を、図９を用いて説明する。高さセンサ部２０４の構成および高さを測定する作用と方法とは次の節で説明する。
【００１１】
高さセンサ部２０４による高さ測定と収束レンズ部２０３の作用との関係の較正は、実際に荷電粒子ビーム２０１Ａで試料３０１に描画する前に行う必要がある。ステージ部２０５に取りつけられた２つの標準高さマーク２０６Ａ、２０６Ｂは、−定の高さの差がある。ステージ部２０５を動作させることで、荷電粒子ビーム２０１Ａが照射される位置（高さ測定が行われる位置にほとんど等しい）に、標準高さマーク２０６Ａ、２０６Ｂの各々を簡単に移動できる。その状態で、標準高さマーク２０６Ａおよび２０６Ｂの高さを高さセンサ部２０４で測定し、かつ、反射電子像等を観察することにより、標準高さマーク２０６Ａおよび２０６Ｂに荷電粒子ビームが収束するように、収束レンズ部２０３の作用を各々調整する。
【００１２】
このとき、２つの標準高さマーク２０６Ａと２０６Ｂにおける、高さセンサ部２０４の測定結果および収束レンズ部２０３の作用の量から、高さセンサ部２０４による高さ測定の結果と、収束レンズ部２０３の収束の作用との絶対的関係および関係の係数が得られる。この係数は、次に説明するように、実際に高さ測定の結果から、試料３０１表面に荷電粒子ビーム２０１Ａを収束する作用の量を決める際に、用いられる。
【００１３】
次に、高さセンサ部２０４の構成、および高さセンサ部２０４が試料３０１の表面に光２０４Ａ１を照射して、試料３０１表面の高さを測定する作用と、さらに、その結果を用いて、収束レンズ部２０３の作用を調整する方法とを、引き続き図９を用いて説明する。
【００１４】
レーザ発信器２０４Ａはレーザ光２０４Ａ１を発信し、このレーザ光２０４Ａ１はレンズ２０４Ｂの作用により試料３０１の表面付近で収束する。さらに、この光２０４Ａ１は、試料３０１の表面で反射し、レンズ２０４Ｃに入射する。その後、光２０４Ａ１は、レンズ２０４Ｃの作用により収束し、光検出器２０４Ｄおよび２０４Ｅに入射する。
【００１５】
試料３０１の表面の高さが、点線３０１Ａ、３０１Ｂで示したように、上側または下側へ（通常、十μmから百μm程度以下）ずれた場合、光２０４Ａ１の光路は、点線または鎖線で示したようにずれる。光路のずれ方の詳細は後の節で説明する。よって、光検出器２０４Ｄおよび２０４Ｅに入射する光２０４Ａ１の強度が変化するため、これらの光２０４Ａ１の強度を試料３０１表面の高さに関連づけ、試料３０１表面の高さを測定できることになる。
【００１６】
具体的には、光検出器２０４Ｄおよび２０４Ｅは、各々入射した光２０４Ａ１の強度の信号を、加算器２０４Ｆおよび減算器２０４Ｇに出力する。加算器２０４Ｆおよび減算器２０４Ｇは、光検出器２０４Ｄと２０４Ｅから入力した信号を各々加算および減算し、結果の信号を除算器２０４Ｈに出力する。除算器２０４Ｈは、減算器２０４Ｇおよび加算器２０４Ｆから入力した信号の除算を行い、結果の信号をアンプ２０４Ｉに出力する。アンプ２０４Ｉは、除算器２０４Ｈから入力した信号を適切に拡大して、収束レンズ部２０３に出力する。
【００１７】
アンプ２０４Ｉから入力した信号に応じて、収束レンズ部２０３が荷電粒子ビーム２０１Ａを収束する作用を変化させることにより、荷電粒子ビーム２０１Ａは試料３０１表面の高さでちょうど収束する。つまり、光検出器２０４Ｄに入射した光２０４Ａ１の強度をＡとし、光検出器２０４Ｅに入射した光２０４Ａ１の強度をＢとする。また、前記の標準高さマーク２０６Ａを用いた調整の際に得られた光検出器２０４Ｄに入射した光２０４Ａ１の強度をＡ０とし、前記の標準高さマーク２０６Ａを用いた調整の際に得られた光検出器２０４Ｅに入射した光２０４Ａ１の強度をＢ０とする。さらに、前記の標準高さマーク２０６Ａを用いた調整の際の、収束レンズ部２０３の作用の量をＩ０とする。収束レンズ部２０３の作用の量を、
の値となるよう調整することにより、試料３０１表面で荷電粒子ビーム２０１Ａを収束させることができる。（２）式の係数ｋは、
に相当する量である。ここで、Ａ１は標準マーク２０６Ｂを用いた調整の際に得られた光検出器２０４Ｄに入射した光の強度であり、Ｂ１は標準マーク２０６Ｂを用いた調整の際に得られた光検出器２０４Ｅに入射した光の強度であり、Ｉ１は標準マーク２０６Ｂを用いた調整の際の、収束レンズ部２０３の作用の量である。実際には、このような係数ｋの値となるように、アンプ２０４Ｉの拡大率等をあらかじめ調整しておく。
【００１８】
次に、試料３０１の高さに依存して光２０４Ａ１の光路がどのようにずれるかの詳細を、図１０で説明する。図１０で示すように、試料３０１が実線で示した状態で、試料３０１に入射する光２０４Ａ１が試料３０１表面上のF０で示した点で焦点を結んでいるとする。試料３０１表面がより高い場合（図１０のＨで示した位置）および低い場合（図１０のＬで示した位置）には、光２０４Ａ１の焦点位置は、試料３０１表面がこれらの光路に対して鏡となることを考えると、各々ＦＨ点およびＦＬ点に像としてあることがわかる。つまり、光２０４Ａ１の焦点位置は、ａ−ａ’の直線上にあり、試料３０１の高さに単調に依存している。
【００１９】
レンズ２０４Ｃは、ａ−ａ’上の光２０４Ａ１の焦点をｂ−ｂ’上の直線上に結像する。そこに２つの光検出器２０４Ｄと２０４Ｅとが配置されている。ｂ−ｂ’上のどこに光２０４Ａ１の焦点が結像されているかが、２つの光検出器２０４Ｄと２０４Ｅとに入射する光２０４Ａ１の強度として測定できる。ｂ−ｂ’上での光２０４Ａ１のスポットの大きさに比べて、変位が小さければ、２つの光検出器２０４Ｄと２０４Ｅとの検出量の差は、試料３０１表面の基準からの高さの差に比例することになる。
【００２０】
さて、荷電粒子ビーム描画装置で描画を行う対象となる試料３０１には、目的に応じて様々なものがある。さらに、レジストなど試料３０１表面の薄膜の構成は、多種多様である。その結果、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１に対する試料３０１表面の反射率は、試料３０１表面の薄膜の種類や厚さに応じて大きく変化する。よって、従来例では上記（２）式に示したように、２つの光検出器２０４Ｄと２０４Ｅとの信号の差を、これらの信号の和で規格化することにより、試料３０１表面の反射率に関わらず、試料３０１表面の高さを測定している。
【００２１】
しかし、標準高さマーク２０６Ａ表面と標準高さマーク２０６Ｂ表面とでの光の反射率と、試料３０１表面の反射率とが大きく異なる場合や、反射率が非常に小さい試料３０１の場合には、収束レンズ部２０３の正確な調整ができなくなってくる。なぜなら、光検出器２０４Ｄ、２０４Ｅのゼロ点には多少なりともオフセットがあり、（２）式は正確に、
となる。ここで、ｄＡは光検出器２０４Ｄのゼロ点のオフセット量であり、ｄＢは光検出器２０４Ｅのゼロ点のオフセット量である。よって、反射率が低いために、Ａ＋Ｂに比べてｄＡ＋ｄＢが無視できない場合には、誤差が大きくなる。
【００２２】
また、他の従来例では、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１を単一波長のレーザ光ではなく、白色光としているものもある。この場合、試料３０１表面のレジスト等の薄膜の厚さに応じた干渉の影響を少なくすることができる。このために、多くの場合、レジスト等の薄膜の厚さに関わらず、ある程度以上の反射率を得ることができる。それにも関わらず、試料３０１表面の材料や表面の微細な粗さによって、反射率が低い場合がある。その場合には、前記の誤差が大きくなる問題がある。
【００２３】
次に、試料３０１の傾きによって生じる高さ測定の誤差について、図１１を用いて説明する。図１１は、試料３０１が傾いている場合の、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１の光路を示した図であり、図１１の記号は図１０と同様である。
【００２４】
荷電粒子ビーム２０１Ａを用いた描画の対象である試料３０１によっては、半導体加工プロセス等によって試料３０１にたわみが生じていたり、試料３０１を保持するステージ部２０５の部品の精度等により、試料３０１表面が水平（あるいは高さセンサ部２０４が想定している試料面）から傾く場合がある。実際、半導体加工プロセスの種類によっては、数mrad程度の傾きとなる場合がある。また、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１は、理想的には試料３０１表面に収束する様に設計されている。しかし、図１１に示したように、焦点位置がずれる場合がある。実際、１mm程度のずれが発生する場合がある。図１１では、試料３０１に光２０４Ａ１を入射するレンズ２０４Ｂの位置ずれなどにより、焦点位置がずれる様子が示されている。反射した光２０４Ａ１を集光するレンズ２０４Ｃ等の位置ずれも同様に起こる場合がある。
【００２５】
さて、試料３０１の傾きに依存して光２０４Ａ１の光路がどのようにずれるかの詳細を説明する。図１１に示したように、試料３０１に入射する光２０４Ａ１が試料３０１表面で反射する部分の高さが変わらなくても、試料３０１が傾いていると（図１１のＵ、Ｃで示した方向）、光２０４Ａ１の光路は異なる。光２０４Ａ１の焦点位置が試料３０１表面から離れていると、この焦点の鏡像の位置は試料３０１の傾きに依存して、ＦＯ、ＦＣ、ＦＵなど直線ｃ−ｃ’上の異なった位置となる。これらの焦点は、レンズ２０４Ｃによって、ｄ−ｄ’の直線上に結像するため、高さセンサ部２０４の高さの測定としては誤差を含んだものとなってしまう。
【００２６】
このように、試料３０１表面の傾きおよび焦点位置のずれによって、高さセンサ部２０４が測定する高さに誤差が生じる。試料３０１表面の傾きをθrad、焦点位置の高さ方向のずれをΔＨとすると、高さ測定の誤差はθΔＨ程度となり、最大数μmの誤差となりうる。
【００２７】
次に、試料３０１表面のパターンによって生じる高さ測定の誤差について、図１２を用いて説明する。図１２は、試料３０１表面に光２０４Ａ１に対する反射率の異なるパターンが既に形成されている場合の、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１の光路を示した図であり、図１２中の記号は図９と同様である。
【００２８】
荷電粒子ビーム２０１Ａを用いた描画の対象である試料３０１によっては、半導体加工プロセス等によって、既に試料３０１に各種材料によってパターンが形成されている場合がある。その材料や薄膜の厚さによって、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１に対する反射率が大きく異なる場合がある。また、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１は、試料３０１表面付近で焦点を結ぶが、光源の大きさやレンズ２０４Ｂの収差などにより、有限の大きさのスポットとなる。図１２で示したように、光２０４Ａ１のスポットが、これらの反射率の大きく異なるパターンの境界部分に照射された場合、光２０４Ａ１の焦点は、ｅ側にずれたような強度分布となる。ｅ−ｅ’の直線上の点はレンズ２０４Ｃによってｆ−ｆ’の直線上に結像する。このとき、ｅ側にずれた光２０４Ａ１（ハッチングで示した部分）の焦点はｆ側にずれて結像するため、測定される高さに誤差が生じる。その誤差は、最大、試料３０１表面での光２０４Ａ１のスポット径の数分の一程度となり、実際数十μm程度の誤差となりうる。
【００２９】
前記のような試料３０１の高さ測定の問題の原因のひとつとして、試料３０１に荷電粒子ビーム２０１Ａを照射できる状態で、照射される箇所の高さ測定を行っているという点がある。つまり、この状態では、収束レンズ部２０３が試料３０１に非常に接近しているため、試料３０１の高さ測定をする機構が大きく制限されてしまう。荷電粒子ビーム２０１Ａを試料３０１表面でなるべく小さく収束させるには、収束レンズ部２０３をなるべく試料３０１表面に近づけることが有効である。しかし、試料３０１直上に大きな体積を持つ収束レンズ部２０３を配置するため、その状態で試料３０１の高さを測定する高さセンサ部の種類や性能が限られてしまうからである。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の荷電粒子ビーム描画装置では、荷電粒子ビーム２０１Ａを試料３０１表面で精度良く収束させるために不可欠な測定である、試料３０１表面の高さ測定が、十分な精度で行えないという問題があった。高さセンサ部２０４が行う試料３０１の高さ測定の精度が落ちる理由としては、
Ｉ．高さ測定用の光２０４Ａ１に対する試料３０１の反射率が低かったり、標準高さマーク２０６Ａと２０６Ｂとの反射率と大きく異なること、
II．試料３０１の傾きと高さ測定用の光２０４Ａ１の収束位置が、想定されている条件からずれていること、
III．高さ測定用の光２０４Ａ１が、既に形成された反射率の異なるパターンの境界部分に照射されること、
IV．収束レンズ部２０３との兼ね合いで高さセンサ部２０４の配置が制限され、十分な性能の高さセンサ部が使用できないこと、
がある。
【００３１】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、試料の高さを十分な精度で測定することにより、荷電粒子ビームを高い精度で試料の表面に収束させる、荷電粒子ビーム描画装置およびそれを用いた描画方法を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、荷電粒子ビームを発生・照射する荷電粒子ビーム源部と、前記荷電粒子ビームを照射する対象である試料の高さに前記荷電粒子ビームを収束する収束レンズ部と、前記荷電粒子ビームを偏向させる偏向部と、前記試料を保持・移動するステージ部とからなる荷電粒子ビーム描画装置において、高さマークを備えかつ前記試料を保持して前記ステージ部に保持される試料ホルダと、前記試料に対して前記荷電粒子ビームを前記収束レンズ部で収束させて照射する第１の位置で、前記試料ホルダの高さマークの表面の高さを測定する第１の高さセンサ部と、前記試料に対する前記荷電粒子ビームを収束する前記収束レンズ部が試料直上にない、前記第１の位置と異なる第２の位置で、前記試料表面の高さ分布ならびに前記試料ホルダの高さマークの表面の高さを高精度に測定する第２の高さセンサ部とを更に備え、 前記第２の高さセンサ部により前記第２の位置で測定した前記試料の表面の高さ分布に基づいて前記収束レンズ部を制御する際に、前記試料ホルダとともに前記第２の位置から前記第１の位置に移動したときに生じる試料の高さと傾きのずれを、２つの位置における前記高さマークの２つの測定値に基づいて補正し、前記収束レンズ部による収束を調整することを特徴とする荷電粒子ビーム描画装置である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の荷電粒子ビーム描画装置において、前記第２の高さセンサ部を大気中に配置したことを特徴とする。
請求項３の発明は、荷電粒子ビームを発生・照射する荷電粒子ビーム源部と、前記荷電粒子ビームを照射する対象である試料の高さに前記荷電粒子ビームを収束する収束レンズ部と、前記荷電粒子ビームを偏向させる偏向部と、前記試料を保持・移動するステージ部とからなる荷電粒子ビーム描画装置を用いた描画方法において、高さマークを備えかつ前記試料を保持する試料ホルダを、前記荷電粒子ビームを試料に照射する第１の位置および前記第１の位置とは異なり試料直上に収束レンズ部がなく前記試料の表面の高さ分布を高精度に測定できる第２の位置の間を移動させ、第２の位置において前記試料の高さ分布と前記高さマークの高さを測定し、前記試料ホルダを前記第１の位置に移動して前記高さマークの高さを測定し、測定した前記試料の高さ分布に基づいて前記収束レンズ部による収束を制御するに際して、前記試料ホルダの高さマークの２つの位置における２つの測定値に基づいて、前記試料ホルダを前記第２の位置から前記第１の位置に移動したときの試料ホルダの高さと傾きのずれを補正して前記収束レンズ部を調整することを特徴とする、荷電粒子ビーム描画装置を用いた描画方法である。
【００３３】
本発明によれば、高さセンサ部を少なくとも２台備えてある。そして、１台目の高さセンサ部で試料表面の高さ分布を高精度に測定し、１台目の高さセンサ部の場所から荷電粒子ビーム描画を行う位置までの試料の移動に伴う、試料の傾きやオフセットを２台目の高さセンサで測定する。これによって、荷電粒子ビーム描画を行う位置での、試料の高さ分布を高精度に導くことが可能となる。
また、本発明によれば、試料の直上に荷電粒子ビーム用の収束レンズがないので、既に形成された試料上のパターンを顕微鏡などで観察しながら、そのパターンの境界部分を避けて、高さ測定をすることが可能となる。これにより、試料上にパターンが既に形成されている場合でも、高精度で試料の高さ測定を行うことが可能となる。
さらに、荷電粒子ビームを収束させる収束レンズ部と試料との間に、高さ測定のための光の光路を必ずしも設ける必要がなく、収束レンズ部と試料との間の距離を近づけることができる。このため、荷電粒子ビームの収束位置におけるビームの大きさを、より小さくすることができる。よって、より微細なパターン形成が可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。図１は本発明の実施の参考形態を示す荷電粒子ビーム描画装置の模式図である。図１の荷電粒子ビーム描画装置は、荷電粒子ビーム源部１、偏向部２、収束レンズ部３、高さセンサ部４、およびステージ部５を備えている。
【００３５】
荷電粒子ビーム源部１は荷電粒子ビーム１Ａを発生・照射する。偏向部２は荷電粒子ビーム源部１からの荷電粒子ビーム１Ａを偏向させ、収束レンズ部３は荷電粒子ビーム１Ａを収束させる。高さセンサ部４は試料１０１の表面の高さを測定する。ステージ部５は、荷電粒子ビーム１Ａを照射する対象である試料１０１を保持・移動する。
【００３６】
本実施の形態による荷電粒子ビーム描画装置では、図８と図９とで述べたように、荷電粒子ビーム源部１から発生した荷電粒子ビーム１Ａが、収束レンズ部３の作用により試料１０１表面付近で収束する。荷電粒子ビーム１Ａは、偏向部２の作用により偏向され、試料１０１の表面上のレジストに所望のパターンが形成されるように照射される。この際、荷電粒子ビーム１Ａが試料１０１の表面で正確に収束するように、あらかじめ高さセンサ部４の直下に試料１０１がある状態で、試料１０１表面の高さ分布を測定する。
【００３７】
試料１０１に荷電粒子ビーム１Ａで描画を行う前に、高さセンサ部４直下で試料１０１表面の高さ測定を行った状態から、収束レンズ部３直下の荷電粒子ビーム１Ａを照射する場所までステージ部５を動作させるなどして、試料１０１を移動させる必要がある。ステージ部５などの水平移動時の高さや傾きの変動が十分小さいか、また、あらかじめ何らかの方法で、試料１０１移動時の高さと傾きの変化を較正しておくことにより、測定した高さ分布から、荷電粒子ビーム１Ａを照射する際の収束レンズ部３の作用を補正することができる。
【００３８】
試料１０１移動時の高さと傾きとの変化を較正する方法として、予備試料に荷電粒子ビーム描画を行う場合を例として、図２を用いて説明する。試料１０１の代わりに予備試料を用い、高さセンサ部４直下で、予備試料の高さを少なくとも３点以上の多数の位置（図２（ａ）では、メッシュの頂点である９点の測定点）で測定する。このときの測定結果として、メッシュ１０１Ａが高さのマッピングを表す。
【００３９】
この後、荷電粒子ビーム１Ａを照射する場所まで予備試料を移動する。そして、収束レンズ部３の作用を少しずつ変えながら、荷電粒子ビーム１Ａの収束の様子に敏感なパターンを、前記の多数の位置（図２（ａ）では９点の測定点）に描画する。本実施の形態で用いる、収束の様子に敏感なパターンは、隣接する測定点間（数十mmのオーダ）に比べて小さい形状（μmのオーダ）をしている。そして、本実施の形態では、収束の様子に敏感なパターンを、収束レンズ部３の作用の量を変えながら、隣接して複数描画する。こうした描画を予備試料の各測定点に対して行う。同時に、描画した位置と、収束レンズ部３の作用の量との関係を保持して、描画位置と作用量との関係を対応できるようにしておく。
【００４０】
次に、現像などを行い、形成された前記パターンを顕微鏡などで観察・評価して、予備試料上の各位置において、荷電粒子ビーム１Ａが最も収束したパターンを調べる。そして、このパターンに対応する、収束レンズ部３の作用の量から、予備試料の高さを求める。予備試料上の各位置における、高さセンサ部４による高さ測定の結果と、収束レンズ部３の作用による高さ測定の関係を求めることにより、予備試料の移動時の高さのオフセットおよび傾きの変化が測定できる。
【００４１】
図２（ａ）には、予備試料について、高さセンサ部４で高さ測定を行う場所で得られた各位置における高さを基準に、荷電粒子ビーム描画を行う場所で得られた高さの様子の例を示した。図２（ａ）では、メッシュ１０１Ｂが高さのマッピングを表す。この場合、予備試料の移動によって、点線で示された基準（メッシュ１０１Ａ）に対し、多少上側に変位し、かつ、図の右側に傾いているのが分かる。
【００４２】
次に、描画を行う試料１０１について、試料１０１上の多数の位置（または荷電粒子ビーム描画を行う位置）で高さセンサ部４を用いて、図２（ｂ）のメッシュ１０１Ｃに示すように、高さ測定を行う。最後に、荷電粒子ビーム描画を行う場所へ移動する際に、図２（ａ）と同様に、上側に変位しかつ右側に傾くので、試料１０１上の各位置で移動後の高さ（メッシュ１０１Ｄ）を算出し、その値を用いて、収束レンズ部３の作用を調整する。
【００４３】
このように、試料１０１の高さの測定を、収束レンズ部３の直下とは別の場所であらかじめ行うことにより、高さセンサ部の形状・配置に制限がなく、また、真空中で使用する必要もないので、発熱などの制限が緩和され、よって、高精度の高さセンサ部を用いることができる。したがって、試料１０１の反射率、傾きやあらかじめ形成されているパターンの境界によって、高さ測定の誤差が大きくなることなく、高精度に試料の高さを測定することができる。その結果、荷電粒子ビーム１Ａを精度良く試料表面に収束できるので、微細で高精度なパターンを再現性良く形成することができる。
【００４４】
また、従来例に類似した光てこ型の高さセンサを用いる場合にも、前記のような制限が緩和されるため、高さセンサ部の種々の調整が容易であり、よって、誤差の少ない高さ測定が可能となる。
【００４５】
さらに、荷電粒子ビーム１Ａを収束させる収束レンズ部３と試料１０１との間に、高さ測定のための光路を必ずしも設ける必要がなく、収束レンズ部３と試料１０１との間の距離を近づけることができるため、荷電粒子ビーム１Ａの収束位置におけるビームの大きさを、より小さくすることができる。よって、より微細なパターン形成が可能となる。
【００４６】
［参考例］
つぎに、参考例について説明する。
【００４７】
［参考例１］
本参考例による電子ビーム描画装置を図３に示す。図３の電子ビーム描画装置は、電子ビーム源部１１、偏向部１２、収束レンズ部１３、レーザ干渉計１４、およびステージ部１５を備えている。
【００４８】
偏向部１２は、電子ビーム源部１１からの電子ビーム１１Ａを偏向させ、収束レンズ部１３は、電子ビーム１１Ａを収束させる。レーザ干渉計１４は、試料１０１の表面の高さを測定する。ステージ部１５は、電子ビーム１１Ａを照射する対象である試料１０１を保持・移動する。
【００４９】
本参考例では、高さセンサ部としてレーザ干渉計１４を用い、レーザ干渉計１４が試料１０１の表面の高さを測定する。レーザ干渉計１４は、収束レンズ部１３のすぐ側に配置されている。試料１０１の高さを測定するための、レーザ干渉計１４から照射されるレーザ光は、真空装置（図示を省略）の窓を通して試料１０１に照射されれば十分である。このために、レーザ干渉計１４が真空中にある必要はない。市販されているレーザ干渉計１４は、０.１μm以下の精度で試料１０１表面の高さを測定することができ、しかも、許容の範囲内であれば、試料１０１の傾きや反射率にも依存しない。
【００５０】
試料１０１は、ステージ部１５によりレーザ干渉計１４直下と描画位置との間を移動する。レーザ干渉計１４が収束レンズ部１３のすぐ側に配置されているので、移動の再現性が高く、移動時の試料１０１の傾きの変化も非常に小さい。
【００５１】
実際、電子ビーム１１Ａの開き角が３mradの条件で、レーザ干渉計１４で測定した試料１０１内の高さ分布を用いて、あらかじめ測定しておいた高さの変位値を加えただけで、描画実験を行った。収束レンズ部１３の作用を高さ換算で０.５μmずつ変化させて描画したパターンからは、試料１０１内の各点で±０.５μm以内の高さの誤差で電子ビーム１１Ａが収束できていることが分かった。
【００５２】
このように、電子ビーム１１Ａで描画する位置から、高い精度で試料１０１を移動させた状態で、試料１０１の高さを測定することにより、あらかじめ予備試料を用いて、移動による予備試料のずれを測定することなしに、また、高い再現性で、高精度の高さ測定をすることができる。
【００５３】
［参考例２］
本参考例による電子ビーム描画装置を図４に示す。図４の電子ビーム描画装置は、電子ビーム源部２１、偏向部２２、収束レンズ部２３、センサ部２４、ステージ部２５、および試料ホルダ２６を備えている。電子ビーム源部２１、偏向部２２、収束レンズ部２３、およびステージ部２５は、図３の電子ビーム源部１１、偏向部１２、収束レンズ部１３、およびステージ部１５と同様である。
【００５４】
試料ホルダ２６は、試料１０１を保持する。ステージ部２５は、試料１０１を動かないように保持した試料ホルダ２６を保持・移動する。高さセンサ部２４は、試料１０１に対して電子ビーム２１Ａを照射する位置（ステージ部２５の位置）とは異なる所にあり、この位置で試料ホルダ２６の試料１０１の表面の高さを測定する。
【００５５】
高さセンサ部２４の全体は大気中にある。高さセンサ部２４は、光源部２４Ａ、検出部２４Ｂ、顕微鏡２４Ｃ、およびステージ部２４Ｄを備えている。さらに、図５に示すように、光源部２４Ａは、光源２４Ａ１とレンズ２４Ａ２とを備えている。また、検出部２４Ｂは、レンズ２４Ｂ１、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３、減算器２４Ｂ４、加算器２４Ｂ５、比較器２４Ｂ６、除算器２４Ｂ７、および表示部２４Ｂ８を備えている。本実施例では、試料１０１から反射した光の強度を一定にする調整手段を備え、この調整手段は、レンズ２４Ｂ１、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３、加算器２４Ｂ５、および比較器２４Ｂ６で構成される。
【００５６】
光源部２４Ａの光源２４Ａ１およびレンズ２４Ａ２は、図９のレーザ発信器２０４Ａおよびレンズ２０４Ｂと同様である。また、検出部２４Ｂのレンズ２４Ｂ１、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３、減算器２４Ｂ４、加算器２４Ｂ５、および除算器２４Ｂ７は、図９のレンズ２０４Ｃ、光検出器２０４Ｄ、２０４Ｅ、減算器２０４Ｇ、加算器２０４Ｆ、および除算器２０４Ｈと同様である。
【００５７】
顕微鏡２４Ｃは、試料１０１の表面を観察するために用いられる。試料ホルダ２６は、凹部分２６Ａに試料１０１を保持し、ステージ部２５上および高さセンサ部２４内のステージ部２４Ｄ上で、試料１０１と一体となって移動する。また図４および図５中には示していないが、試料ホルダ２６は、試料１０１の高さおよび傾きを微調整できる機構を備えている。
【００５８】
除算器２４Ｂ７は、除算の結果を表示部２４Ｂ８に出力し、表示部２４Ｂ８はその結果を表示する。加算器２４Ｂ５は加算の結果を比較器２４Ｂ６にも出力する。比較器２４Ｂ６は加算器２４Ｂ５から入力した加算の結果を、あらかじめ設定された定数と比較し、その差の信号を光源２４Ａ１へ出力する。光源２４Ａ１は、比較器２４Ｂ６から入力した信号に応じて、照射する光２４Ａ１１の量を変化させる。
【００５９】
高さセンサ部２４をこのような構成とすることで、試料１０１表面の光２４Ａ１１の反射率が試料１０１内の位置に依存して変化しても、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３に入射する光２４Ａ１１の総量は一定となる。よって、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３のゼロ点にオフセットがあっても、先の（４）式で示した高さ測定の結果の値から、試料１０１の反射率に依存せず、高精度に試料１０１表面の高さを測定することが可能となる。
【００６０】
高さセンサ部２４が大気中にあり、レンズ２４Ａ２、および光２４Ａ１１を照射・検出するその他の部品（光源２４Ａ１、レンズ２４Ｂ１、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３）の位置を調整することも容易である。このため、光２４Ａ１１の焦点位置が試料１０１表面の高さとなるような、理想的な配置となるように、この焦点位置をあらかじめ調整しておくことが容易である。また、高さ測定時に試料１０１および試料ホルダ２６が大気中にあり、高さ測定の結果に応じて、試料１０１の傾きをなるべく水平になるように修正することが容易にできる。よって、試料１０１の傾きが小さく、かつ、光２４Ａ１１の焦点位置と試料１０１表面の高さが大きくずれることがないので、高さ測定の誤差を小さく抑えることが可能となる。
【００６１】
さらに、高さ測定をする際に、測定する試料１０１上の場所を顕微鏡２４Ｃで観察することができるため、あらかじめ形成されている反射率の異なるパターンの境界部分を避けることができる。よって、高さ測定をする光２４Ａ１１が、あらかじめ形成されている試料１０１表面のパターンの境界に偶然かかることにより、高さ測定の誤差が大きくなることを防ぐことができる。
【００６２】
次に実施例１によって本発明を詳細に説明する。
［実施例１］
本実施例による電子ビーム描画装置を図６に示す。図６の電子ビーム描画装置は、電子ビーム源部３１、偏向部３２、収束レンズ部３３、高さセンサ部３４、３８、ステージ部３５、試料ホルダ３６、および標準高さマーク３７Ａ、３７Ｂを備えている。電子ビーム源部３１、偏向部３２、収束レンズ部３３、およびステージ部３５は、図３の電子ビーム源部１１、偏向部１２、収束レンズ部１３、およびステージ部１５と同様である。また、標準高さマーク３７Ａ、３７Ｂは、図９の標準高さマーク２０６Ａ、２０６Ｂと同様である。
【００６３】
ステージ部３５は、試料１０１を動かないように保持した試料ホルダ３６を保持する。高さマーク３６Ｂは試料ホルダ３６に取りつけられている。ステージ部３５は試料ホルダ３６を保持・移動する。高さセンサ部３４は、光てこ型の高さセンサ部であり、光源部３４Ａと検出部３４Ｂとを備えている。高さセンサ部３４は、試料１０１が電子ビーム３１Ａに照射される場所にある状態で、試料１０１表面の高さを測定する。
【００６４】
高さセンサ部３４は、従来例の高さセンサ部２０４（図８）に類似の構成であり、類似の作用をする。しかし、高さセンサ部３４は、高さの測定結果を収束レンズ部３３へ出力はしない。
【００６５】
高さセンサ部３８は、試料１０１が別の場所にある状態で、試料１０１の表面の高さを測定する。高さセンサ部３８は、レーザ顕微鏡３８Ａとステージ部３８Ｂとを備えている。ステージ部３８Ｂは、図４のステージ部２４Ｄと同様である。
【００６６】
レーザ顕微鏡３８Ａは高精度に試料１０１の高さを測定する。ステージ部３８Ｂは試料ホルダ３６を保持・移動するステージである。図７は、凹部分３６Ａに試料１０１を保持した試料ホルダ３６を、上面から見た模式図であって、高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄは、試料ホルダ３６に取り付けられている。
【００６７】
レーザ顕微鏡３８Ａは、試料１０１と高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄの高さを０.１μm以下の高精度で測定する。レーザ顕微鏡３８Ａは、試料１０１等の表面の反射率や傾きに無関係に、試料１０１と高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄの高さとを測定することが可能である。
【００６８】
高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄは、標準高さマーク３７Ａ、３７Ｂと同じ材料で作られており、高さセンサ部３４が照射する光３４Ａ１に対する反射率も同じである。また、高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄおよび標準高さマーク３７Ａ、３７Ｂは、傾きが十分小さくなるように調整されている。
【００６９】
次に、高さセンサ部３８で測定した試料１０１の高さ分布を用いて、電子ビーム描画を行う際に収束レンズ部３３の作用の量を調整する方法を説明する。まず、高さセンサ部３８で、試料１０１の高さ分布および高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄの所定の位置の高さを測定する。
【００７０】
次に、試料１０１と高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄを試料ホルダ３６ごとステージ部３５へ移動する。高さセンサ部３４で、高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄの所定の位置の高さを測定する。高さセンサ部３８および高さセンサ部３４で測定した各高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄの高さの測定結果から、試料１０１および試料ホルダ３６を、高さセンサ部３８のステージ部３８Ｂからステージ部３５へ移動した際の、高さと傾きとの変化が導かれる。
【００７１】
本発明の実施の参考形態の中で図２を用いて説明した、試料１０１移動時の高さと傾きの変化の較正が、これでできたことになる。よって、高さセンサ部３８で測定した試料１０１の高さ分布から、ステージ部３５上での試料１０１の高さ分布が導出できる。この高さ分布に合わせて、収束レンズ部３３の作用の量を調整することで、試料１０１表面で高精度に電子ビーム３１Ａを収束できる。
【００７２】
光てこ型の高さセンサ部３４は、従来例で説明したような、高さ測定における誤差を含む結果を示す。しかし、光３４Ａ１に対する反射率が等しく、傾きが十分小さく、かつ反射率の異なるパターンの境界上でない場合には、その相対的測定の誤差は０.１μm程度と十分小さい。
【００７３】
本実施例の場合、高さセンサ部３８のステージ部３８Ｂとステージ部３５は、一体のものとして形成されているわけではないので、試料ホルダ３６を高さセンサ部３８からステージ部３５上へ移動した際の、高さの変位や傾きの変化は、必ずしも一定とはならず、毎回ある程度異なっている可能性がある。しかし、上述の様に、試料ホルダ３６に高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄを取り付け、その高さを測定することにより、高さセンサ部３８からステージ部３５へ試料ホルダ３６を移動した際の、高さの変位や傾きの変化をその都度正確に測定することが可能となった。
【００７４】
実際、電子ビーム３１Ａの開き角が３mradの条件で、既に反射率の異なるパターンが形成されている試料１０１について、上述の方法でステージ部３５上での高さ分布を求め、描画実験を行った。収束レンズ部３３の作用を高さ換算で０.５μmずつ変化させて描画したパターンからは、試料１０１内の各点で±０.５μm以内の高さの誤差で、電子ビーム３１Ａが収束できていることが分かった。
【００７５】
なお、以上に挙げた本発明の実施例は、本発明により考え得る実施例の一部であり、荷電粒子ビーム描画装置に関する既存の方法や、高さ測定に関する既存の方法、さらに高さ測定と描画に関する既存のアルゴリズムの組み合わせにより、本発明は多数の実施様態を取り得るものである。具体的な組み合わせの方法は、求められる精度や処理時間、また描画の目的に応じて、最適なものを選択するべきであるが、適切な組み合わせにより同様の効果が得られるものである。
【００７６】
前記の実施例では、試料１０１表面の高さを測定する高さセンサとして、レーザ干渉計、光てこ型高さセンサ、およびレーザ顕微鏡を用いる例を示したが、電気容量センサや、原子間力顕微鏡、接触センサなど、その他の高さやギャップを測定できる測定器を用いてもよい。
【００７７】
レーザ干渉計は精度が高いが、測定位置を同時に顕微鏡観察するのが多少難しくかつ高価である。光てこ型高さセンサは顕微鏡で測定位置を観察しやすいが、十分な精度を出すための調整が難しい。レーザ顕微鏡は測定位置を観察できるが、機構が複雑で高価である。電気容量センサは精度が高いが、試料の電気的性質に制限がある。原子間力顕微鏡は精度が高く測定位置を観察しやすいが、測定に時間がかかる。接触センサは安価で顕微鏡観察しやすいが、試料表面のレジストが変形する。各高さ測定の手法によって、このような利点、欠点があるが、目的に応じて適切な方法を用いることで、同様の効果が得られる。
【００７８】
また、前記の実施例では、何れも高精度の高さセンサが大気中にある例を示した。これにより、高さセンサの調整が容易にでき、高い精度を保ち易いという利点があるが、高精度の高さセンサが真空中にあってもよいことは言うまでもない。荷電粒子ビーム描画装置と一体となる高精度の高さセンサを真空中に設置することで、温度変化による試料の高さ変化を容易に抑えられること、真空引きの際に振動などで試料の高さが変動する恐れがないことなどの利点がある。
【００７９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明においては、荷電粒子ビームを収束させる収束レンズ部の直下とは異なる場所で、試料表面の高さを測定することにより、また、光てこ型の高さセンサ部を用いた場合に、試料から反射した光の強度が一定になるように、試料に照射する光の強度を調整することにより、高い精度で高さ測定を行うことができるようになる。よって、試料表面に荷電粒子ビームを正確に収束させ、その結果、高精度で微細な荷電粒子ビーム描画が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の参考形態を説明するための荷電粒子ビーム描画装置を示す模式図である。
【図２】 実施の参考形態を説明するための、試料移動時の高さと傾きの変化を較正する方法を説明する概念図である。
【図３】 参考例１を示す電子ビーム描画装置の模式図である。
【図４】 参考例２を示す電子ビーム描画装置の模式図である。
【図５】 参考例２の高さセンサ部を詳細に示す模式図である。
【図６】 本発明の実施例１を示す電子ビーム描画装置の模式図である。
【図７】 実施例１の試料ホルダを上面から見た模式図である。
【図８】 従来の荷電粒子ビーム描画装置を示す模式図である。
【図９】 従来の荷電粒子ビーム描画装置における高さを測定する作用を説明するための、高さセンサ部を詳細に示す模式図である。
【図１０】 従来の荷電粒子ビーム描画装置において、高さセンサ部が高さを測定する方法を説明するための説明図である。
【図１１】 従来の荷電粒子ビーム描画において、試料が傾いている場合の高さセンサ部の作用およびその課題点を説明するための説明図である。
【図１２】 従来の荷電粒子ビーム描画において、試料表面にパターンが既に形成されている場合の高さセンサ部の作用およびその課題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 荷電粒子ビーム源部
１Ａ 荷電粒子ビーム
２ 偏向部
３ 収束レンズ部
４ 高さセンサ部
５ ステージ部
１１ 電子ビーム源部
１１Ａ 電子ビーム
１２ 偏向部
１３ 収束レンズ部
１４ レーザ干渉計
１５ ステージ部
２１ 電子ビーム源部
２１Ａ 電子ビーム
２２ 偏向部
２３ 収束レンズ
２４ 高さセンサ部
２４Ａ 光源部
２４Ａ１ 光源
２４Ａ２ レンズ
２４Ａ１１ 光
２４Ｂ 検出部
２４Ｂ１ レンズ
２４Ｂ２、２４Ｂ３ 光検出器
２４Ｂ４ 減算器
２４Ｂ５ 加算器
２４Ｂ６ 比較器
２４Ｂ７ 除算器
２４Ｂ８ 表示部
２４Ｃ 顕微鏡
２４Ｄ、２５ ステージ部
２６ 試料ホルダ
２６Ａ 凹部分
３１ 電子ビーム源部
３１Ａ 電子ビーム
３２ 偏向部
３３ 収束レンズ部
３４ 高さセンサ部
３４Ａ 光源部
３４Ａ１ 光
３４Ｂ 検出部
３５、３８Ｂ ステージ部
３６ 試料ホルダ
３６Ａ 凹部分
３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄ 高さマーク
３７Ａ、３７Ｂ 標準高さマーク
３８ 高さセンサ部
３８Ａ レーザ顕微鏡
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームやイオンビーム等を用いた荷電粒子ビーム描画装置およびそれを用いた描画方法の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビームやイオンビーム等を用いた荷電粒子ビーム描画装置は、半導体素子など様々な素子を作製するために、各種基板の上に所望の微細パターンを形成することを目的として、広く用いられている。特に、数ナノメータから数十ナノメータの大きさの任意のパターンを形成する適当な手段が他にないため、電子ビームをなるべく小さいスポットに収束させて描画を行うポイントビーム型電子ビーム描画装置は、ナノメータサイズの構造を有するデバイスを作製することを目的に、重要視されている技術である。
【０００３】
形成する微細パターンの大きさや位置の精度を高く保つためには、照射する荷電粒子ビームを試料（基板）表面で精度良く収束または結像させることが重要である。そのために、荷電粒子ビームが進行・収束する方向についての試料表面の位置（高さ）を高精度に測定することが重要である。
【０００４】
市販されている荷電粒子ビーム描画装置の多くについては、試料表面で荷電粒子ビームが収束する角度が、数mradから十mrad程度である。また、ポイントビーム型の荷電粒子ビームでは、収束位置からの高さのずれに応じて荷電粒子ビームの径が大きくなり、その径の増大分Δｄは概ね高さのずれΔｈおよび前記のビームの収束角αを用いて、
【０００５】
しかし、実際に荷電粒子ビーム描画装置で用いられている高さセンサは、１μm程度かそれ以上の誤差がある。その理由は、以下に詳しく述べるが、簡単にいうと、光てこ型の高さセンサを用いた際に、高さ測定用の光に対する試料の反射率が低かったり、試料に既に形成されているパターンに反射率のばらつきがあったり、光の収束位置が、想定されている条件からずれていたり、試料が傾いていたりすることが誤差の原因となる。また、荷電粒子ビームを収束させる収束レンズ部との兼ね合いで、高さセンサの配置が制限され、十分な性能の高さセンサが使用できないことも、十分な精度で試料の高さ測定ができない理由である。
【０００６】
従来の荷電粒子ビーム描画装置の大まかな構成と動作は、例えば、電子・イオンビームハンドブック第３版（日本学術振興会第１３２委員会編、日刊工業新聞社刊、１９９８年）５１９頁から５４７頁に説明されている。従来の試料表面の高さ測定を行う部分の構成と作用を分かりやすく説明するために、以下に従来の荷電粒子ビーム描画装置の例の構成と動作を示す。
【０００７】
従来の荷電粒子ビーム描画装置の構成と作用の例を、図８を用いて説明する。図８は、従来の荷電粒子ビーム描画装置の構成の例を示した図である。図８の２０１は荷電粒子ビーム源部、２０２は荷電粒子ビーム２０１Ａを偏向させる偏向部、２０３は荷電粒子ビーム２０１Ａを収束させる収束レンズ部、２０４は試料３０１の表面の高さ（荷電粒子ビームが進行する方向または試料３０１の表面に垂直な方向に沿った位置）を測定する光てこ型の高さセンサ部、２０５は試料３０１を保持・移動するステージ部である。なお、２０１Ａは荷電粒子ビーム、２０４Ａ１は試料３０１の高さを測定するために高さセンサ部２０４から試料３０１に照射される光である。
【０００８】
また、高さセンサ部２０４の詳細を図９に示す。図９は高さセンサ部２０４の構成、および試料３０１の高さを測定する作用を説明するための図である。図９の２０４Ａはレーザ発信器、２０４Ｂおよび２０４Ｃはレンズ、２０４Ｄおよび２０４Ｅは光検出器、２０４Ｆは加算器、２０４Ｇは減算器、２０４Ｈは除算器、２０４Ｉはアンプである。２０６Ａおよび２０６Ｂはステージ部２０５に取り付けられている標準高さマークである。
【０００９】
次に、荷電粒子ビーム描画装置の動作を説明する。荷電粒子ビーム源部２０１は荷電粒子ビーム２０１Ａを発生する。荷電粒子ビーム２０１Ａは、ステージ部２０５に向かって進行していくが、収束レンズ部２０３の作用により試料３０１の表面付近で収束する。また、荷電粒子ビーム２０１Ａは、偏向部２０２の作用により偏向され、試料３０１の表面上のレジスト（荷電粒子ビーム感光剤）に所望のパターンが形成されるように照射される。この際、荷電粒子ビーム２０１Ａが試料３０１の表面で正確に収束するように、高さセンサ部２０４は、照射領域付近に光２０４Ａ１をあらかじめ照射し、その反射光を検出することにより、試料３０１の表面の高さを測定する。測定された高さに応じて、収束レンズ部２０３の作用を調節することにより、荷電粒子ビーム２０１Ａは試料３０１の表面で正確に収束する。
【００１０】
次に、標準高さマーク２０６Ａと標準高さマーク２０６Ｂとの各々の高さにおける、高さセンサ部２０４による高さ測定の結果と、収束レンズ部２０３の作用による荷電粒子ビーム２０１Ａの収束との様子から、高さセンサ部２０４による高さ測定と収束レンズ部２０３の作用との関係を較正する方法を、図９を用いて説明する。高さセンサ部２０４の構成および高さを測定する作用と方法とは次の節で説明する。
【００１１】
高さセンサ部２０４による高さ測定と収束レンズ部２０３の作用との関係の較正は、実際に荷電粒子ビーム２０１Ａで試料３０１に描画する前に行う必要がある。ステージ部２０５に取りつけられた２つの標準高さマーク２０６Ａ、２０６Ｂは、−定の高さの差がある。ステージ部２０５を動作させることで、荷電粒子ビーム２０１Ａが照射される位置（高さ測定が行われる位置にほとんど等しい）に、標準高さマーク２０６Ａ、２０６Ｂの各々を簡単に移動できる。その状態で、標準高さマーク２０６Ａおよび２０６Ｂの高さを高さセンサ部２０４で測定し、かつ、反射電子像等を観察することにより、標準高さマーク２０６Ａおよび２０６Ｂに荷電粒子ビームが収束するように、収束レンズ部２０３の作用を各々調整する。
【００１２】
このとき、２つの標準高さマーク２０６Ａと２０６Ｂにおける、高さセンサ部２０４の測定結果および収束レンズ部２０３の作用の量から、高さセンサ部２０４による高さ測定の結果と、収束レンズ部２０３の収束の作用との絶対的関係および関係の係数が得られる。この係数は、次に説明するように、実際に高さ測定の結果から、試料３０１表面に荷電粒子ビーム２０１Ａを収束する作用の量を決める際に、用いられる。
【００１３】
次に、高さセンサ部２０４の構成、および高さセンサ部２０４が試料３０１の表面に光２０４Ａ１を照射して、試料３０１表面の高さを測定する作用と、さらに、その結果を用いて、収束レンズ部２０３の作用を調整する方法とを、引き続き図９を用いて説明する。
【００１４】
レーザ発信器２０４Ａはレーザ光２０４Ａ１を発信し、このレーザ光２０４Ａ１はレンズ２０４Ｂの作用により試料３０１の表面付近で収束する。さらに、この光２０４Ａ１は、試料３０１の表面で反射し、レンズ２０４Ｃに入射する。その後、光２０４Ａ１は、レンズ２０４Ｃの作用により収束し、光検出器２０４Ｄおよび２０４Ｅに入射する。
【００１５】
試料３０１の表面の高さが、点線３０１Ａ、３０１Ｂで示したように、上側または下側へ（通常、十μmから百μm程度以下）ずれた場合、光２０４Ａ１の光路は、点線または鎖線で示したようにずれる。光路のずれ方の詳細は後の節で説明する。よって、光検出器２０４Ｄおよび２０４Ｅに入射する光２０４Ａ１の強度が変化するため、これらの光２０４Ａ１の強度を試料３０１表面の高さに関連づけ、試料３０１表面の高さを測定できることになる。
【００１６】
具体的には、光検出器２０４Ｄおよび２０４Ｅは、各々入射した光２０４Ａ１の強度の信号を、加算器２０４Ｆおよび減算器２０４Ｇに出力する。加算器２０４Ｆおよび減算器２０４Ｇは、光検出器２０４Ｄと２０４Ｅから入力した信号を各々加算および減算し、結果の信号を除算器２０４Ｈに出力する。除算器２０４Ｈは、減算器２０４Ｇおよび加算器２０４Ｆから入力した信号の除算を行い、結果の信号をアンプ２０４Ｉに出力する。アンプ２０４Ｉは、除算器２０４Ｈから入力した信号を適切に拡大して、収束レンズ部２０３に出力する。
【００１７】
アンプ２０４Ｉから入力した信号に応じて、収束レンズ部２０３が荷電粒子ビーム２０１Ａを収束する作用を変化させることにより、荷電粒子ビーム２０１Ａは試料３０１表面の高さでちょうど収束する。つまり、光検出器２０４Ｄに入射した光２０４Ａ１の強度をＡとし、光検出器２０４Ｅに入射した光２０４Ａ１の強度をＢとする。また、前記の標準高さマーク２０６Ａを用いた調整の際に得られた光検出器２０４Ｄに入射した光２０４Ａ１の強度をＡ０とし、前記の標準高さマーク２０６Ａを用いた調整の際に得られた光検出器２０４Ｅに入射した光２０４Ａ１の強度をＢ０とする。さらに、前記の標準高さマーク２０６Ａを用いた調整の際の、収束レンズ部２０３の作用の量をＩ０とする。収束レンズ部２０３の作用の量を、
【００１８】
次に、試料３０１の高さに依存して光２０４Ａ１の光路がどのようにずれるかの詳細を、図１０で説明する。図１０で示すように、試料３０１が実線で示した状態で、試料３０１に入射する光２０４Ａ１が試料３０１表面上のF０で示した点で焦点を結んでいるとする。試料３０１表面がより高い場合（図１０のＨで示した位置）および低い場合（図１０のＬで示した位置）には、光２０４Ａ１の焦点位置は、試料３０１表面がこれらの光路に対して鏡となることを考えると、各々ＦＨ点およびＦＬ点に像としてあることがわかる。つまり、光２０４Ａ１の焦点位置は、ａ−ａ’の直線上にあり、試料３０１の高さに単調に依存している。
【００１９】
レンズ２０４Ｃは、ａ−ａ’上の光２０４Ａ１の焦点をｂ−ｂ’上の直線上に結像する。そこに２つの光検出器２０４Ｄと２０４Ｅとが配置されている。ｂ−ｂ’上のどこに光２０４Ａ１の焦点が結像されているかが、２つの光検出器２０４Ｄと２０４Ｅとに入射する光２０４Ａ１の強度として測定できる。ｂ−ｂ’上での光２０４Ａ１のスポットの大きさに比べて、変位が小さければ、２つの光検出器２０４Ｄと２０４Ｅとの検出量の差は、試料３０１表面の基準からの高さの差に比例することになる。
【００２０】
さて、荷電粒子ビーム描画装置で描画を行う対象となる試料３０１には、目的に応じて様々なものがある。さらに、レジストなど試料３０１表面の薄膜の構成は、多種多様である。その結果、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１に対する試料３０１表面の反射率は、試料３０１表面の薄膜の種類や厚さに応じて大きく変化する。よって、従来例では上記（２）式に示したように、２つの光検出器２０４Ｄと２０４Ｅとの信号の差を、これらの信号の和で規格化することにより、試料３０１表面の反射率に関わらず、試料３０１表面の高さを測定している。
【００２１】
しかし、標準高さマーク２０６Ａ表面と標準高さマーク２０６Ｂ表面とでの光の反射率と、試料３０１表面の反射率とが大きく異なる場合や、反射率が非常に小さい試料３０１の場合には、収束レンズ部２０３の正確な調整ができなくなってくる。なぜなら、光検出器２０４Ｄ、２０４Ｅのゼロ点には多少なりともオフセットがあり、（２）式は正確に、
【００２２】
また、他の従来例では、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１を単一波長のレーザ光ではなく、白色光としているものもある。この場合、試料３０１表面のレジスト等の薄膜の厚さに応じた干渉の影響を少なくすることができる。このために、多くの場合、レジスト等の薄膜の厚さに関わらず、ある程度以上の反射率を得ることができる。それにも関わらず、試料３０１表面の材料や表面の微細な粗さによって、反射率が低い場合がある。その場合には、前記の誤差が大きくなる問題がある。
【００２３】
次に、試料３０１の傾きによって生じる高さ測定の誤差について、図１１を用いて説明する。図１１は、試料３０１が傾いている場合の、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１の光路を示した図であり、図１１の記号は図１０と同様である。
【００２４】
荷電粒子ビーム２０１Ａを用いた描画の対象である試料３０１によっては、半導体加工プロセス等によって試料３０１にたわみが生じていたり、試料３０１を保持するステージ部２０５の部品の精度等により、試料３０１表面が水平（あるいは高さセンサ部２０４が想定している試料面）から傾く場合がある。実際、半導体加工プロセスの種類によっては、数mrad程度の傾きとなる場合がある。また、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１は、理想的には試料３０１表面に収束する様に設計されている。しかし、図１１に示したように、焦点位置がずれる場合がある。実際、１mm程度のずれが発生する場合がある。図１１では、試料３０１に光２０４Ａ１を入射するレンズ２０４Ｂの位置ずれなどにより、焦点位置がずれる様子が示されている。反射した光２０４Ａ１を集光するレンズ２０４Ｃ等の位置ずれも同様に起こる場合がある。
【００２５】
さて、試料３０１の傾きに依存して光２０４Ａ１の光路がどのようにずれるかの詳細を説明する。図１１に示したように、試料３０１に入射する光２０４Ａ１が試料３０１表面で反射する部分の高さが変わらなくても、試料３０１が傾いていると（図１１のＵ、Ｃで示した方向）、光２０４Ａ１の光路は異なる。光２０４Ａ１の焦点位置が試料３０１表面から離れていると、この焦点の鏡像の位置は試料３０１の傾きに依存して、ＦＯ、ＦＣ、ＦＵなど直線ｃ−ｃ’上の異なった位置となる。これらの焦点は、レンズ２０４Ｃによって、ｄ−ｄ’の直線上に結像するため、高さセンサ部２０４の高さの測定としては誤差を含んだものとなってしまう。
【００２６】
このように、試料３０１表面の傾きおよび焦点位置のずれによって、高さセンサ部２０４が測定する高さに誤差が生じる。試料３０１表面の傾きをθrad、焦点位置の高さ方向のずれをΔＨとすると、高さ測定の誤差はθΔＨ程度となり、最大数μmの誤差となりうる。
【００２７】
次に、試料３０１表面のパターンによって生じる高さ測定の誤差について、図１２を用いて説明する。図１２は、試料３０１表面に光２０４Ａ１に対する反射率の異なるパターンが既に形成されている場合の、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１の光路を示した図であり、図１２中の記号は図９と同様である。
【００２８】
荷電粒子ビーム２０１Ａを用いた描画の対象である試料３０１によっては、半導体加工プロセス等によって、既に試料３０１に各種材料によってパターンが形成されている場合がある。その材料や薄膜の厚さによって、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１に対する反射率が大きく異なる場合がある。また、高さセンサ部２０４が照射する光２０４Ａ１は、試料３０１表面付近で焦点を結ぶが、光源の大きさやレンズ２０４Ｂの収差などにより、有限の大きさのスポットとなる。図１２で示したように、光２０４Ａ１のスポットが、これらの反射率の大きく異なるパターンの境界部分に照射された場合、光２０４Ａ１の焦点は、ｅ側にずれたような強度分布となる。ｅ−ｅ’の直線上の点はレンズ２０４Ｃによってｆ−ｆ’の直線上に結像する。このとき、ｅ側にずれた光２０４Ａ１（ハッチングで示した部分）の焦点はｆ側にずれて結像するため、測定される高さに誤差が生じる。その誤差は、最大、試料３０１表面での光２０４Ａ１のスポット径の数分の一程度となり、実際数十μm程度の誤差となりうる。
【００２９】
前記のような試料３０１の高さ測定の問題の原因のひとつとして、試料３０１に荷電粒子ビーム２０１Ａを照射できる状態で、照射される箇所の高さ測定を行っているという点がある。つまり、この状態では、収束レンズ部２０３が試料３０１に非常に接近しているため、試料３０１の高さ測定をする機構が大きく制限されてしまう。荷電粒子ビーム２０１Ａを試料３０１表面でなるべく小さく収束させるには、収束レンズ部２０３をなるべく試料３０１表面に近づけることが有効である。しかし、試料３０１直上に大きな体積を持つ収束レンズ部２０３を配置するため、その状態で試料３０１の高さを測定する高さセンサ部の種類や性能が限られてしまうからである。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の荷電粒子ビーム描画装置では、荷電粒子ビーム２０１Ａを試料３０１表面で精度良く収束させるために不可欠な測定である、試料３０１表面の高さ測定が、十分な精度で行えないという問題があった。高さセンサ部２０４が行う試料３０１の高さ測定の精度が落ちる理由としては、
Ｉ．高さ測定用の光２０４Ａ１に対する試料３０１の反射率が低かったり、標準高さマーク２０６Ａと２０６Ｂとの反射率と大きく異なること、
II．試料３０１の傾きと高さ測定用の光２０４Ａ１の収束位置が、想定されている条件からずれていること、
III．高さ測定用の光２０４Ａ１が、既に形成された反射率の異なるパターンの境界部分に照射されること、
IV．収束レンズ部２０３との兼ね合いで高さセンサ部２０４の配置が制限され、十分な性能の高さセンサ部が使用できないこと、
がある。
【００３１】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、試料の高さを十分な精度で測定することにより、荷電粒子ビームを高い精度で試料の表面に収束させる、荷電粒子ビーム描画装置およびそれを用いた描画方法を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、荷電粒子ビームを発生・照射する荷電粒子ビーム源部と、前記荷電粒子ビームを照射する対象である試料の高さに前記荷電粒子ビームを収束する収束レンズ部と、前記荷電粒子ビームを偏向させる偏向部と、前記試料を保持・移動するステージ部とからなる荷電粒子ビーム描画装置において、高さマークを備えかつ前記試料を保持して前記ステージ部に保持される試料ホルダと、前記試料に対して前記荷電粒子ビームを前記収束レンズ部で収束させて照射する第１の位置で、前記試料ホルダの高さマークの表面の高さを測定する第１の高さセンサ部と、前記試料に対する前記荷電粒子ビームを収束する前記収束レンズ部が試料直上にない、前記第１の位置と異なる第２の位置で、前記試料表面の高さ分布ならびに前記試料ホルダの高さマークの表面の高さを高精度に測定する第２の高さセンサ部とを更に備え、 前記第２の高さセンサ部により前記第２の位置で測定した前記試料の表面の高さ分布に基づいて前記収束レンズ部を制御する際に、前記試料ホルダとともに前記第２の位置から前記第１の位置に移動したときに生じる試料の高さと傾きのずれを、２つの位置における前記高さマークの２つの測定値に基づいて補正し、前記収束レンズ部による収束を調整することを特徴とする荷電粒子ビーム描画装置である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の荷電粒子ビーム描画装置において、前記第２の高さセンサ部を大気中に配置したことを特徴とする。
請求項３の発明は、荷電粒子ビームを発生・照射する荷電粒子ビーム源部と、前記荷電粒子ビームを照射する対象である試料の高さに前記荷電粒子ビームを収束する収束レンズ部と、前記荷電粒子ビームを偏向させる偏向部と、前記試料を保持・移動するステージ部とからなる荷電粒子ビーム描画装置を用いた描画方法において、高さマークを備えかつ前記試料を保持する試料ホルダを、前記荷電粒子ビームを試料に照射する第１の位置および前記第１の位置とは異なり試料直上に収束レンズ部がなく前記試料の表面の高さ分布を高精度に測定できる第２の位置の間を移動させ、第２の位置において前記試料の高さ分布と前記高さマークの高さを測定し、前記試料ホルダを前記第１の位置に移動して前記高さマークの高さを測定し、測定した前記試料の高さ分布に基づいて前記収束レンズ部による収束を制御するに際して、前記試料ホルダの高さマークの２つの位置における２つの測定値に基づいて、前記試料ホルダを前記第２の位置から前記第１の位置に移動したときの試料ホルダの高さと傾きのずれを補正して前記収束レンズ部を調整することを特徴とする、荷電粒子ビーム描画装置を用いた描画方法である。
【００３３】
本発明によれば、高さセンサ部を少なくとも２台備えてある。そして、１台目の高さセンサ部で試料表面の高さ分布を高精度に測定し、１台目の高さセンサ部の場所から荷電粒子ビーム描画を行う位置までの試料の移動に伴う、試料の傾きやオフセットを２台目の高さセンサで測定する。これによって、荷電粒子ビーム描画を行う位置での、試料の高さ分布を高精度に導くことが可能となる。
また、本発明によれば、試料の直上に荷電粒子ビーム用の収束レンズがないので、既に形成された試料上のパターンを顕微鏡などで観察しながら、そのパターンの境界部分を避けて、高さ測定をすることが可能となる。これにより、試料上にパターンが既に形成されている場合でも、高精度で試料の高さ測定を行うことが可能となる。
さらに、荷電粒子ビームを収束させる収束レンズ部と試料との間に、高さ測定のための光の光路を必ずしも設ける必要がなく、収束レンズ部と試料との間の距離を近づけることができる。このため、荷電粒子ビームの収束位置におけるビームの大きさを、より小さくすることができる。よって、より微細なパターン形成が可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。図１は本発明の実施の参考形態を示す荷電粒子ビーム描画装置の模式図である。図１の荷電粒子ビーム描画装置は、荷電粒子ビーム源部１、偏向部２、収束レンズ部３、高さセンサ部４、およびステージ部５を備えている。
【００３５】
荷電粒子ビーム源部１は荷電粒子ビーム１Ａを発生・照射する。偏向部２は荷電粒子ビーム源部１からの荷電粒子ビーム１Ａを偏向させ、収束レンズ部３は荷電粒子ビーム１Ａを収束させる。高さセンサ部４は試料１０１の表面の高さを測定する。ステージ部５は、荷電粒子ビーム１Ａを照射する対象である試料１０１を保持・移動する。
【００３６】
本実施の形態による荷電粒子ビーム描画装置では、図８と図９とで述べたように、荷電粒子ビーム源部１から発生した荷電粒子ビーム１Ａが、収束レンズ部３の作用により試料１０１表面付近で収束する。荷電粒子ビーム１Ａは、偏向部２の作用により偏向され、試料１０１の表面上のレジストに所望のパターンが形成されるように照射される。この際、荷電粒子ビーム１Ａが試料１０１の表面で正確に収束するように、あらかじめ高さセンサ部４の直下に試料１０１がある状態で、試料１０１表面の高さ分布を測定する。
【００３７】
試料１０１に荷電粒子ビーム１Ａで描画を行う前に、高さセンサ部４直下で試料１０１表面の高さ測定を行った状態から、収束レンズ部３直下の荷電粒子ビーム１Ａを照射する場所までステージ部５を動作させるなどして、試料１０１を移動させる必要がある。ステージ部５などの水平移動時の高さや傾きの変動が十分小さいか、また、あらかじめ何らかの方法で、試料１０１移動時の高さと傾きの変化を較正しておくことにより、測定した高さ分布から、荷電粒子ビーム１Ａを照射する際の収束レンズ部３の作用を補正することができる。
【００３８】
試料１０１移動時の高さと傾きとの変化を較正する方法として、予備試料に荷電粒子ビーム描画を行う場合を例として、図２を用いて説明する。試料１０１の代わりに予備試料を用い、高さセンサ部４直下で、予備試料の高さを少なくとも３点以上の多数の位置（図２（ａ）では、メッシュの頂点である９点の測定点）で測定する。このときの測定結果として、メッシュ１０１Ａが高さのマッピングを表す。
【００３９】
この後、荷電粒子ビーム１Ａを照射する場所まで予備試料を移動する。そして、収束レンズ部３の作用を少しずつ変えながら、荷電粒子ビーム１Ａの収束の様子に敏感なパターンを、前記の多数の位置（図２（ａ）では９点の測定点）に描画する。本実施の形態で用いる、収束の様子に敏感なパターンは、隣接する測定点間（数十mmのオーダ）に比べて小さい形状（μmのオーダ）をしている。そして、本実施の形態では、収束の様子に敏感なパターンを、収束レンズ部３の作用の量を変えながら、隣接して複数描画する。こうした描画を予備試料の各測定点に対して行う。同時に、描画した位置と、収束レンズ部３の作用の量との関係を保持して、描画位置と作用量との関係を対応できるようにしておく。
【００４０】
次に、現像などを行い、形成された前記パターンを顕微鏡などで観察・評価して、予備試料上の各位置において、荷電粒子ビーム１Ａが最も収束したパターンを調べる。そして、このパターンに対応する、収束レンズ部３の作用の量から、予備試料の高さを求める。予備試料上の各位置における、高さセンサ部４による高さ測定の結果と、収束レンズ部３の作用による高さ測定の関係を求めることにより、予備試料の移動時の高さのオフセットおよび傾きの変化が測定できる。
【００４１】
図２（ａ）には、予備試料について、高さセンサ部４で高さ測定を行う場所で得られた各位置における高さを基準に、荷電粒子ビーム描画を行う場所で得られた高さの様子の例を示した。図２（ａ）では、メッシュ１０１Ｂが高さのマッピングを表す。この場合、予備試料の移動によって、点線で示された基準（メッシュ１０１Ａ）に対し、多少上側に変位し、かつ、図の右側に傾いているのが分かる。
【００４２】
次に、描画を行う試料１０１について、試料１０１上の多数の位置（または荷電粒子ビーム描画を行う位置）で高さセンサ部４を用いて、図２（ｂ）のメッシュ１０１Ｃに示すように、高さ測定を行う。最後に、荷電粒子ビーム描画を行う場所へ移動する際に、図２（ａ）と同様に、上側に変位しかつ右側に傾くので、試料１０１上の各位置で移動後の高さ（メッシュ１０１Ｄ）を算出し、その値を用いて、収束レンズ部３の作用を調整する。
【００４３】
このように、試料１０１の高さの測定を、収束レンズ部３の直下とは別の場所であらかじめ行うことにより、高さセンサ部の形状・配置に制限がなく、また、真空中で使用する必要もないので、発熱などの制限が緩和され、よって、高精度の高さセンサ部を用いることができる。したがって、試料１０１の反射率、傾きやあらかじめ形成されているパターンの境界によって、高さ測定の誤差が大きくなることなく、高精度に試料の高さを測定することができる。その結果、荷電粒子ビーム１Ａを精度良く試料表面に収束できるので、微細で高精度なパターンを再現性良く形成することができる。
【００４４】
また、従来例に類似した光てこ型の高さセンサを用いる場合にも、前記のような制限が緩和されるため、高さセンサ部の種々の調整が容易であり、よって、誤差の少ない高さ測定が可能となる。
【００４５】
さらに、荷電粒子ビーム１Ａを収束させる収束レンズ部３と試料１０１との間に、高さ測定のための光路を必ずしも設ける必要がなく、収束レンズ部３と試料１０１との間の距離を近づけることができるため、荷電粒子ビーム１Ａの収束位置におけるビームの大きさを、より小さくすることができる。よって、より微細なパターン形成が可能となる。
【００４６】
［参考例］
つぎに、参考例について説明する。
【００４７】
［参考例１］
本参考例による電子ビーム描画装置を図３に示す。図３の電子ビーム描画装置は、電子ビーム源部１１、偏向部１２、収束レンズ部１３、レーザ干渉計１４、およびステージ部１５を備えている。
【００４８】
偏向部１２は、電子ビーム源部１１からの電子ビーム１１Ａを偏向させ、収束レンズ部１３は、電子ビーム１１Ａを収束させる。レーザ干渉計１４は、試料１０１の表面の高さを測定する。ステージ部１５は、電子ビーム１１Ａを照射する対象である試料１０１を保持・移動する。
【００４９】
本参考例では、高さセンサ部としてレーザ干渉計１４を用い、レーザ干渉計１４が試料１０１の表面の高さを測定する。レーザ干渉計１４は、収束レンズ部１３のすぐ側に配置されている。試料１０１の高さを測定するための、レーザ干渉計１４から照射されるレーザ光は、真空装置（図示を省略）の窓を通して試料１０１に照射されれば十分である。このために、レーザ干渉計１４が真空中にある必要はない。市販されているレーザ干渉計１４は、０.１μm以下の精度で試料１０１表面の高さを測定することができ、しかも、許容の範囲内であれば、試料１０１の傾きや反射率にも依存しない。
【００５０】
試料１０１は、ステージ部１５によりレーザ干渉計１４直下と描画位置との間を移動する。レーザ干渉計１４が収束レンズ部１３のすぐ側に配置されているので、移動の再現性が高く、移動時の試料１０１の傾きの変化も非常に小さい。
【００５１】
実際、電子ビーム１１Ａの開き角が３mradの条件で、レーザ干渉計１４で測定した試料１０１内の高さ分布を用いて、あらかじめ測定しておいた高さの変位値を加えただけで、描画実験を行った。収束レンズ部１３の作用を高さ換算で０.５μmずつ変化させて描画したパターンからは、試料１０１内の各点で±０.５μm以内の高さの誤差で電子ビーム１１Ａが収束できていることが分かった。
【００５２】
このように、電子ビーム１１Ａで描画する位置から、高い精度で試料１０１を移動させた状態で、試料１０１の高さを測定することにより、あらかじめ予備試料を用いて、移動による予備試料のずれを測定することなしに、また、高い再現性で、高精度の高さ測定をすることができる。
【００５３】
［参考例２］
本参考例による電子ビーム描画装置を図４に示す。図４の電子ビーム描画装置は、電子ビーム源部２１、偏向部２２、収束レンズ部２３、センサ部２４、ステージ部２５、および試料ホルダ２６を備えている。電子ビーム源部２１、偏向部２２、収束レンズ部２３、およびステージ部２５は、図３の電子ビーム源部１１、偏向部１２、収束レンズ部１３、およびステージ部１５と同様である。
【００５４】
試料ホルダ２６は、試料１０１を保持する。ステージ部２５は、試料１０１を動かないように保持した試料ホルダ２６を保持・移動する。高さセンサ部２４は、試料１０１に対して電子ビーム２１Ａを照射する位置（ステージ部２５の位置）とは異なる所にあり、この位置で試料ホルダ２６の試料１０１の表面の高さを測定する。
【００５５】
高さセンサ部２４の全体は大気中にある。高さセンサ部２４は、光源部２４Ａ、検出部２４Ｂ、顕微鏡２４Ｃ、およびステージ部２４Ｄを備えている。さらに、図５に示すように、光源部２４Ａは、光源２４Ａ１とレンズ２４Ａ２とを備えている。また、検出部２４Ｂは、レンズ２４Ｂ１、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３、減算器２４Ｂ４、加算器２４Ｂ５、比較器２４Ｂ６、除算器２４Ｂ７、および表示部２４Ｂ８を備えている。本実施例では、試料１０１から反射した光の強度を一定にする調整手段を備え、この調整手段は、レンズ２４Ｂ１、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３、加算器２４Ｂ５、および比較器２４Ｂ６で構成される。
【００５６】
光源部２４Ａの光源２４Ａ１およびレンズ２４Ａ２は、図９のレーザ発信器２０４Ａおよびレンズ２０４Ｂと同様である。また、検出部２４Ｂのレンズ２４Ｂ１、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３、減算器２４Ｂ４、加算器２４Ｂ５、および除算器２４Ｂ７は、図９のレンズ２０４Ｃ、光検出器２０４Ｄ、２０４Ｅ、減算器２０４Ｇ、加算器２０４Ｆ、および除算器２０４Ｈと同様である。
【００５７】
顕微鏡２４Ｃは、試料１０１の表面を観察するために用いられる。試料ホルダ２６は、凹部分２６Ａに試料１０１を保持し、ステージ部２５上および高さセンサ部２４内のステージ部２４Ｄ上で、試料１０１と一体となって移動する。また図４および図５中には示していないが、試料ホルダ２６は、試料１０１の高さおよび傾きを微調整できる機構を備えている。
【００５８】
除算器２４Ｂ７は、除算の結果を表示部２４Ｂ８に出力し、表示部２４Ｂ８はその結果を表示する。加算器２４Ｂ５は加算の結果を比較器２４Ｂ６にも出力する。比較器２４Ｂ６は加算器２４Ｂ５から入力した加算の結果を、あらかじめ設定された定数と比較し、その差の信号を光源２４Ａ１へ出力する。光源２４Ａ１は、比較器２４Ｂ６から入力した信号に応じて、照射する光２４Ａ１１の量を変化させる。
【００５９】
高さセンサ部２４をこのような構成とすることで、試料１０１表面の光２４Ａ１１の反射率が試料１０１内の位置に依存して変化しても、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３に入射する光２４Ａ１１の総量は一定となる。よって、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３のゼロ点にオフセットがあっても、先の（４）式で示した高さ測定の結果の値から、試料１０１の反射率に依存せず、高精度に試料１０１表面の高さを測定することが可能となる。
【００６０】
高さセンサ部２４が大気中にあり、レンズ２４Ａ２、および光２４Ａ１１を照射・検出するその他の部品（光源２４Ａ１、レンズ２４Ｂ１、光検出器２４Ｂ２、２４Ｂ３）の位置を調整することも容易である。このため、光２４Ａ１１の焦点位置が試料１０１表面の高さとなるような、理想的な配置となるように、この焦点位置をあらかじめ調整しておくことが容易である。また、高さ測定時に試料１０１および試料ホルダ２６が大気中にあり、高さ測定の結果に応じて、試料１０１の傾きをなるべく水平になるように修正することが容易にできる。よって、試料１０１の傾きが小さく、かつ、光２４Ａ１１の焦点位置と試料１０１表面の高さが大きくずれることがないので、高さ測定の誤差を小さく抑えることが可能となる。
【００６１】
さらに、高さ測定をする際に、測定する試料１０１上の場所を顕微鏡２４Ｃで観察することができるため、あらかじめ形成されている反射率の異なるパターンの境界部分を避けることができる。よって、高さ測定をする光２４Ａ１１が、あらかじめ形成されている試料１０１表面のパターンの境界に偶然かかることにより、高さ測定の誤差が大きくなることを防ぐことができる。
【００６２】
次に実施例１によって本発明を詳細に説明する。
［実施例１］
本実施例による電子ビーム描画装置を図６に示す。図６の電子ビーム描画装置は、電子ビーム源部３１、偏向部３２、収束レンズ部３３、高さセンサ部３４、３８、ステージ部３５、試料ホルダ３６、および標準高さマーク３７Ａ、３７Ｂを備えている。電子ビーム源部３１、偏向部３２、収束レンズ部３３、およびステージ部３５は、図３の電子ビーム源部１１、偏向部１２、収束レンズ部１３、およびステージ部１５と同様である。また、標準高さマーク３７Ａ、３７Ｂは、図９の標準高さマーク２０６Ａ、２０６Ｂと同様である。
【００６３】
ステージ部３５は、試料１０１を動かないように保持した試料ホルダ３６を保持する。高さマーク３６Ｂは試料ホルダ３６に取りつけられている。ステージ部３５は試料ホルダ３６を保持・移動する。高さセンサ部３４は、光てこ型の高さセンサ部であり、光源部３４Ａと検出部３４Ｂとを備えている。高さセンサ部３４は、試料１０１が電子ビーム３１Ａに照射される場所にある状態で、試料１０１表面の高さを測定する。
【００６４】
高さセンサ部３４は、従来例の高さセンサ部２０４（図８）に類似の構成であり、類似の作用をする。しかし、高さセンサ部３４は、高さの測定結果を収束レンズ部３３へ出力はしない。
【００６５】
高さセンサ部３８は、試料１０１が別の場所にある状態で、試料１０１の表面の高さを測定する。高さセンサ部３８は、レーザ顕微鏡３８Ａとステージ部３８Ｂとを備えている。ステージ部３８Ｂは、図４のステージ部２４Ｄと同様である。
【００６６】
レーザ顕微鏡３８Ａは高精度に試料１０１の高さを測定する。ステージ部３８Ｂは試料ホルダ３６を保持・移動するステージである。図７は、凹部分３６Ａに試料１０１を保持した試料ホルダ３６を、上面から見た模式図であって、高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄは、試料ホルダ３６に取り付けられている。
【００６７】
レーザ顕微鏡３８Ａは、試料１０１と高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄの高さを０.１μm以下の高精度で測定する。レーザ顕微鏡３８Ａは、試料１０１等の表面の反射率や傾きに無関係に、試料１０１と高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄの高さとを測定することが可能である。
【００６８】
高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄは、標準高さマーク３７Ａ、３７Ｂと同じ材料で作られており、高さセンサ部３４が照射する光３４Ａ１に対する反射率も同じである。また、高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄおよび標準高さマーク３７Ａ、３７Ｂは、傾きが十分小さくなるように調整されている。
【００６９】
次に、高さセンサ部３８で測定した試料１０１の高さ分布を用いて、電子ビーム描画を行う際に収束レンズ部３３の作用の量を調整する方法を説明する。まず、高さセンサ部３８で、試料１０１の高さ分布および高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄの所定の位置の高さを測定する。
【００７０】
次に、試料１０１と高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄを試料ホルダ３６ごとステージ部３５へ移動する。高さセンサ部３４で、高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄの所定の位置の高さを測定する。高さセンサ部３８および高さセンサ部３４で測定した各高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄの高さの測定結果から、試料１０１および試料ホルダ３６を、高さセンサ部３８のステージ部３８Ｂからステージ部３５へ移動した際の、高さと傾きとの変化が導かれる。
【００７１】
本発明の実施の参考形態の中で図２を用いて説明した、試料１０１移動時の高さと傾きの変化の較正が、これでできたことになる。よって、高さセンサ部３８で測定した試料１０１の高さ分布から、ステージ部３５上での試料１０１の高さ分布が導出できる。この高さ分布に合わせて、収束レンズ部３３の作用の量を調整することで、試料１０１表面で高精度に電子ビーム３１Ａを収束できる。
【００７２】
光てこ型の高さセンサ部３４は、従来例で説明したような、高さ測定における誤差を含む結果を示す。しかし、光３４Ａ１に対する反射率が等しく、傾きが十分小さく、かつ反射率の異なるパターンの境界上でない場合には、その相対的測定の誤差は０.１μm程度と十分小さい。
【００７３】
本実施例の場合、高さセンサ部３８のステージ部３８Ｂとステージ部３５は、一体のものとして形成されているわけではないので、試料ホルダ３６を高さセンサ部３８からステージ部３５上へ移動した際の、高さの変位や傾きの変化は、必ずしも一定とはならず、毎回ある程度異なっている可能性がある。しかし、上述の様に、試料ホルダ３６に高さマーク３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄを取り付け、その高さを測定することにより、高さセンサ部３８からステージ部３５へ試料ホルダ３６を移動した際の、高さの変位や傾きの変化をその都度正確に測定することが可能となった。
【００７４】
実際、電子ビーム３１Ａの開き角が３mradの条件で、既に反射率の異なるパターンが形成されている試料１０１について、上述の方法でステージ部３５上での高さ分布を求め、描画実験を行った。収束レンズ部３３の作用を高さ換算で０.５μmずつ変化させて描画したパターンからは、試料１０１内の各点で±０.５μm以内の高さの誤差で、電子ビーム３１Ａが収束できていることが分かった。
【００７５】
なお、以上に挙げた本発明の実施例は、本発明により考え得る実施例の一部であり、荷電粒子ビーム描画装置に関する既存の方法や、高さ測定に関する既存の方法、さらに高さ測定と描画に関する既存のアルゴリズムの組み合わせにより、本発明は多数の実施様態を取り得るものである。具体的な組み合わせの方法は、求められる精度や処理時間、また描画の目的に応じて、最適なものを選択するべきであるが、適切な組み合わせにより同様の効果が得られるものである。
【００７６】
前記の実施例では、試料１０１表面の高さを測定する高さセンサとして、レーザ干渉計、光てこ型高さセンサ、およびレーザ顕微鏡を用いる例を示したが、電気容量センサや、原子間力顕微鏡、接触センサなど、その他の高さやギャップを測定できる測定器を用いてもよい。
【００７７】
レーザ干渉計は精度が高いが、測定位置を同時に顕微鏡観察するのが多少難しくかつ高価である。光てこ型高さセンサは顕微鏡で測定位置を観察しやすいが、十分な精度を出すための調整が難しい。レーザ顕微鏡は測定位置を観察できるが、機構が複雑で高価である。電気容量センサは精度が高いが、試料の電気的性質に制限がある。原子間力顕微鏡は精度が高く測定位置を観察しやすいが、測定に時間がかかる。接触センサは安価で顕微鏡観察しやすいが、試料表面のレジストが変形する。各高さ測定の手法によって、このような利点、欠点があるが、目的に応じて適切な方法を用いることで、同様の効果が得られる。
【００７８】
また、前記の実施例では、何れも高精度の高さセンサが大気中にある例を示した。これにより、高さセンサの調整が容易にでき、高い精度を保ち易いという利点があるが、高精度の高さセンサが真空中にあってもよいことは言うまでもない。荷電粒子ビーム描画装置と一体となる高精度の高さセンサを真空中に設置することで、温度変化による試料の高さ変化を容易に抑えられること、真空引きの際に振動などで試料の高さが変動する恐れがないことなどの利点がある。
【００７９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明においては、荷電粒子ビームを収束させる収束レンズ部の直下とは異なる場所で、試料表面の高さを測定することにより、また、光てこ型の高さセンサ部を用いた場合に、試料から反射した光の強度が一定になるように、試料に照射する光の強度を調整することにより、高い精度で高さ測定を行うことができるようになる。よって、試料表面に荷電粒子ビームを正確に収束させ、その結果、高精度で微細な荷電粒子ビーム描画が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の参考形態を説明するための荷電粒子ビーム描画装置を示す模式図である。
【図２】 実施の参考形態を説明するための、試料移動時の高さと傾きの変化を較正する方法を説明する概念図である。
【図３】 参考例１を示す電子ビーム描画装置の模式図である。
【図４】 参考例２を示す電子ビーム描画装置の模式図である。
【図５】 参考例２の高さセンサ部を詳細に示す模式図である。
【図６】 本発明の実施例１を示す電子ビーム描画装置の模式図である。
【図７】 実施例１の試料ホルダを上面から見た模式図である。
【図８】 従来の荷電粒子ビーム描画装置を示す模式図である。
【図９】 従来の荷電粒子ビーム描画装置における高さを測定する作用を説明するための、高さセンサ部を詳細に示す模式図である。
【図１０】 従来の荷電粒子ビーム描画装置において、高さセンサ部が高さを測定する方法を説明するための説明図である。
【図１１】 従来の荷電粒子ビーム描画において、試料が傾いている場合の高さセンサ部の作用およびその課題点を説明するための説明図である。
【図１２】 従来の荷電粒子ビーム描画において、試料表面にパターンが既に形成されている場合の高さセンサ部の作用およびその課題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 荷電粒子ビーム源部
１Ａ 荷電粒子ビーム
２ 偏向部
３ 収束レンズ部
４ 高さセンサ部
５ ステージ部
１１ 電子ビーム源部
１１Ａ 電子ビーム
１２ 偏向部
１３ 収束レンズ部
１４ レーザ干渉計
１５ ステージ部
２１ 電子ビーム源部
２１Ａ 電子ビーム
２２ 偏向部
２３ 収束レンズ
２４ 高さセンサ部
２４Ａ 光源部
２４Ａ１ 光源
２４Ａ２ レンズ
２４Ａ１１ 光
２４Ｂ 検出部
２４Ｂ１ レンズ
２４Ｂ２、２４Ｂ３ 光検出器
２４Ｂ４ 減算器
２４Ｂ５ 加算器
２４Ｂ６ 比較器
２４Ｂ７ 除算器
２４Ｂ８ 表示部
２４Ｃ 顕微鏡
２４Ｄ、２５ ステージ部
２６ 試料ホルダ
２６Ａ 凹部分
３１ 電子ビーム源部
３１Ａ 電子ビーム
３２ 偏向部
３３ 収束レンズ部
３４ 高さセンサ部
３４Ａ 光源部
３４Ａ１ 光
３４Ｂ 検出部
３５、３８Ｂ ステージ部
３６ 試料ホルダ
３６Ａ 凹部分
３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄ 高さマーク
３７Ａ、３７Ｂ 標準高さマーク
３８ 高さセンサ部
３８Ａ レーザ顕微鏡
Claims (3)
- 荷電粒子ビームを発生・照射する荷電粒子ビーム源部と、前記荷電粒子ビームを照射する対象である試料の高さに前記荷電粒子ビームを収束する収束レンズ部と、前記荷電粒子ビームを偏向させる偏向部と、前記試料を保持・移動するステージ部とからなる荷電粒子ビーム描画装置において、
高さマークを備えかつ前記試料を保持して前記ステージ部に保持される試料ホルダと、
前記試料に対して前記荷電粒子ビームを前記収束レンズ部で収束させて照射する第１の位置で、前記試料ホルダの高さマークの表面の高さを測定する第１の高さセンサ部と、
前記試料に対する前記荷電粒子ビームを収束する前記収束レンズ部が試料直上にない、前記第１の位置と異なる第２の位置で、前記試料の表面の高さ分布ならびに前記試料ホルダの高さマークの表面の高さを高精度に測定する第２の高さセンサ部とを更に備え、
前記第２の高さセンサ部により前記第２の位置で測定した前記試料の表面の高精度の高さ分布に基づいて前記収束レンズ部を制御する際に、前記試料ホルダとともに前記第２の位置から前記第１の位置へ移動したときに生じる試料の高さと傾きのずれを、２つの位置における前記高さマークの２つの測定値に基づいて補正し、前記収束レンズ部による収束を調整することを特徴とする荷電粒子ビーム描画装置。 - 前記第２の高さセンサ部を大気中に配置したことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム描画装置。
- 荷電粒子ビームを発生・照射する荷電粒子ビーム源部と、前記荷電粒子ビームを照射する対象である試料の高さに前記荷電粒子ビームを収束する収束レンズ部と、前記荷電粒子ビームを偏向させる偏向部と、前記試料を保持・移動するステージ部とからなる荷電粒子ビーム描画装置を用いた描画方法において、
高さマークを備えかつ前記試料を保持する試料ホルダを、前記荷電粒子ビームを試料に照射する第１の位置および前記第１の位置とは異なり試料直上に収束レンズ部がなく前記試料の表面の高さ分布を高精度に測定できる第２の位置の間を移動させ、第２の位置において前記試料の高さ分布と前記高さマークの高さを測定し、
前記試料ホルダを前記第１の位置に移動して前記高さマークの高さを測定し、
測定した前記試料の高さ分布に基づいて前記収束レンズ部による収束を制御するに際して、前記試料ホルダの高さマークの２つの位置における２つの測定値に基づいて、前記試料ホルダを前記第２の位置から前記第１の位置に移動したときの試料ホルダの高さと傾きのずれを補正して前記収束レンズ部を調整することを特徴とする、荷電粒子ビーム描画装置を用いた描画方法。
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