JP4157410B2

JP4157410B2 - 電子線描画装置

Info

Publication number: JP4157410B2
Application number: JP2003098718A
Authority: JP
Inventors: 博之伊藤; 一亥水野; 秀寿佐藤
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2023-04-02
Also published as: JP2004311472A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体の製造分野における微細加工用リソグラフィー技術に係わり、電子線（ビーム）描画装置のビーム焦点補正に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子線描画は光露光で用いる高精度のマスク原版や、半導体基板に微細パターンを直接描画する技術として重要である。近年、半導体の微細化に伴い、先端マスク内の描画パターンに厳しい位置精度が要求されている。電子ビーム描画装置を直接描画に用いる場合も、描画位置精度や下地層への合わせ精度が課題となっている。
【０００３】
電子ビーム描画装置は高精度のビーム偏向のためには対物偏向器の校正を適宜に行っている。すなわち、対物偏向器の機械的誤差、回転や軸ずれ、制御回路誤差によりビームは偏向位置ずれを発生する。そのため、校正マークをビーム偏向走査して得られた波形位置をレーザー干渉測長計等を用い計測する。計測した座標誤差から偏向歪量を計算して偏向出力を校正する。更に電子ビーム露光では微細ショットを生成し描画するため、高速高精度の焦点合わせも必要である。電子ビーム描画装置の電子光学系は通常、回転対称な対物レンズ内に円筒形の動的補正レンズを用いる。ビーム制御回路はこの動的補正レンズに試料面高さや偏向座標から計算した出力値を与え、動的な焦点補正を行う。また電子線描画装置の電子光学系は通常は回転対称であり、内面が円筒断面を有する対物偏向器の全極に同一電圧を印加して、軸対称なレンズ作用を発生し焦点補正する方法も取られている。
【０００４】
特許文献１には、電磁レンズ内に光軸について同心円上に配置された複数個の電極を具備し、この電極に荷電粒子ビーム偏向用電圧とその他の補正用電圧を同時に印加するように構成した集束荷電粒子ビーム装置が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１−２５８３４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高精度ビーム位置決めで問題となるのが、この動的補正時のビーム位置ずれである。通常ビームは軸外収差の低減のため主レンズに軸合わせされる。一般に動的補正レンズは主レンズに対して弱い電磁場を発生し、動的補正により２次的にこれらの収差増加に寄与しないように設計される。しかしながら、一般には動的補正レンズ（対物偏向器）は主レンズである対物レンズに対して機械的あるいは電気的な誤差により軸ずれをしている。焦点補正レンズがビームに対して相対的に軸ずれしている場合はレンズ作用に従い、軸ずれ量と焦点補正量に応じたビーム位置ずれが、主レンズ結像面すなわち試料面上に発生する。その作用により描画面の高さ変化があると焦点補正により描画パターンの位置精度を悪化させる問題が有った。また非対称な機械的誤差の場合は焦点補正に伴い非点を発生する。この場合は試料面の高さ変化に応じて非点が発生し描画パターンの形状精度を悪化させる問題を発生させる。これらの対策のためには新たな高さ依存の偏向歪補正、非点補正機能が必要となり、装置コスト増や処理の複雑化によるスループット増加等の問題となる。このように偏向器において複数の機能すなわち焦点補正や非点補正を行う場合に、相互の操作量に応じて他に影響する問題があった。
本発明は電子ビームの焦点補正や非点補正による位置ずれを防止し高精度のパターン形成が可能な電子ビーム線描画装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
焦点補正は回転対称な主レンズ内に円筒電極に電圧DFを印加してビームを加減速して収束作用を変化させて実現することができる。したがって円形偏向器の全極に一定電圧DFをオフセットとして加算することでも実現できる。以下は主レンズ内に静電８極子偏向器を配置して以下に焦点補正によるビーム位置ずれを解決するための手段を示す。８極は偏向座標（x,ｙ）に対して、n極目の偏向電圧Vnは、
【数１】
Vn=AnVx+BnVy＝G (Anx+Bny) …数１
と設定することで、低歪にビーム偏向している。但し偏向ゲインG、定数An、Bnは一様な偏向電界を発生させる８極電圧配分比でそれぞれ係数a=(2)0.5-1で±0.4142,±1を取る。
【０００８】
いま独立にn極目ゲインGnの指定を行う。以下の通り、Gnを偏向配分にすると、DF出力に比例してビームが歪なく偏向される。例えばn極目のゲインGnを数１と同じ偏向配分で、
【数２】
Vn’＝GnDF=G(Anx+Bny)DF …数２
と設定すると、各極一定のDF出力に比例して自動的にVn'が発生し、ビームが DF(x,y)に偏向される。
【０００９】
一方DFがビームに対して軸ずれすると、DF補正量に比例したビーム位置ずれ(xd,yd)が発生する。Vn'による偏向をこの(xd,yd)とキャンセルするように設定できれば、DF値(試料面高さ)が変わってもビーム位置ずれがを無くすことが可能となる。
実際にキャンセルするためには、数２の方向および振り戻し量をDF位置ずれと合わせ込む必要がある。そのためには実際に偏向板に一様オフセットDFoを印加した位置ずれとゲインGn=G(An+Bn)での位置ずれの測定結果からゲイン配分を計算する。
以上の方法は非点補正の場合も同様に実施する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は可変成形型電子線描画装置における本発明の実施例を示す。本発明は電子源１を縮小して偏向描画するスポットビーム方式等への一般の場合も適用が可能である。
電子源１より放射された電子ビームを第一成形開口２に照射し、第一成形開口２は成形レンズ４により第二成形開口５に結像される。第一成形開口２像が成形偏向制御回路１６で駆動される成形偏向器３で偏向され照射位置を制御することで、可変成形ビーム７の断面形状が決定される。さらに成形ビーム７は、縮小レンズ群を構成する縮小レンズ８、縮小ビーム像を試料面に結像する対物レンズ群である対物レンズ１０により、描画試料１３に数十分の一に縮小投影される。描画試料１３への投影位置は対物偏向制御回路１８で駆動される対物偏向器１１と、ステージ制御回路２０で位置決め制御される試料ステージ１５で指定される。
【００１１】
制御計算機２１は描画データに応じてビーム寸法を成形偏向制御回路１６、ビーム照射位置を対物偏向制御（駆動）回路１８、ステージ制御回路２０を制御して描画を実施する。その他、電子線描画装置ではビームオンオフのためのブランキング電極６とブランキング絞り９とその制御を行うブランキング制御回路１７で構成されている。
【００１２】
ステージ上にはビームの偏向歪補正や焦点補正を行うための段差マーク１４（すなわち校正マーク）を配置している。また段差マーク１４からの反射電子は反射電子検出器１２で検知され、ビーム検出回路を含む信号処理回路１９でその波形位置や立上がり（ビームぼけ量）が測定される。これらの測定値から偏向位置補正や焦点合わせが行われる。図１で対物偏向器１１として図２（ａ）、（ｂ）に示す歪の少ない８極偏向器２２、あるいは偏向幅が小さい場合は４極子偏向器２３が用いられる。８極偏向器２２、あるいは４極偏向器２３はそれぞれ８つの偏向板２４、あるいは４つの偏向板２５からなり、焦点補正電圧をオフセットとして偏向板に加算してビームの焦点合わせを行う。以下の実施例は８極子偏向器２２で説明する。
【００１３】
図３に示す通り対物偏向器１１が対物レンズ１０に対して機械的軸ずれや電気的な非対称出力により偏芯した場合を考える。本構成において補正手順は以下の通りである。但し簡単のため成形ビーム７は対物レンズ１０に対して軸合わせされ垂直入射する場合を考える。焦点補正DFと軸ずれ量をXDFとするとビームは偏り側の電極電圧によりビームが軸方向により大きな偏向を受け試料面で位置ずれ(xd,yd)となる。その結果、描画試料であるマスクや半導体基板に傾斜がある場合は位置決め誤差となる。
前述したように、図３に示す通り、一般には動的補正レンズ（対物偏向器）１１は、対物レンズ１０に対して機械的あるいは電気的な誤差により軸ずれをしている。
【００１４】
図３の焦点補正による位置ずれを補正する原理図を図４に示す。すなわち焦点補正電圧DFに比例して偏向電圧を発生させそのレンズ作用によるビーム位置ずれを打ち消す。一般にDF作用は小さいためDFとその位置ずれは比例関係にあると考えられる。したがって、DF出力に対して各電極の実効出力が８極電圧配分で位置ずれxDFと逆方向に出力されればよいことになる。すなわち、各電極の一定入力に対してゲイン配分を８極電圧配分比で設定し、実効的なDF値に８極偏向成分が発生させればよいことがわかる。以下に図５に補正フローと以下にその手順例を示す。
【００１５】
まず、焦点補正無しでビーム位置の測定を行う（S1）。マーク検出機能を用いて基準焦点補正DFoを加える前後の位置ずれ（xo,yo）を求める。すなわち、焦点補正DFoでビーム変位（xo,yo）を測定する（S2）。位置ずれ量Roと回転θoを
【数３】
Ro=(xo2+yo2)1/2,θo=tan-1(xo/yo) …数３
で計算する。既知の方向に偏向するようにゲインを設定する。すなわち、基準方向８極子電圧配分でゲインGn設定する（S3）。例えばX軸方向に偏向する場合は、電極V1〜V8に対して
【数４】

とする。具体的なゲイン設定は個々の８極子の本設定で独立に設定できるようにして行うか、偏向歪補正係数のゲイン項を数４に従い変化させても可能である。この状態でDFoを加えて位置ずれ（xd,yd）を測定する。すなわち、焦点補正DFoでビーム変位（xd,yd）を測定する。測定２）との差分偏向量Rdと８極に対する回転θd、
【数５】
Rd={(xd-xo)2+(yd-yo2)2}1/2，θd=θo-tan-1{(xd-xo)/(yd-yo)}…数５
を計算し補正量の計算、
【数６】
Gm=GoxRd/Ro …数６
と数３からゲイン設定、
【数７】
(Gx,Gy)＝(Gmxcosθd，Gmxsinθd) …数７
を計算する。すなわち、ビーム変位差分（xd,yd）−（xo,yo）を計算する（S5）。
【００１６】
次に、偏向配分する。すなわち、差分方向に補正ゲイン値を８極偏向配分する（S6）。
【数８】

を計算し、設定する。この設定により焦点補正DFを変化させると自動的に偏向電圧成分が偏向出力に加算され、焦点補正によるビーム位置ずれが打ち消される。
【００１７】
以上の実施例は８極子偏向器２２で示したがより簡単な４極子偏向器２３や他の回転対象な多極子についても同じ手法が可能であることは明らかである。また焦点補正器と偏向器が分離した構成では焦点補正DFに比例して偏向器入力を補正すれば所望の位置ずれ補正が可能である。非点補正を行う場合にも同様に非点補正による位置ずれ方向を測定して、偏向ゲインに設定すれば良い。
更に偏向板に機械的誤差があり、焦点補正で非点が発生する場合は図２に示した非点電圧配分によりゲイン配分を設定すれば焦点補正に応じた自動非点補正が可能である。
【００１８】
以上のように、電子源からの電子ビームの透過開口を縮小する縮小レンズ８と、縮小ビーム像を試料面に結像する対物レンズ１０と、縮小して成形ビームを所望の位置に偏向させる回転対称な４極子以上の偏向板２４、２５からなる対物偏向器１１と、描画試料を搭載する試料ステージ１５と、試料ステージ位置を検知し、対物偏向器１１の偏向範囲に試料ステージを移動し位置決めするステージ制御回路２０と、試料ステージ１５上に設けられた校正マーク１４を対物偏向器１１でビーム走査しその反射または透過電子走査マーク波形からビーム位置を検知あるいは対物レンズ１０の焦点位置ずれ量を検知するビーム検出回路を含む信号処理回路１９と、焦点補正出力に、該焦点補正出力に対応して偏向方向と偏向量を指定する偏向出力であって対物偏向器の各偏向板に前記偏向出力が一定比で配分された偏向出力を加算してビーム偏向時と同時に焦点補正を行う対物偏向制御回路１８と、を備えた電子線描画装置が構成される。
【００１９】
更に、電子源からの電子ビームの透過開口を縮小する縮小レンズ８と、縮小ビーム像を試料面に結像する対物レンズ１０と、縮小して成形ビームを所望の位置に偏向させる回転対称な４極子以上の偏向板２４、２５からなる対物偏向器１１と、描画試料を搭載する試料ステージ１５と、試料ステージ位置を検知し、対物偏向器１１の偏向範囲に試料ステージ１５を移動し位置決めするステージ制御回路２０と、試料ステージ１５上に設けられた校正マーク１４を対物偏向器１１でビーム走査しその反射または透過電子走査マーク波形からビーム位置を検知あるいは対物レンズの焦点位置ずれ量を検知するビーム検出回路と、焦点補正出力に、該焦点補正出力に対応して偏向方向と偏向量を指定する偏向出力であって対物偏向器１１の各偏向板２４、２５に前記偏向出力が一定比で配分された偏向出力を加算してビーム偏向時と同時に焦点補正を行う対物偏向制御回路１８と、各対物偏向駆動回路の偏向分の出力値を変化させてビーム位置ずれと偏向出力から偏向ゲインを検知する手段と、各対物偏向制御回路の焦点補正分の出力値を変化させて、マーク走査波形の位置ずれと焦点補正の比例関係を検知する手段と、焦点補正による位置ずれ量の比例関係に相当する偏向ゲインを各偏向板２４、２５に該一定比の偏向出力配分で設定する設定手段と、を備えた電子線描画装置が構成される。
【００２０】
これらの電子描画装置において対物偏向器に基準方向に一定の偏向出力配分でゲイン設定して焦点補正時のビーム位置ずれを計測し、該ゲイン設定無しで焦点補正量を可変しマーク走査波形の位置ずれから、焦点補正位置ずれとゲイン設定位置ずれの差分を計算して差分に相当する偏向出力配分で偏向出力ゲインを設定することを行う。
これらの電子描画装置において各対物偏向器の出力値を焦点補正量に応じて原点対称に偏向ゲイン出力を設定することを行う。
これらの電子描画装置において一定の補正比で出力を加減算する多極子からなる偏向板の出力値を独立に制御し、焦点補正量に応じて該一定の偏向補正量を偏向データに加算することを行う。
【００２１】
これらの電子描画装置において対物偏向器を８極子以上で構成し各偏向板に交互に反対符号の出力を発生し非点補正を実施する構成において、非点補正量を可変しマーク走査波形の位置ずれから、非点補正量と位置ずれの比例関係を検知して、位置ずれ量に相当する偏向出力ゲインを設定することを行う。
これらの電子描画装置において対物偏向器を８極子以上で構成し各偏向板に交互に反対符号の出力を発生し非点補正を実施する構成において焦点補正量を可変しマーク走査波形の立ち上がりの方向非対称から、焦点補正量と非点補正量の比例関係を検知して、非点補正に相当する偏向出力ゲインを設定することを行う。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば高精度に焦点補正が設定可能である。結像レンズに対して、機械的あるいは電気的に焦点補正器の軸ずれがあっても、マスクや半導体基板の傾斜による高さ変化時の焦点合わせ補正によるビーム位置ずれを自動補償して高精度の電子ビーム描画が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用例。
【図２】本発明に偏向器出力構成図。
【図３】従来焦点補正の説明図。
【図４】本発明の焦点補正の説明図。
【図５】本発明の補正フロー図。
【符号の説明】
１…電子源、２…第一成形開口、３…成形偏向器、４…成形レンズ、５…第二成形開口、６…ブランキング電極、７…成形ビーム、８…縮小レンズ、９…ブランキング絞り、１０…対物レンズ、１１…対物偏向器、１２…反射電子検出器、１３…描画試料、１４…校正マーク（段差マーク）、１５…ステージ、１６…成形偏向制御回路、１７…ブランキング制御回路、１８…対物偏向制御回路、１９…信号処理回路、２０…ステージ制御回路、２１…制御計算機、２２…８極子偏向器、２３…４極子偏向器。

Claims

電子源からの電子ビームの透過開口を縮小する縮小レンズと、縮小ビームを試料面に結像する対物レンズと、縮小して成形ビームを所望の位置に偏向させる回転対称な４極子以上の偏向板からなる対物偏向器と、描画試料を搭載する試料ステージと、試料ステージ位置を検知し、該対物偏向器の偏向範囲に試料ステージを移動し位置決めするステージ制御回路と、試料ステージ上に設けられた校正マークを対物偏向器でビーム走査しその反射または透過電子走査マーク波形からビーム位置を検知あるいは対物レンズの焦点位置ずれ量を検知するビーム検出回路を含む信号処理回路と、焦点補正出力に、該焦点補正出力に対応して偏向方向と偏向量を指定する偏向出力であって対物偏向器の各偏向板に前記偏向出力が一定比で配分された偏向出力を加算してビーム偏向時と同時に焦点補正を行う対物偏向制御回路と、を備え、
対物偏向器に基準方向に一定の偏向出力配分でゲイン設定して焦点補正時のビーム位置ずれを計測し、該ゲイン設定無しで焦点補正量を可変しマーク走査波形の位置ずれから、焦点補正位置ずれとゲイン設定位置ずれの差分を計算して差分に相当する偏向出力配分で偏向出力ゲインを設定することを特徴とした電子線描画装置。
請求項１において各対物偏向器の出力値を焦点補正量に応じて原点対称に偏向ゲイン出力を設定することを特徴とした電子線描画装置。
請求項１において一定の補正比で出力を加減算する多極子からなる偏向板の出力値を独立に制御し、焦点補正量に応じて該一定の偏向補正量を偏向データに加算することを特徴とした電子線描画装置。
請求項１において対物偏向器を８極子以上で構成し、各偏向板に交互に反対符号の出力を発生し非点補正を実施する構成において、非点補正量を可変しマーク走査波形の位置ずれから、非点補正量と位置ずれの比例関係を検知して、位置ずれ量に相当する偏向出力ゲインを設定することを特徴とした電子線描画装置。
電子源からの電子ビームの透過開口を縮小する縮小レンズと、縮小ビームを試料面に結像する対物レンズと、縮小して成形ビームを所望の位置に偏向させる回転対称な４極子以上の偏向板からなる対物偏向器と、描画試料を搭載する試料ステージと、試料ステージ位置を検知し、該対物偏向器の偏向範囲に試料ステージを移動し位置決めするステージ制御回路と、試料ステージ上に設けられた校正マークを対物偏向器でビーム走査しその反射または透過電子走査マーク波形からビーム位置を検知あるいは対物レンズの焦点位置ずれ量を検知するビーム検出回路を含む信号処理回路と、焦点補正出力に、該焦点補正出力に対応して偏向方向と偏向量を指定する偏向出力であって対物偏向器の各偏向板に前記偏向出力が一定比で配分された偏向出力を加算してビーム偏向時と同時に焦点補正を行う対物偏向制御回路と、を備え、
対物偏向器を８極子以上で構成し各偏向板に交互に反対符号の出力を発生し非点補正を実施する構成において焦点補正量を可変しマーク走査波形の立ち上がりの方向非対称から、焦点補正量と非点補正量の比例関係を検知して、非点補正に相当する偏向出力ゲインを設定することを特徴とした電子線描画装置。