JP4256232B2 - 荷電ビーム描画方法と荷電ビーム描画装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電ビームを用いたリソグラフィ技術に係わり、特に電子光学系の調整方法を改良した荷電ビーム描画方法と荷電ビーム描画装置に関する。

可変成形ビーム方式の電子ビーム描画装置は、光軸方向に離間対向配置された第１及び第２の成形アパーチャ間に、第１の成形アパーチャの像を第２成形アパーチャ上で偏向する成形偏向器を設け、成形偏向器よりも下流側に縮小レンズや対物レンズ等の電磁レンズを設け、第１及び第２成形アパーチャの光学的重なり像を試料面上に結像するようになっている。この種の装置においては、各アパーチャの座標軸と試料面の基準座標軸とを一致させるために、第１及び第２の成形アパーチャの回転調整が必須である。

第１成形アパーチャの回転調整方法としては、第１成形アパーチャに回転機構を設けて機械的に調整する方法と、電磁レンズの像の回転作用を利用して調整する方法のどちらかが取られている。回転機構で調整する方法は、縮小率を変えずに回転単独で調整できるという長所があるが、回転機構の製作コストが高いこと、回転機構を組み込むスペースが必要なために電子光学系の設計に制限がでること、回転機構の厚み分だけビーム光路長が長くなってビームボケを増大させるといった短所がある。それに比べて、電磁レンズでの像の回転作用を利用する調整方法はそれらの短所が無い。

従来、電磁レンズで回転調整する場合、縮小した試料面上の像を検出する方法を用いて調整を行っていた。具体的には、電子ビーム描画装置において、特殊な形状をした試料面上のマークの形状を利用して成形像の回転調整を行っている（例えば、特許文献１参照）。また、試料面上に設けたナイフエッジを利用して回転調整を行っている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１の方法においては、特殊マークが必要となること、特殊マーク形状精度及び同マーク設置位置精度に応じて調整誤差が発生する欠点を持っている。数ミクロン寸法のマークの形状精度及び試料面座標に対して１ｍｒａｄ以下の精度で配置することは非常に困難である。また、数ミクロンの小さな縮小ビームの検出であるため、検出ノイズの影響で１ｍｒａｄの優れた調整精度を得るのは困難である。

一方、特許文献２の方法においても同様に、ナイフエッジが必要であること、ナイフエッジを１ｍｒａｄの精度で試料面座標に調整するのは非常に困難であり、さらに数ミクロンの小さな縮小ビームの検出であるため、１ｍｒａｄの優れた調整精度を得るのは非常に困難である。
特開２００１−１４４００７号公報 特開平１０−２４７４７０号公報

このように従来、可変成形ビーム方式の電子ビーム描画装置においては、機械的回転調整機構を用いずに電磁レンズにより第１成形アパーチャの回転調整を行う場合、試料面上に特殊なマークなどを超高精度に準備する必要があり、コスト，手間が多く掛かってしまうと共に、第１成形アパーチャの座標を試料面の基準座標に対して高精度に調整するのが困難な状況であった。

本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、特別なマーク等を必要とせずに、第１成形アパーチャの座標軸を試料面の基準座標軸に合わせることができ、描画精度の向上に寄与し得る荷電ビーム描画方法と荷電ビーム描画装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち本発明は、第１成形アパーチャの像を第２成形アパーチャ上に投影すると共に、成形偏向器により第２成形アパーチャ上の第１成形アパーチャの像の位置を可変し、第１及び第２成形アパーチャの光学的重なり像を電磁レンズにより試料面上に結像することにより、試料面に所望パターンを描画する荷電ビーム描画方法であって、描画に先立ち前記成形偏向器及び電磁レンズを調整するために、第１成形アパーチャの座標軸と前記成形偏向器による偏向座標軸とが一致するように、前記成形偏向器に印加する電圧を調整し、次いで前記成形偏向器による偏向座標軸と前記試料面の基準座標軸とが一致するように、前記電磁レンズの励磁電流を調整することを特徴とする。

ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。

(1) 成形偏向器は複数の電極からなり、各々の偏向電極に印加する偏向電圧は、倍率係数，回転係数，Ｘ方向及びＹ方向の偏向量で定義されるものであり、成形偏向器に印加する電圧の調整に際して、第１成形アパーチャの座標軸と成形偏向器による偏向座標軸とが一致する回転係数を求めること。

(2) 成形偏向器の各電極に印加する電圧は、
Ｖｘ＝Ｇｘ・ｘ＋Ｒｘ・ｙ
Ｖｙ＝Ｇｙ・ｙ＋Ｒｙ・ｘ
Ｇ：倍率係数、Ｒ：回転係数、ｘ：Ｘ方向偏向量、ｙ：Ｙ方向偏向量
で定義されるものであること。

(3) 第１成形アパーチャの座標軸と成形偏向器による偏向座標軸とが一致する回転係数を求めるために、第１成形アパーチャの像の一辺と第２成形アパーチャとが一部重なる状態で、前記成形偏向器により第１成形アパーチャの像を前記一辺と平行な方向に相当する方向に偏向したときに、試料面上でのビーム電流の変化が最も少なくなる回転係数を求めること。

(4) 電磁レンズは、第２成形アパーチャ側の縮小レンズと試料側の対物レンズの２段構成であり、各々のレンズの励磁電流を最適に設定することにより、偏向座標軸と基準座標軸とを一致させながら焦点を合わせること。

(5) 偏向座標軸と基準座標軸とが一致するように縮小レンズの励磁電流を調整し、これに伴う焦点位置ずれを対物レンズの励磁電流を調整することにより補正し、これらの操作を繰り返すこと。

また本発明は、荷電ビーム描画装置において、光軸方向に離間対向配置された第１及び第２の成形アパーチャと、第１の成形アパーチャと第２の成形アパーチャとの間に配置され、第１の成形アパーチャの像を第２成形アパーチャ上で偏向する成形偏向器と、前記成形偏向器よりも下流側に設けられ、第１及び第２成形アパーチャの光学的重なり像を試料面上に結像する電磁レンズと、第１成形アパーチャの座標軸と前記成形偏向器による偏向座標軸とが一致するように、前記成形偏向器に印加する電圧を調整する手段と、前記成形偏向器による偏向座標軸と前記試料面の基準座標軸とが一致するように、前記電磁レンズの励磁電流を調整する手段と、を具備してなることを特徴とする。

本発明によれば、成形偏向器に印加する電圧及び電磁レンズの励磁電流を調整することにより、第１成形アパーチャの座標軸を試料面の基準座標軸に高精度に合わせることができ、描画精度の向上をはかることができる。そしてこの場合、第１成形アパーチャを機械的に回転する機構や特殊なマークを必要とすることもないので、手間やコストの点でも有利である。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わる電子ビーム描画装置を示す概略構成図である。図中の１は電子銃、２は照明レンズ、３はブランキング偏向器、４は第１成形アパーチャ、５は成形偏向器、６は投影レンズ、７は第２成形アパーチャ、８はビーム制限用アパーチャ、９は縮小レンズ、１０は対物レンズ、１１は対物偏向器、１２は反射電子検出器、１３はＸＹ試料ステージ，１４はビーム電流検出器、１５はマーク板である。

電子銃１から放出されたビームは照明レンズ２により第１成形アパーチャ４上に照射される。第１成形アパーチャ４の像は投影レンズ６により第２成形アパーチャ７上に結像され、さらに縮小レンズ９により縮小され対物レンズ１０により試料面上に結像される。第２成形アパーチャ７はθステージ２３上に取り付けられている。第２成形アパーチャ７は多角形の開口部１８を有していて、その寸法形状は、第２成形アパーチャ７上での第１成形アパーチャ４の像１９の寸法よりも大きいものとなっている。第１成形アパーチャ４の開口部２０を通過したビームは成形偏向器５によって偏向することができ、第２成形アパーチャ７上のビーム位置を変えることができる。これにより、ビームの形状を変えることが可能となっている。

対物レンズ１０を通過したビームは対物偏向器１１によって偏向することができる。マーク板１５及びビーム電流検出器１４はＸＹ試料ステージ１３に取り付けられていて、移動することが可能である。ＸＹ試料ステージ１３の移動位置は、図示しない高精度レーザ位置測長器によって測定される。マーク板１５に設けられた十字マーク２１は下地２２と異なるビーム反射をする材質で作られている。例えば、下地２２はシリコン、十字マーク２１は金，タングステンなどの材質である。ビーム電流検出器１４は電流計につながれていて、ビーム電流値測定ができるようになっている。

次に、本実施形態における第１成形アパーチャ４の回転調整方法について、図２と図３を基に説明する。基本的には、図２に示すように、まず成形偏向回転を第１成形アパーチャ回転に一致させる（ステップＳ１）。即ち、第１成形アパーチャの座標軸を成形偏向座標軸に一致させる。次いで、成形偏向回転及び第１成形アパーチャ回転を基準座標系である試料面座標に電磁レンズ励磁を変えることによって一致させる（ステップＳ２）。即ち、第１成形アパーチャの座標軸及び成形偏向座標軸を試料面の基準座標軸に一致させる。

装置の基準座標は試料ステージ位置を測定しているレーザ干渉計座標で１ｎｍ以下の測定精度がある。この座標系を試料面の座標（基準座標）とする。成形偏向座標は成形偏向器５よりも下流にある電磁レンズ９，１０の磁場によって試料面に到達するまでの間に回転する。装置の設計計算でこの回転量は成形偏向座標にフィードバックされるが、設計計算誤差，成形偏向器５の組立誤差などにより図３（ａ）に示すように試料面座標と回転ずれが発生する。また、第１成形アパーチャ４についても、第１成形アパーチャ４より下流にある電磁レンズ９，１０の磁場によって回転し、計算値が設計にフィードバックされるが、成形偏向器５と同様の理由で試料面座標からは図３（ａ）に示すように回転誤差が発生する。

成形偏向は成形偏向器５に電圧を印加することで行うが、成形偏向器５が例えばＸ方向に対向する一対の偏向板とＹ方向に対向する一対の偏向板で構成されているとすると、Ｘ方向の偏向板に印加する電圧ＶｘとＹ方向の偏向板に印加する電圧Ｖｙは、
Ｖｘ＝Ｇｘ・ｘ＋Ｒｘ・ｙ
Ｖｙ＝Ｇｙ・ｙ＋Ｒｙ・ｘ
Ｇ：倍率係数、Ｒ：回転係数、ｘ：Ｘ方向偏向量、ｙ：Ｙ方向偏向量
のような関係で決定される。そして、回転係数Ｒを変えることによって、成形偏向座標を回転させることができる。そこで、この回転係数を変えて、図３（ｂ）に示すように、第１成形アパーチャの座標軸に成形偏向座標軸を一致させる。なお、上記式は成形偏向器５を構成する偏向電極の数によって変わるものであるが、各偏向電極に印加する電圧が倍率係数，回転係数，Ｘ方向及びＹ方向の偏向量で定義されるものであれば、上記と同様に回転係数Ｒを変えることにより第１成形アパーチャの座標軸に成形偏向座標軸を一致させることが可能である。

成形偏向座標軸を精密に第１成形アパーチャの座標軸に一致させるための具体例を、図４を使って説明する。成形偏向座標と第１成形アパーチャ座標の回転ずれ量の測定は特開平１０−２６００２８号公報に記載された方法を用いる。図４（ａ）に示すように、第２成形アパーチャ７のコーナーに第１成形アパーチャ４の像を偏向し、試料面上でビーム電流の変化を測定する。成形偏向回転係数がＲ２の時にはビーム電流は一定となると共に、成形偏向回転係数がＲ２の時に第１成形アパーチャ回転と成形偏向回転が一致する。この測定方法を以後、ビーム電流測定方法と称する。

次に、第１成形アパーチャ４及び成形偏向器５よりも下流に位置する電磁レンズ９，１０の励磁を変えて、図３（ｃ）に示すように、第１成形アパーチャ座標及び成形偏向座標を同時に同量回転させて試料面座標の回転に一致させる。電磁レンズは、例えば図１における縮小レンズ９と対物レンズ１０である。成形偏向座標回転を精密に測定する方法の具体例について、図５を使って説明する。この方法は特開平１０−２７０３３７号公報に一部記載されているものである。上述の成形偏向回転係数Ｒ２を用いて、図５（ａ）に示すように、第１成形アパーチャ像が第２成形アパーチャ７に接触しないように成形偏向する。そして、試料面上のビームの位置を通常使われている方法、例えば十字マーク上をビーム走査させる方法などを用いて、図５（ｂ）に示すように、ビームａの状態に対応するビーム位置Ａを測定する。

次いで、第１成形アパーチャ像を第２成形アパーチャ７にかからないようにビームａからＲ２を用いてビームｂまで成形偏向座標のＸ方向に成形偏向し、試料面上のビーム位置Ｂを測定する。位置Ａと位置Ｂから成形偏向座標Ｘ方向の試料面上に対するずれ量角度δが算出できる。Ｙ方向に関してのずれ量を求めるためにはビームｃ，ビームｄを用いてビーム位置Ｃ，Ｄを求めればよい。このδの測定方法をマークスキャン方法と称することにする。そして、δがゼロになる方向にレンズ励磁を変化させ、δが許容値以内になるまで繰り返す。

具体的には、最初にδが零になる方向に縮小レンズ９の励磁電流を調整し、これに伴う焦点位置ずれを補正するために対物レンズ１０の励磁電流を調整する。そして、再度縮小レンズ９の励磁電流を調整し、更に対物レンズ１０の励磁電流を調整する。これらの操作を繰り返すことにより、δが零になり且つ焦点位置が合う各々の励磁電流を求める。

上述の一連のアルゴリズムを、図６に示しておく。

なお、第１成形アパーチャ４だけではなく第２成形アパーチャ７の座標軸と試料面の基準座標軸とを合わせる必要があるが、これは第２成形アパーチャ７を保持する回転ステージ２３で行うことができる。このように、第２成形アパーチャ７に対しては回転ステージ２３が設けられているが、一般に第２成形アパーチャ７の設置空間は第１成形アパーチャ４の設置空間に比べて十分に余裕があり、回転ステージ２３を設けることによるデメリットは小さいものである。

このように本実施形態によれば、描画に先立ち成形偏向器５及び電磁レンズ９，１０を調整するために、第１成形アパーチャ４の座標軸と成形偏向器５による偏向座標軸とが一致するように、成形偏向器５に印加する電圧を調整し、次いで成形偏向器５による偏向座標軸と試料面の基準座標軸とが一致するように、電磁レンズ９，１０の励磁電流を調整することにより、特別なマーク等を必要とせずに、第１成形アパーチャの回転を試料面の基準座標に合わせることができ、描画精度の向上に寄与することが可能となる。

ここで、第１成形アパーチャ回転と成形偏向回転のずれ量を測定するためのビーム電流測定方法では、０．５ｍｒａｄ以下の測定精度が実験では得られている。また、マークスキャン方法による試料面上座標に対する成形偏向回転の測定精度は０．５ｍｒａｄ以下が実験では得られている。従って、本実施形態の第１成形アパーチャ回転調整方法による調整精度は１ｍｒａｄ以下であり、極めて高精度な調整が可能である。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態では、可変成形ビーム方式の電子ビーム描画装置を例にとり説明したが、本発明は必ずしも可変成形ビーム方式に限らず、複数枚の成形アパーチャを有する描画装置に適用することができる。また、電子ビーム描画装置に限らず、イオンビーム描画装置に適用することも可能である。また、各座標軸を一致させるための成形偏向器の電圧調整手段及び電磁レンズの励磁電流調整手段は、必ずしも実施形態に説明した方法に限らず、仕様に応じて適宜変更可能である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係わる電子ビーム描画装置を示す概略構成図。 同実施形態おけるアパーチャ回転調整法のアルゴリズムを示す図。 第１成形アパーチャ座標，成形偏向座標，及び試料面座標の関係を示す図。 成形偏向座標を第１成形アパーチャ座標に一致させるための具体的方法を示す図。 成形偏向座標回転を測定する具体的方法を示す図。 第１成形アパーチャ座標，成形偏向座標，及び試料面座標を合わせるためのフローチャート。

符号の説明

１…電子銃
２…照明レンズ
３…ブランキング偏向器
４…第１成形アパーチャ
５…成形偏向器
６…投影レンズ
７…第２成形アパーチャ
８…ビーム制限用アパーチャ
９…縮小レンズ
１０…対物レンズ
１１…対物偏向器
１２…反射電子検出器
１３…ＸＹステージ
１４…ビーム電流検出器
１５…マーク台
１６…成形ビーム結像系
１８…第２成形アパーチャ開口部
１９…第１成形アパーチャ像
２０…第１成形アパーチャ開口部
２１…十字マーク
２２…下地
２３…第２成形アパーチャ回転ステージ

Claims (5)

1. 第１成形アパーチャの像を第２成形アパーチャ上に投影すると共に、成形偏向器により第２成形アパーチャ上の第１成形アパーチャの像の位置を可変し、第１及び第２成形アパーチャの光学的重なり像を電磁レンズにより試料面上に結像することにより、試料面に所望パターンを描画する荷電ビーム描画方法であって、
   描画に先立ち前記成形偏向器及び電磁レンズを調整するために、
   第１成形アパーチャの座標軸に対して前記成形偏向器による偏向座標軸を一致させるために、第２成形アパーチャのコーナーをかすめるように第１成形アパーチャの像を偏向した時の試料面上でのビーム電流が一定となるように、前記成形偏向器に印加する電圧を調整し、
   次いで前記成形偏向器による偏向座標軸に対して前記試料面の基準座標軸が一致するように、前記電磁レンズの励磁電流を調整することを特徴とする荷電ビーム描画方法。
2. 前記成形偏向器は複数の電極からなり、各々の偏向電極に印加する偏向電圧は、倍率係数，回転係数，Ｘ方向及びＹ方向の偏向量で定義されるものであり、前記成形偏向器に印加する電圧の調整に際して、第１成形アパーチャの座標軸と前記成形偏向器による偏向座標軸とが一致する回転係数を求めることを特徴とする請求項１記載の荷電ビーム描画方法。
3. 第１成形アパーチャの座標軸と前記成形偏向器による偏向座標軸とが一致する回転係数を求めるために、第１成形アパーチャの像の一辺と第２成形アパーチャのコーナーとが一部重なる状態で、前記成形偏向器により第１成形アパーチャの像を前記一辺と平行な方向に相当する方向に偏向したときに、前記試料面上でのビーム電流の変化が最も少なくなる回転係数を求めることを特徴とする請求項２記載の荷電ビーム描画方法。
4. 前記電磁レンズは、第２成形アパーチャ側の縮小レンズと前記試料側の対物レンズの２段構成であり、各々のレンズの励磁電流を最適に設定することにより、前記偏向座標軸と基準座標軸とを一致させながら、焦点を合わせることを特徴とする請求項１記載の荷電ビーム描画方法。
5. 光軸方向に離間対向配置された第１及び第２の成形アパーチャと、
   第１の成形アパーチャと第２の成形アパーチャとの間に配置され、第１の成形アパーチャの像を第２成形アパーチャ上で偏向する成形偏向器と、
   前記成形偏向器よりも下流側に設けられ、第１及び第２成形アパーチャの光学的重なり像を試料面上に結像する電磁レンズと、
   第１成形アパーチャの座標軸に対して前記成形偏向器による偏向座標軸を一致させるために、第２成形アパーチャのコーナーをかすめるように第１成形アパーチャの像をスキャンした時の試料面上でのビーム電流が一定となるように、前記成形偏向器に印加する電圧を調整する手段と、
   前記成形偏向器に印加する電圧を調整した後に、前記成形偏向器による偏向座標軸に対して前記試料面の基準座標軸が一致するように、前記電磁レンズの励磁電流を調整する手段と、
   を具備してなることを特徴とする荷電ビーム描画装置。

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