JP4481851B2 - 電子ビーム描画装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体微細加工分野において、可変成形型電子ビーム描画装置の高精度なビーム制御および描画方法に関するものである。

電子ビーム描画装置は電子ビームでマスク基板、ウェハ等に微細パターンを高精度に描画する装置である。近年は電子源を電子レンズで微細に絞るポイントビームに加え、ビーム形状を描画パターンに応じて高速に制御する可変成形方式が実用化されている。

すなわち可変成形方式は、成形偏向器で上段の成形絞り像を下段の成形絞り上で移動させビーム形状、寸法を可変させ、場合によりこれらを複数段で制御してビーム形状を高度に制御する方式である。

近年は微細化が進み数１０ｎｍの描画パターンを高精度に露光する必要が出てきている。そのため特に電子ビーム描画装置の寸法設定分解能として、１ｎｍ以下が要求されている。ポイントビームではビームを微細に絞り露光量で制御することが一般的であるが、露光時間が増加してしまう。

可変成形方式ではビーム寸法をＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）で制御している。そのためＤＡＣ分解能を上げれば良いが、分解能に応じて所定の出力値に対する回路整定時間が増加しスループットを悪化させる。

特開平１０−２７７４９（特許文献１）に示された寸法補正法は寸法を変えてビーム電流を測定し、微小領域の関係曲線から再現良く微細パターンを描画する方法を開示している。特公平７−１０７８９３（特許文献２）にはやはりビーム電流値を寸法の１次関数で近似して補正する手段を開示している。

しかし、これらの技術ではやはりＤＡＣの分解能が設定寸法精度を制限してしまう問題が残存する。高ビットＤＡＣ化は測定信頼性の低下や、回路系が複雑となりコスト増となる問題がある。特に半導体ゲート層や磁気ヘッド加工では、位置制御よりも一般に高い寸法制御性が要求されており、大きな課題となっている。

特開平１０−２７７４９公報 特公平７−１０７８９３公報

本発明は、上記の問題に鑑み、可変成形方式電子ビーム描画装置のビーム寸法変化時の非直線性を補正し、高速かつ高精度な描画を可能とする安価な電子ビーム描画装置を提供することを目的とする。

本発明は、可変成形電子ビームの反射または透過電流を検知する検知手段を設け、前記検知手段の検知により可変成形電子ビームの校正を行う電子ビーム描画装置において、成形偏向ＤＡＣ回路に複数の前記ビーム寸法のデータを設定して検知手段の検知値の非直線性成分を検知し、前記検知値が直線性になるようにブランキング手段によりビーム照射時間を補正することを特徴する。

これにより、寸法設定の高分解能化が実現し、高精度の寸法補正ができる電子ビーム描画装置を提供できる。

一般にビーム制御の高分解能化には成形偏向ＤＡＣ回路そのものを高分解能化する方法と、主成形偏向ＤＡＣ回路に補正ＤＡＣ回路を加える方法がある。本発明では、問題となるＤＡＣ分解能または非直線性誤差をビーム電流として測定し、ブランキング制御にフィードバックしてビーム照射時間補正として行う。

すなわち、寸法設定すなわち成形偏向ＤＡＣ回路に連続したデータを設定し、発生する可変成形電子ビームの電流または反射電流量を実測して直線性を評価する。成形偏向ＤＡＣ回路の非直線性を直接に成形ビーム電流値の誤差として測定するため高信頼化が測れ、成形偏向ＤＡＣ回路の出力の測定系が不要となりコストダウンが可能である。

ここで得られた電流の非直線的変化はブランキング回路にフィードバックしてビーム照射で補正する。これにより、低分解能の成形偏向ＤＡＣ回路を用いて高速に高精度の寸法制御が可能である。特に可変成形ビーム幅がビームボケ幅より小さい微小寸法では、ブランキング手段による照射時間制御はＤＡＣの設定に比べて高い分解能と再現性を提供できる。

本発明によれば、ビーム寸法変化時の非直線性を補正し、高速かつ高精度な描画を可能とする安価な電子ビーム描画装置を提供することを目的とする。

図１には、一般的な２段の成形絞りを用いた可変成形型電子光学系を示す。電子源１より発した電子ビームは、第一成形絞り２を透過し、第一成形レンズ３および第二成形レンズ５により第二成形絞り６上に結像される。成形偏向器４はこの第一成形絞り像７の位置を制御し、第二成形絞り６を透過した電子が可変成形ビーム１１となる。成形ビーム１１は縮小レンズ９で縮小され、対物レンズ１２と対物偏向器１３で、試料面に結像および位置決めされる。

ここで移動ステージ１６は描画試料に加えてビーム電流計１５を搭載し、反射電子検出器１４は移動ステージ上の校正マークを検知する。またブランキング手段のブランキング電極８はビーム偏向整定時中にビームを離軸させブランキング絞り１０でオフし、露光時間を制御している。

制御計算機２２は描画データを矩形ショットの寸法データや露光座標に分割する。また制御計算機２２はビーム寸法誤差から補正量を計算し成形偏向ＤＡＣ回路１７に設定する。これらの一連のビーム寸法設定と同期してビーム照射位置を対物偏向制御回路２０に設定する。

これらの回路動作後に、ブランキング手段のブランキング制御回路１９がブランキング電極８動作をオフし、所望の露光時間でビームオンする。実際の成形偏向ＤＡＣ回路１７の誤差を含めたビーム寸法誤差を検証するためのファラディーカップ電流計１５と電流検出回路２１が設けられている。この電流計１５は均一な反射面からの反射電子強度を計測する反射電子検出器１４で代用することも可能である。

図１の構成で以下に示すとおり、実際に成形偏向ＤＡＣ回路１７を駆動し、電流計１５で電流変化率を測定し解析することで高精度のビーム寸法設定が可能である。ビーム寸法は２次元量であるが、以下は簡略化のため１次元量として議論する。

図２に成形偏向ＤＡＣ回路に誤差がある場合のビーム電流測定結果の例を示す。すなわち、図２はＤＡＣの分解能１ビット相当で設定データＷ_ｎを増加させた場合に測定した電流値Ｉ_ｎである。

図２（ａ）はＤＡＣの分解能が荒い場合でステップ上に変化する。図２（ｂ）は分解能１ビット相当の出力ＬＳＢ（Ｌｅａｓｔ Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｔ Ｂｉｔ）の１／２の誤差がある場合である。

問題は電流計測の誤差であるが通常の高分解能型であれば１０^−４レベル、すなわちビーム寸法が１ｕｍレンジで０．１ｎｍの分解能を得ることができる。また成形偏向器の回転があると測定誤差となるが一様な直線成分であるが、図３の様に移動する絞り側を固定側の絞り上に重ねることで、ＤＡＣ非直線性評価への影響を更に無くすことが可能である。

具体的な補正フロー例を図４に示す。成形偏向ＤＡＣの可変範囲に沿って順次データＷ_ｎを設定し、そのビーム電流Ｉ_ｎを測定する。ここで測定はＤＡＣ直線性であるから、電流計測の精度を維持するため、大電流寸法側にオフセットを加えることも可能である。

得られた結果からビーム電流Ｉと寸法Ｗに、
Ｉ＝ＡＷ＋Ｂ （１）
の直線関係を仮定し、Ｉ_ｎ、Ｗ_ｎを代入して最小二乗法により係数Ａ、Ｂを算出する。ここでＡは直線性係数、Ｂはオフセット係数である。

本式から、成形偏向ＤＡＣ回路のＬＳＢ値Ｒに対して、小さな値ΔＷｎだけ寸法増加する場合を考える。露光時間Ｔで寸法Ｗに仕上がり、寸法値と露光時間が微小な範囲で比例するとすれば、図２（ａ）の例では、
Ｒ＝Ｗ_ｎ＋１−Ｗ_ｎ
として単純に内挿補間をする内挿計算により、
Ｔ_ｎ＝Ｔ（１＋ΔＷ_ｎ／Ｒ） （２）
となる。

図２（ｂ）の場合は、更に個別のＷ_ｎに対して補正を、
Ｔ_ｎ＝Ｔ（１＋ΔＩ_ｎ／Ｉ）（１＋ΔＷ_ｎ／Ｒ） （３）
により、ＤＡＣ非直線性補正項を加えればよい。ただしΔＩ_ｎは（１）式で計算したＩからの差分量で、
ΔＩ_ｎ＝Ｉ_ｎ−Ｉ
である。

具体的な補正はビーム照射時間比テーブルである露光時間比補正テーブル１８をあらかじめ設けて設定し、露光時に当該寸法とに応じて参照すればよい。通常は高い寸法設定分解能は微小寸法パターンで問題となる。式（２）、（３）からも分かるとおり、補正比は電流が小さいほど影響が大きくなる。

したがってある閾値を設けてその値以下で露光時間比補正テーブル１８のメモリ量を節約することも可能である。

ここで、測定するビーム寸法にオフセットを加え、測定電流範囲を可変する機能を具備することで透過電流または反射電子量を測定器の最適レンジに合わせると高精度の測定が可能である。またビーム寸法変化時に移動する上段の成形絞りを、下段の成形絞りより大として寸法変化方向と垂直方向にオーバーラップするように位置にオフセットを加えれば、電流測定時に垂直方向にビームがカットされる影響を防止できる。

本発明によれば、実パターン描画の寸法設定分解能を実効的に再現よく改善し、微細なパターン描画を実現する。電流計測はビーム走査や微分処理時間が不要で高速化や高精度化のための多数点測定が可能である。コスト的に高価な高分解能成形偏向ＤＡＣ回路や複雑な補正ＤＡＣ回路を必要とせず安価に実現できる。

本発明の実施例に係わるもので、電子ビーム描画装置の概要を示す図。 本発明の実施例に係わるもので、ビーム電流の測定範囲を示す図。 本発明の実施例に係わるもので、回転誤差を回避するための成形絞り配置例を示す図。 本発明の実施例に係わるもので、測定フローチャート図。

符号の説明

１…電子源、２…第一成形絞り、３…第一成形レンズ、４…成形偏向器、５…第二成形レンズ、６…第二成形絞り、７…第一成形絞り像、８…ブランキング電極、９…縮小レンズ、１０…ブランキング絞り、１１…成形ビーム、１２…対物レンズ、１３…対物偏向器、１４…反射電子検出器、１５…電流計、１６…移動ステージ、１７…成形偏向ＤＡＣ回路、１８…露光時間比補正テーブル、１９…ブランキング制御回路、２０…対物偏向回路、２１…電流測定回路、２２…制御計算機。

Claims (4)

1. 電子ビームを通過させてビーム形状またはビーム寸法が可変なる可変成形電子ビームを成形する上下段の成形絞りと、上段の前記成形絞りを通過し、下段の前記成形絞りに向かう前記電子ビームの方向を偏向する偏向器と、前記可変成形電子ビームの描画に用いられる描画データに応じて成形偏向器に設定するアナログ出力を発生する成形偏向ＤＡＣ回路と、前記可変成形電子ビームの照射時間を制御するブランキング手段と、前記可変成形電子ビームを試料の面上に偏向して照射位置決めを行う対物偏向手段と、前記試料を載置して前記可変成形電子ビームの照射位置に試料が位置するように移動する移動ステージと、前記可変成形電子ビームの反射または透過電流の電流値を検知する検知手段とを有し、前記検知手段の検知により前記可変成形電子ビームの校正を行う電子ビーム描画装置において、
   前記成形偏向ＤＡＣ回路に前記ビーム寸法誤差から算定した補正量を設定し、
   さらに前記成形偏向ＤＡＣ回路の分解能１ビット相当の前記電流値のデータからビーム電流とビーム寸法の直線関係を内挿補間により仮定し、測定するビーム寸法にオフセットを加え、測定電流範囲を可変してビーム寸法を測定し、この直線関係から分解能１ビット未満のビーム寸法変化に対応して補正すべきビーム照射時間のビーム照射時間比テーブルを備えることを特徴とする電子ビーム描画装置。
   
2. 請求項１記載の電子ビーム描画装置において、前記成形偏向ＤＡＣ回路の各成形ＤＡＣデータ毎に、前記ブランキング手段のブランキング制御回路に連動するビーム照射時間比テーブルを具備することを特徴とする電子ビーム描画装置。
3. 請求項１記載の電子ビーム描画装置において、前記検知手段で測定する前記ビーム寸法にオフセットを加え、測定電流範囲を可変する機能を具備することを特徴とする電子ビーム描画装置。
4. 請求項１記載の電子ビーム描画装置において、前記ビーム寸法を変化させる変化時に移動する上段の前記成形絞りを、下段の前記成形絞りより大として寸法変化方向と垂直方向にオーバーラップするように位置にオフセットを加え、測定電流範囲を設定することを特徴とする電子ビーム描画装置。

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