JP7017129B2 - 荷電粒子ビーム描画装置及び荷電粒子ビーム描画方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム描画装置及び荷電粒子ビーム描画方法に関する。

ＬＳＩの高集積化に伴い、半導体デバイスに要求される回路線幅は年々微細化されてきている。半導体デバイスへ所望の回路パターンを形成するためには、縮小投影型露光装置を用いて、石英上に形成された高精度の原画パターン（マスク、或いは特にステッパやスキャナで用いられるものはレチクルともいう。）をウェーハ上に縮小転写する手法が採用されている。高精度の原画パターンは、電子ビーム描画装置によって描画され、所謂、電子ビームリソグラフィ技術が用いられている。

電子ビーム描画装置では、ステージ位置を測定しながら、移動するステージ上に載置された基板にパターンを描画する。電子ビーム描画装置を用いて基板上にパターンを描画する場合、描画位置のずれや電子ビームの焦点ずれなどを避けるために、基板表面の正確な高さを測定し、測定された高さに応じてレンズを調整し、電子ビームを基板表面に収束させていた。例えば、電子ビーム描画装置の高さ測定部を用いて、描画前に、基板表面に光を照射して反射光を検出し、基板表面の高さ分布を測定していた。

しかし、描画前に測定した高さ分布を用いて電子ビームの焦点位置を調整しても、電子ビームの位置ずれを十分に抑えることができなかった。

特開２００８－２７７３７３号公報 特開２０１０－１２３６９４号公報 特開２０１１－１５１１１１号公報 特開２００９－１４７２５４号公報 特開２０１０－１１７５０７号公報

本発明は、ビームの描画位置のずれを低減する荷電粒子ビーム描画装置及び荷電粒子ビーム描画方法を提供することを課題とする。

本発明者等が上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ステージ速度に応じて、ステージ上に載置されている基板の表面高さが変化しており、ステージ速度を考慮して基板表面高さを算出し、焦点位置を調整することにより、上記課題を解決し得ることを見出した。即ち、本発明の要旨は以下の通りである。

本発明の一態様による荷電粒子ビーム描画装置は、描画対象の基板が載置される移動可能なステージと、荷電粒子ビームを用いて、移動している前記ステージ上に載置される基板の表面にパターンを描画する描画部と、静止している前記ステージ上に載置された基板の高さ分布を測定する測定部と、前記基板の高さ分布から求まる描画位置の基板表面高さに、前記ステージの移動速度に基づく基板の高さ変動を加算して、描画位置における基板表面高さを補正する補正部と、前記描画位置における補正された基板表面高さに基づいて、前記荷電粒子ビームの焦点位置を調整する制御部と、を備えるものである。

本発明の一態様による荷電粒子ビーム描画装置において、前記補正部は、前記基板の高さ分布から求まる描画位置の基板表面高さに、前記ステージの移動速度及び加速度に基づく基板の高さ変動を加算して、描画位置における基板表面高さを補正する。

本発明の一態様による荷電粒子ビーム描画装置において、前記ステージは、前記基板に描画するパターンの密度に応じて移動速度が変わる。

本発明の一態様による荷電粒子ビーム描画方法は、荷電粒子ビームを用いて、移動しているステージ上に載置される基板の表面にパターンを描画する荷電粒子ビーム描画方法であって、前記ステージを停止している状態で、前記ステージ上に載置された基板の高さ分布を測定する工程と、前記基板の高さ分布から求まる描画位置の基板表面高さに、前記ステージの移動速度に基づく基板の高さ変動を加算して、描画位置における基板表面高さを補正する工程と、前記描画位置における補正された基板表面高さに基づいて、前記荷電粒子ビームの焦点位置を調整する工程と、を備えるものである。

本発明の一態様による荷電粒子ビーム描画方法において、前記基板の高さ分布から求まる描画位置の基板表面高さに、前記ステージの移動速度及び加速度に基づく基板の高さ変動を加算して、描画位置の基板表面高さを補正する。

本発明によれば、ビームの描画位置のずれを低減できる。

本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム描画装置の概略図である。 ステージ移動の例を示す図である。 主偏向領域の形状変化の例を示す図である。 同実施形態に係る描画方法を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、荷電粒子ビームの一例として、電子ビームを用いた構成について説明する。但し、荷電粒子ビームは、電子ビームに限るものではなく、イオンビーム等の荷電粒子を用いたビームでも構わない。

図１に示す描画装置は、マスクやウェーハ等の対象物に電子ビームを照射して所望のパターンを描画する描画部１００と、描画部１００による描画動作を制御する制御部２００とを備える。描画部１００は、電子ビーム鏡筒１０２及び描画室１０４を有している。

電子ビーム鏡筒１０２内には、電子銃１０１、照明レンズ１１２、投影レンズ１１４、対物レンズ１１６、ブランキングアパーチャ１２０、第１アパーチャ１２２、第２アパーチャ１２４、ブランキング偏向器１３０、成形偏向器１３２、主偏向器１３４及び副偏向器１３６が配置されている。

描画室１０４内には、移動可能に配置されたＸＹステージ１４０が配置されている。ＸＹステージ１４０上には、描画対象となる基板１５０が載置されている。なお、基板として、例えば、ウェーハや、ウェーハにパターンを転写する露光用のマスクが含まれる。また、このマスクは、例えば、まだ何もパターンが形成されていないマスクブランクスが含まれる。

描画室１０４には、基板１５０の上方から基板１５０の表面に向かって斜めにレーザ光を照射する照射部、及び基板１５０の表面で反射したレーザ光を受光する受光部を有するＺセンサ１６０（高さ測定部）が設けられている。

制御部２００は、記憶装置２０２、２０４、２０６、制御計算機２１０、偏向制御部２２０、及びステージ制御部２３０を備えている。記憶装置２０２、２０４、２０６は、例えば磁気ディスク装置である。記憶装置２０２には描画データが格納されている。この描画データには、図形パターンの形状及び位置が定義されている。

制御計算機２１０は、Ｚマップ作成部２１２、ショットデータ生成部２１４、描画制御部２１６、関数生成部２１７、及び補正部２１８を備える。Ｚマップ作成部２１２、ショットデータ生成部２１４、描画制御部２１６、関数生成部２１７及び補正部２１８の各機能は、ソフトウェアで構成されてもよいし、ハードウェアで構成されてもよい。

電子銃１０１から放出された電子ビーム１０３は、照明レンズ１１２により矩形の穴を持つ第１アパーチャ１２２全体を照明する。ここで、電子ビーム１０３は矩形に成形される。そして、第１アパーチャ１２２を通過した第１アパーチャ像の電子ビーム１０３は、投影レンズ１１４により第２アパーチャ１２４上に投影される。第２アパーチャ１２４上での第１アパーチャ像の位置は、成形偏向器１３２によって偏向制御され、ビーム形状と寸法を変化させることができる。第２アパーチャ１２４を通過した第２アパーチャ像の電子ビーム１０３は、対物レンズ１１６により焦点を合わせ、主偏向器１３４及び副偏向器１３６により偏向されて、連続移動するＸＹステージ１４０上の基板１５０の所望の位置に照射される。

電子銃１０１から放出された電子ビーム１０３は、ブランキング偏向器１３０によって、ビームオンの状態では、ブランキングアパーチャ１２０を通過するように制御され、ビームオフの状態では、ビーム全体がブランキングアパーチャ１２０で遮蔽されるように偏向される。ビームオフの状態からビームオンとなり、その後ビームオフになるまでにブランキングアパーチャ１２０を通過した電子ビームが１回の電子ビームのショットとなる。各ショットの照射時間により、基板１５０に照射される電子ビームのショットあたりの照射量が調整されることになる。

図２は、パターン描画時のステージ移動の一例を示す図である。基板１５０に描画する場合には、ＸＹステージ１４０を例えばｘ方向に連続移動させながら、描画領域１０を電子ビーム１０３が偏向可能な幅の短冊状の複数のストライプ（フレーム）２０に仮想分割し、基板１５０の１つのストライプ２０上に電子ビーム１０３を照射する。連続移動させることで描画時間を短縮させることができる。そして、１つのストライプ２０を描画し終わったら、ＸＹステージ１４０をｙ方向にステップ送りし、ｘ方向（逆向き）に次のストライプ２０の描画動作を行う。

ＸＹステージ１４０の移動速度は可変であり、例えば、描画パターンのパターン密度によって変わる。例えば、密なパターンを描画する際はステージ速度を遅くし、疎なパターンを描画する際はステージ速度を速くする。

ストライプ２０の幅は、主偏向器１３４により偏向可能な幅である。そして、各ストライプ２０においてｙ方向にもストライプのｘ方向の幅と同じ幅で区切られる。この区切られた領域が、主偏向器１３４により偏向可能な主偏向領域となる。この主偏向領域をさらに細分化した領域が副偏向領域となる。

副偏向器１３６は、ショット毎の電子ビーム１０３の位置を高速かつ高精度に制御するために用いられる。そのため、偏向範囲は副偏向領域に限定され、その領域を超える偏向は主偏向器１３４で副偏向領域の位置を移動することによって行う。一方、主偏向器１３４は、副偏向領域の位置を制御するために用いられ、複数の副偏向領域が含まれる範囲（主偏向領域）内で移動する。また、描画中はＸＹステージ１４０がｘ方向に連続的に移動しているため、主偏向器１３４で副偏向領域の描画原点を随時移動（トラッキング）することでＸＹステージ１４０の移動に追従させることができる。

電子ビーム描画装置では、焦点高さ位置（Ｚ＝０）が基板１５０の表面と合うように、レンズ系の調整が行われる。基板１５０の高さが焦点高さ位置からずれると、図３に示すように、基板表面における主偏向領域の形状が回転したり伸縮したりする。図３に示す例では、基板の表面高さが負の方向（レンズ系から遠くになる方向）にずれるにしたがって、主偏向領域は、徐々に、左回りに回転していき、領域サイズが伸びていく。逆に、基板の表面高さが正の方向（レンズ系に近づく方向）にずれるにしたがって、主偏向領域は、徐々に、右回りに回転していき、領域サイズが縮小していく。

本実施形態では、基板１５０の表面高さの分布を事前に測定しておき、描画位置の高さに応じた光学系の補正（焦点合わせ、主偏向領域の形状の伸縮・回転補正）を行う。さらに、本実施形態では、ＸＹステージ１４０の移動速度に応じて基板１５０の高さが変わることに着目し、ステージ移動速度（及び加速度）に基づいて基板１５０の表面高さを補正し、補正後の高さに基づいて光学系の補正を行う。

図４に示すフローチャートを用いて、本実施形態に係る描画方法を説明する。図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１～Ｓ１０５、Ｓ１１１～Ｓ１１５は描画開始前の前処理である。

まず、ＸＹステージ１４０に評価基板を載置し、Ｚセンサ１６０を用いて、評価基板面の高さ位置（Ｚ値）を測定する（ステップＳ１０１）。測定は、ＸＹステージ１４０を停止させた状態で行う。Ｚセンサ１６０の出力は制御計算機２１０へ出力される。Ｚ値を測定する位置は細分化した方がより精度が向上するが、例えば、８×８ヶ所程度の位置のＺ値を測定する。

Ｚマップ作成部２１２が、得られたＺ値をフィッティングして、高さ方向分布（Ｚマップ）を作成する（ステップＳ１０２）。

評価基板に評価パターンを描画する（ステップＳ１０３）。ショットデータ生成部２１２が記憶装置２０２から評価パターンの描画データを読み出し、複数段のデータ変換処理を行って、装置固有のショットデータを生成する。ショットデータには、ショット毎に、例えば、各ショット図形の図形種を示す図形コード、図形サイズ、ショット位置、照射時間等が含まれる。ショットデータはメモリ（図示略）に一時的に格納される。描画制御部２１６はショットデータを偏向制御部２２０へ出力する。

偏向制御部２２０は、ショットデータに基づいて、偏向器１３０、１３２、１３４、１３６を制御する偏向信号を生成する。偏向信号は、図示しないＤＡＣアンプによりＤ／Ａ変換された後に増幅され、偏向器１３０、１３２、１３４、１３６の電極に印加される。これにより、所望の形状の電子ビームを、評価基板の所望の位置に、所望の照射時間（照射量）で、照射することができる。なお、評価パターンは、評価基板を停止した状態で描画される。評価パターンは、ラインパターンでもよく、ホールパターンでもよい。

描画された評価パターンの位置を測定し、主偏向領域の回転量と伸縮量とを測定する（ステップＳ１０４）。例えば、描画された評価パターンの測定位置を、ｘ，ｙの２変数の１次関数でフィッティングすることで各位置での主偏向領域の回転量と伸縮量を演算できる。

ステップＳ１０２で作成したＺマップと、ステップＳ１０４で算出した各位置での主偏向領域の回転量及び伸縮量とから、基板面高さが変わることで主偏向領域の形状がどの程度回転及び伸縮するかを示すＺ依存位置ずれ係数ｂ１、ｂ２を算出する（ステップＳ１０５）。算出された係数ｂ１、ｂ２は、後述の補正式で利用されるものであり、記憶装置２０６に格納される。

また、描画位置に応じた主偏向領域の歪みを補正する補正係数ａ０、ａ１、ａ２等を算出し、記憶装置２０６に格納しておく。例えば、ＸＹステージ１４０を移動させてステージ上のマーク（図示略）を所望する主偏向領域の各位置に移動させる。そして、主偏向領域内の各位置に電子ビームを偏向してマーク位置を計測し、その残差を求める。そして、得られた残差を、ｘ、ｙを変数とする関数式でフィッティングすることにより、係数ａ０、ａ１、ａ２等が算出される。係数ａ０、ａ１、ａ２等も後述の補正式で利用されるものである。

マークの高さをｚとしたときの係数ａ１、ａ２、マークの高さをｚ´としたときの係数ａ１´、ａ２´を求め、Ｚ依存位置ずれ係数ｂ１をｂ１＝（ａ１-ａ１´）／（ａ２－ａ２´）という式から算出してもよい。

ＸＹステージ１４０に評価基板を載置し、ＸＹステージ１４０を移動させた状態で、Ｚセンサ１６０を用いて、評価基板面の高さ位置（Ｚ値）を測定する（ステップＳ１１１）。測定は、ＸＹステージ１４０の速度ｖ、加速度ａを変えながら、複数の速度、加速度でのＺ値を測定する（ステップＳ１１３，Ｓ１１４）。関数生成部２１７は、測定結果から、ステージ速度ｖ、加速度ａによる基板面の高さの変動量を表す関数ｆを算出する（ステップＳ１１５）。関数ｆは、記憶装置２０６に格納される。

係数ａ０、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、関数ｆを求めた後、描画対象の基板１５０に対して実描画を行う。基板１５０に対して描画するパターンの描画データは、記憶装置２０２に外部から入力され、格納される。

Ｚセンサ１６０を用いて、基板１５０の高さ方向分布を測定する（ステップＳ１２１）。Ｚマップ作成部２１２が、各位置で測定された高さ位置（Ｚ値）を用いて、高さ方向分布（Ｚマップ）を作成する（ステップＳ１２２）。Ｚマップは記憶装置２０４に格納される。

描画処理を開始する（ステップＳ１２３）。例えば、ショットデータ生成部２１４が記憶装置２０２から描画データを読み出し、複数段のデータ変換処理を行って、装置固有のショットデータを生成する。描画装置で図形パターンを描画するためには、１回のビームのショットで照射できるサイズに描画データに定義された各図形パターンを分割する必要がある。そこで、ショットデータ生成部２１４は、描画データが示す図形パターンを１回のビームのショットで照射できるサイズに分割してショット図形を生成する。そして、ショット図形毎にショットデータを生成する。ショットデータには、例えば、図形種、図形サイズ、照射位置、及び照射量が定義される。生成されたショットデータはメモリ（図示略）に順次一時的に格納される。

描画制御部２１６が、ショットデータを偏向制御部２２０へ出力する。偏向制御部２２０は、ショットデータに基づいて、各偏向器を制御する偏向信号を生成する。

描画制御部２１８は、描画パターンの密度に応じたステージ速度になるように、速度指令信号をステージ制御部２３０へ出力する。ステージ制御部２３０は、速度指令信号に基づいて、ＸＹステージ１４０の速度（加速度）を制御する。

補正部２１８が、速度指令信号から、ＸＹステージ１４０の速度ｖ、加速度ａの情報を取得する（ステップＳ１２４）。速度ｖ、加速度ａは、ＸＹステージ１４０の位置を測定するレーザ測長計から得た変位データを微分することで、リアルタイムに取得するようにしてもよい。

補正部２１８が、偏向制御部２２０へ出力されるショットデータから、描画位置（ビーム照射位置）ｘ、ｙを取得する（ステップＳ１２５）。

補正部２１８が、ＸＹステージ１４０の速度ｖ、加速度ａによる基板表面の高さの変動量ｆ（ｖ、ａ）を算出し、Ｚマップから求まる描画位置ｘ、ｙにおける基板表面高さＺｍａｐ（ｘ、ｙ）を補正する（ステップＳ１２６）。描画位置における補正後の基板表面高さｚ（ｘ、ｙ、ｖ、ａ）は以下の式で表される。
ｚ（ｘ、ｙ、ｖ、ａ）＝Ｚｍａｐ（ｘ、ｙ）＋ｆ（ｖ、ａ）

ショットデータから、主偏向器１３４による電子ビームの偏向位置ｍｘ、ｍｙ（主偏向位置。副偏向領域の描画原点。）を取得する（ステップＳ１２７）。

以下の補正式を用いて、ＤＡＣ値（主偏向器１３４に設定される電圧値を決定するＤＡＣ（図示略）へ出力される値）を求め、主偏向領域の形状を補正する（ステップＳ１２８）。
ＤＡＣ値Ｘ＝（ａ０＋ｂ０＊ｚ）＋（ａ１＋ｂ１＊ｚ）ｍｘ＋（ａ２＋ｂ２＊ｚ）ｍｙ
ＤＡＣ値Ｙも同様に算出できる。補正式は１次でなくてもよく、例えば３次式でもよい。

描画制御部２１６は、算出された主偏向領域の形状補正量に基づいて、対物レンズ１１６を制御して、焦点位置を調整し、主偏向領域の回転・伸縮を補正し、描画処理を行う。

このように、本実施形態によれば、ステージ速度（加速度）による基板面高さの変動を考慮して、事前に測定した基板面高さを補正し、基板面高さを高精度に算出できる。そのため、焦点位置の調整等を精度良く行い、ビームの描画位置のずれを低減できる。

上記実施形態では、ステージの速度及び加速度の変化に伴う基板面高さの変動について説明したが、速度／加速度を基板面高さの変動量に変換する関数ｆは、さらに位置を変数に含むものであってもよい。

上記実施形態では、ステージの速度及び加速度の変化に伴う基板面高さの変動を考慮する例について説明したが、加速度は省略し、ステージの速度変化に伴う基板面高さの変動のみを考慮してもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１００ 描画部
１０１ 電子銃
１０２ 電子ビーム鏡筒
１０３ 電子ビーム
１０４ 描画室
１１２ 照明レンズ
１１４ 投影レンズ
１１６ 対物レンズ
１２０ ブランキングアパーチャ
１２２ 第１アパーチャ
１２４ 第２アパーチャ
１３０、１３２、１３４、１３６ 偏向器
１４０ ＸＹステージ
１６０ Ｚセンサ
２００ 制御部
２０２、２０４、２０６ 記憶装置
２１０ 制御計算機
２１４ ショットデータ生成部
２１６ 描画制御部
２２０ 偏向制御部
２３０ ステージ制御部

Claims (5)

1. 描画対象の基板が載置される移動可能なステージと、
   荷電粒子ビームを用いて、移動している前記ステージ上に載置される基板の表面にパターンを描画する描画部と、
   静止している前記ステージ上に載置された基板の高さ分布を測定する測定部と、
   前記基板の高さ分布から求まる描画位置の基板表面高さに、前記ステージの移動速度に基づく基板の高さ変動を加算して、描画位置における基板表面高さを補正する補正部と、
   前記描画位置における補正された基板表面高さに基づいて、前記荷電粒子ビームの焦点位置を調整する制御部と、
   を備える荷電粒子ビーム描画装置。
2. 前記補正部は、前記基板の高さ分布から求まる描画位置の基板表面高さに、前記ステージの移動速度及び加速度に基づく基板の高さ変動を加算して、描画位置における基板表面高さを補正する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。
3. 前記ステージは、前記基板に描画するパターンの密度に応じて移動速度が変わることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子ビーム描画装置。
4. 荷電粒子ビームを用いて、移動しているステージ上に載置される基板の表面にパターンを描画する荷電粒子ビーム描画方法であって、
   前記ステージを停止している状態で、前記ステージ上に載置された基板の高さ分布を測定する工程と、
   前記基板の高さ分布から求まる描画位置の基板表面高さに、前記ステージの移動速度に基づく基板の高さ変動を加算して、描画位置における基板表面高さを補正する工程と、
   前記描画位置における補正された基板表面高さに基づいて、前記荷電粒子ビームの焦点位置を調整する工程と、
   を備える荷電粒子ビーム描画方法。
5. 前記基板の高さ分布から求まる描画位置の基板表面高さに、前記ステージの移動速度及び加速度に基づく基板の高さ変動を加算して、描画位置の基板表面高さを補正することを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子ビーム描画方法。
   

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