JPH08195345A

JPH08195345A - 電子ビーム描画装置

Info

Publication number: JPH08195345A
Application number: JP7027879A
Authority: JP
Inventors: Hiroya Ota; 洋也太田; Takashi Matsuzaka; 尚松坂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 1996-07-30

Abstract

(57)【要約】【構成】焦点および非点の補正を高速に行う部分と比較
的低速に行う部分に分離して、それぞれ静電型と電磁型
の補正器に割り当てる。例えば試料１１の高さ変動は、
試料高さ検出器１３により検出され、高さ制御装置１４
を経て電磁焦点補正器１０で補正される。また、偏向に
伴う焦点補正は偏向制御装置１５から出力される偏向量
によって、静電焦点補正器９で補正される。【効果】高速描画を行うことができる。また、加工精度
が向上し、高精度な描画が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子などの製造に
用いられる電子ビーム描画装置に係り、特に、高速かつ
高精度な描画を行う電子ビーム描画装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム描画は半導体素子のパターン
データを直接パターニングすることができるばかりでな
く、微細加工性でも光による露光に比べて優れている。
しかし、基本的に一筆書きという描画方式のため、高速
性に課題が残っている。高速化を阻害する要因の一つ
に、偏向器や焦点補正器のコイルの応答の遅さをあげる
ことができる。電子ビーム描画で試料の高さ変動に対す
る焦点補正は重要で、試料の高さが変動すると、ビーム
がぼけるばかりでなく、偏向位置精度にも影響を与え
る。

【０００３】近年、半導体素子の集積度と微細性が向上
するにつれて描画すべきパターンの数が急激に増大して
おり、結果として、コイルによる焦点補正器の応答時
間、すなわち、整定時間が全体の描画時間に占める割合
が大きくなってきている。また、コイルで発生する磁場
が急速に変化すると金属などの導電性の部材の表面に渦
電流が発生し、電子ビーム偏向位置に影響を与えるばか
りか、渦電流が消滅するまでに多くの時間がかかり、さ
らに整定時間が長くなる原因となる。渦電流の影響を少
なくするために、偏向器や対物レンズ内部の材料とし
て、例えば、セラミックスやフェライトなどの比較的加
工の困難な材料を用いなければならなかった。

【０００４】これ対して、例えば、特公平4−47944号公
報では、磁場レンズに比べて高速な電場を用いる静電レ
ンズの焦点補正器を用いている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】静電レンズの焦点補正
は、磁場レンズによる焦点補正よりも高速に行うことが
できる。しかし、静電レンズはレンズ作用が弱く、例え
ば、特公平4−47944号公報に示されているように、レン
ズ磁場内に配置しても、焦点補正器に印加する電圧は１
００Ｖを超え、これは偏向器に与える電圧よりも高くな
り、偏向系の整定時間を律速してしまうことになる。

【０００６】ところで、焦点補正を行う対象は、二つに
大別できる。一つは試料の高さ変動である。これは主に
試料ステージの機械的精度によるものである。他の一つ
は、電子ビームの偏向による像面湾曲である。これらの
補正量は、試料の高さ変動によるものが像面湾曲に比較
して１０倍程度大きい。これは、焦点補正器に印加する
電圧の大部分は高さ変動補正に費やしていることを意味
する。これに対して、像面湾曲による焦点補正量は少な
く、比較的低い電圧で補正を行うことができる。

【０００７】同時に、これらの焦点補正はそれぞれ低速
に行えばよいものと高速に行う必要があるものに相当す
る。したがって、焦点補正を低速に行う部分と高速に行
う部分とに明確に分離して、それぞれ電磁型と静電型の
補正器に割り当てることにより、総合的に高速性を実現
する。

【０００８】また、非点補正に関しても同様である。電
子光学系の中心軸上での非点は低速に行えばよいし、偏
向非点は高速に行う必要がある。したがって、これらを
分化して補正を行えば総合的に高速に補正が可能であ
る。

【０００９】これら、非点および焦点補正器の配置に関
する具体的な開示はなかった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】焦点および非点の補正を
高速に行う部分と比較的低速に行う部分に分離して、そ
れぞれ静電型と電磁型の補正器に割り当てることによ
り、描画の高速性を実現する。

【００１１】また、これらの補正器の形状や位置を最適
化することによって、低収差かつ高速な偏向系を実現す
る。

【００１２】

【作用】焦点補正器として磁場レンズおよび静電レンズ
を用いるときには、いずれも対物レンズ中などの強い磁
場の中に配置すると感度が高くなる。これは、強い収束
作用がある場の中で、わずかな磁場や電子エネルギを変
化させることでその効果が拡大されるためである。しか
し、この場合でもなお静電レンズの焦点補正器に印加す
る電圧は高い。電気回路の高速性は印加電圧に大きく依
存するので、静電型焦点補正器の応答を高速にするため
には、少しでも電圧を低下させなければならない。した
がって、静電レンズによる焦点補正量を必要最低限と
し、他の部分では電磁レンズの焦点補正器を用いる。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）図１は本発明の第一の実施例の構成を示し
た図である。

【００１４】電子源１から放射され、加速電極（図示せ
ず）で加速された、電子ビーム２は、第１成形絞り３で
制限され、第１成形レンズ４と第２成形レンズ５で第２
成形絞り６上に投影されて、ビーム形状が決定される。
第２成形絞り６の形状が矩形で、第１成形絞り３との重
なりの程度を変化させれば、可変成形方式となる。ま
た、第２成形絞り５にあらかじめ描画すべきパターンを
設けておけば、一括成形方式となる。第２成形絞り６上
の像は、対物レンズ７で感光剤が塗布された試料１１上
に転写され描画を行う。

【００１５】このとき、試料１１上での電子ビームの位
置は偏向制御装置１５からの出力により偏向器８によっ
て決定される。通常、試料１１の大きさは、偏向器８で
電子ビーム２を偏向することが可能な範囲よりも大きい
ので、試料ステージ１２を移動させて試料上のすべての
領域の描画を行っている。試料ステージ１２は、ステッ
プアンドリピート方式でも連続移動方式でもよい。

【００１６】試料１１は半導体ウェハであることが多
く、いくつかの半導体製造プロセスを経たウェハは湾曲
したり、凹凸ができることがある。また、試料ステージ
１２に取り付けるときの誤差や、ステージの移動による
機械的な精度により試料１１が上下動する。このような
試料の高さ変動が起こると試料上での電子ビーム像にぼ
けが生じるため、試料１１の高さを、例えば、光学式の
試料高さ検出器１３で測定し、高さ制御装置１４によっ
て変換されて、電子ビーム２の試料上での結像位置を試
料の高さにあわせて補正をしながら描画を行っている。

【００１７】さらに、偏向器８で電子ビーム２を偏向す
ると、中心軸からの距離、すなわち、偏向距離に応じて
結像位置が試料１１の面よりも上側にずれる像面湾曲と
いわれる現象も起こる。これもまた、像にぼけが生じる
原因となり、補正を要する。

【００１８】これらの焦点補正は、試料の高さや偏向距
離に応じて対物レンズ７の焦点距離を変えることで行っ
ている。焦点距離の補正を、対物レンズ７の励磁条件の
変化で行うことはレンズの安定度の面から困難である。
したがって、例えば、対物レンズ７に比べて巻き数の少
ないコイル電磁焦点補正器１０を設けたり、単数または
複数の電極を用いた静電焦点補正器９を設けて焦点補正
を行っている。これらの静電焦点補正器９や電磁焦点補
正器１０は、印加する電圧や電流を少なくするために、
多くの場合対物レンズ７の内部に配置して対物レンズ７
の磁場を利用する。

【００１９】上記の焦点補正のうち、試料の高さ変動は
電子ビームの偏向範囲に比べて変動の周期が長く、補正
量も通常数百ミクロンと大きく、試料毎に異なる。しか
し、この補正は電子ビームの偏向範囲内で試料ステージ
が停止しているときは一度の補正でよく、連続移動ステ
ージの場合にも偏向範囲分だけ移動する度に補正を行え
ば十分である。これに対して、像面湾曲による焦点補正
は偏向距離に依存するので、厳密には一つの図形を照射
する毎に行わなければならない。しかし、像面湾曲は対
物レンズと偏向器の幾何的な形状に依存するので、試料
の違いによる相違はなく補正量も試料の高さ変動よりも
少ない。したがって、これらの補正量と補正の時間的間
隔は大きく異なる。

【００２０】従来は、これらの補正のすべてを電磁また
は静電の焦点補正器で行っていた。図２は、従来の焦点
補正方式を示したものである。試料高さ検出器１３の出
力と偏向制御装置１５からの偏向位置を高さ制御装置１
４で加算して、例えば、図２では電磁焦点補正器１０に
出力している。この方式では、電磁補正器は少ない電流
で大きな補正範囲を得ることができるが、像面湾曲補正
のような高速の補正には不向きで、全体の整定時間を律
速してしまう。また、静電型の補正器で試料の高さ変動
に対応するためには高い電圧が必要となり、高電圧用の
制御回路を構成すると結果的に整定時間が長くなり、静
電型の利点が生かせないという矛盾があった。

【００２１】これらを効果的に補正するためには、試料
の高さ変動には電磁焦点補正器を、像面湾曲分には静電
焦点補正器をそれぞれ専用に割り当てることによって解
決可能である。

【００２２】試料の高さ変動は補正範囲が広いが整定時
間の長い電磁焦点補正器を、像面湾曲分の補正は整定時
間の短い静電焦点補正器を用いる。これにより、静電焦
点補正器の制御電圧を低く押さえることができ、総合的
に高速に描画が可能となる。

【００２３】すなわち図１で、高さ検出装置１３からの
出力は高さ制御装置１４を経て電磁焦点補正器１０へ出
力され、偏向制御装置１５からの出力は偏向器８と静電
焦点補正器９へ入力される。

【００２４】（実施例２）図３は本発明の第二の実施例
を示したものである。図１のＡの範囲、すなわち、電子
源から対物レンズの物点までの構成の例であり、これ以
下の構成は図１と同一である。図３（ａ）はいわゆるポ
イントビームと呼ばれるもので、電子源１の像を縮小レ
ンズ１６で縮小する構成である。図３（ｂ）は、電子源
として複数の電子源１７を用いたものである。複数の電
子源で描画すべきパターンの電子ビーム２を発生して、
これを縮小レンズ１６で投影する。また図３（ｃ）のよ
うに、第２成形絞り６の代わりに複数の開口を持ち、そ
れぞれにオンオフの機能を持ったものを用いても、複数
の電子源１７と同様の効果を得ることができる。制御装
置付き複数絞り１８上に投影された電子ビームはそれぞ
れの開口でオンオフを制御され描画すべき形状をなし、
対物レンズで投影される。

【００２５】（実施例３）図１では、高さ検出装置１３
として光学式のものを挙げているが、試料からの反射電
子や二次電子を用いて試料の高さを測定する方法もあ
る。例えば、試料上に材質の相違や段差などでマークを
あらかじめ形成しておき、マーク上を走査する。このと
き、焦点補正器を変化させながら電子ビーム検出器を用
いて反射電子や二次電子でマークエッジ信号を検出し
て、最も鮮鋭な信号が得られたところが最も焦点のあっ
たところである。この方式は、焦点のあったところの焦
点補正器の信号が補正値そのもので、光学式のように高
さを補正器の出力に変換する必要がない。

【００２６】（実施例４）焦点補正と同様なことが非点
補正についても適用できる。電子ビームの非点が起こる
原因にも二種類ある。第一は、電子源を含む電子光学系
の製作組立誤差や汚染によるもので、常に存在し、軸上
非点と呼ばれるものである。この非点は電子光学系の使
用条件を決定した後に試料上での非点量が最小になるよ
うに補正を行うと、その後の変化は少ない。第二は、電
子ビームの偏向によって発生するもので、偏向非点と呼
ばれる。偏向非点量は偏向距離に依存するので、一つの
図形照射する毎に行わなければならない。この関係は、
焦点補正と同様であり、従来は一つの非点補正器で行っ
ていた。

【００２７】非点を補正するには、４５度違えて配置し
たそれぞれ四極のコイルまたは電極が必要である。ここ
で、偏向器が八極以上の静電偏向器であれば、この電極
を用いて非点を補正することが可能である。偏向信号に
非点補正信号を加算して偏向器に出力すればよい。

【００２８】図４は第四の実施例を示した図である。補
正頻度の少ない軸上非点を非点補正器１９で補正する。
高速性が必要とされる偏向非点補正は偏向器９に重畳し
て補正を行う。このとき、偏向制御装置１５内に偏向非
点補正回路を内蔵し、偏向量に応じた非点補正量を加算
して偏向器９に出力する。また、非点補正電極だけを別
に設けて配置してもよい。

【００２９】（実施例５）磁場を用いた偏向器や焦点補
正器、非点補正器が高速に変化すると、これらの周辺の
磁場が急激に変動する。その結果、偏向器や焦点補正
器、非点補正器など対物レンズ内に導電性の金属部材な
どが存在するとその表面に渦電流が発生し、電子ビーム
偏向位置に影響を与えるばかりか、渦電流が消滅するま
でに多くの時間がかかり、見かけ上の整定時間が長くな
る。渦電流の影響を少なくするために、例えば、セラミ
ックスやフェライトなどの比較的加工の困難な材料を用
いなければならなかった。

【００３０】しかし、実施例に示したように静電型の偏
向器、静電焦点補正器を用いて偏向、焦点補正、非点補
正を行えば、高速の磁場変動がなくなり、対物レンズ内
の偏向器や補正器などの構成要素をすべて導電性材料、
例えば、金属製とすることが可能となる。加工精度の良
い金属材料で構成すれば、製作誤差による収差が減少し
結果的に描画精度が向上する。

【００３１】（実施例６）図５に第五の実施例として、
ポイントビームを用いた電子ビーム描画装置を示す。図
５（ａ）は電子光学系の全体を示す図であり、図５
（ｂ）には対物レンズ部の拡大図を示す。本実施例で
は、対物レンズ７として二段の構成を用いている。対物
レンズ７のつくる磁場の中に、静電型の偏向器８と静電
焦点補正器９を配置する。

【００３２】本実施例の静電焦点補正器９は偏向器８の
下に配置している。これは、偏向感度と偏向収差の最適
点に偏向器８を配置したためであり、偏向器８と静電焦
点補正器９との位置関係は上下逆でもよい。電磁焦点補
正器１０は対物レンズ７のギャップ位置に配置してい
る。これは、電磁焦点補正器１０の感度を最大にするた
めである。電磁非点補正器２０は偏向非点を補正する偏
向器８の上に配置している。

【００３３】本実施例に示したように静電型の偏向器
８、静電焦点補正器９を用いて偏向、焦点補正、非点補
正を行えば、高速の磁場変動がなくなり、対物レンズ７
内の偏向器８や静電焦点補正器９のみならず、偏向器８
を保持する偏向器保持材２１や対物レンズの真空を保持
する真空保持材２２をも、導電性材料で構成することが
可能となる。加工精度の良い金属材料で構成すれば、製
作誤差による収差が減少し結果的に描画精度が向上す
る。

【００３４】図６は、電子ビーム２をナイフエッジ２３
の上を走査したときの、透過電流を電流計２４の値の出
力を示す図である。ビーム径は、例えば、図６のように
電流値の最大最小の１０％から９０％の幅と定義され
る。また、ナイフエッジ２３の材質は、通常金属が用い
られることが多いが、シリコンのエッチング面やガリウ
ム砒素結晶の劈開を用いるとより高精度に測定すること
が可能であり、ナノメータのオーダーのビーム径の測定
が可能となる。

【００３５】

【発明の効果】本発明では、電子ビーム描画装置で、焦
点や非点を高速かつ高精度に補正することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す説明図。

【図２】従来の焦点補正方法を示す説明図。

【図３】本発明の第二の実施例を示す説明図。

【図４】本発明の第四の実施例を示す説明図。

【図５】本発明の第五の実施例を示す説明図。

【図６】ビーム径の測定結果を示す説明図。

【符号の説明】

１…電子源、２…電子ビーム、３…第１成形絞り、４…
第１成形レンズ、５…第２成形レンズ、６…第２成形絞
り、７…対物レンズ、８…偏向器、９…静電焦点補正
器、１０…電磁焦点補正器、１１…試料、１２…試料ス
テージ、１３…試料高さ検出器、１４…高さ制御装置、
１５…偏向制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｊ 37/147 Ｃ 37/153 Ｚ 37/21 Ｚ 37/305 Ｂ 9508−2Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビームを放射する電子源と前記電子源
の像または絞りの像を結像し試料上に投影する電子光学
系と前記試料上での前記電子ビームの位置を決定する偏
向器と前記電子光学系の焦点位置を変えることのできる
静電レンズ型と電磁レンズ型の焦点補正器とを具備する
電子ビーム描画装置において、前記試料の高さ変動によ
る焦点ずれを電磁レンズ型の焦点補正器で補正し、電子
ビームの偏向に伴う像面湾曲を静電レンズ型の焦点補正
器で補正することを特徴とする電子ビーム描画装置。
【請求項２】電子ビームを放射する電子源と前記電子源
の像または絞りの像を結像し試料上に投影する電子光学
系と前記試料上での前記電子ビームの位置を決定する少
なくとも八極の静電偏向器と電磁型の非点補正器とを具
備する電子ビーム描画装置において、前記電子光学系の
中心軸の非点を電磁型の非点補正器で補正し電子ビーム
の偏向に伴う偏向非点を静電偏向器の偏向信号に重畳し
て補正することを特徴とする電子ビーム描画装置。
【請求項３】請求項１または２において、前記偏向器お
よび前記焦点補正器をすべて導電性材料で構成した電子
ビーム描画装置。