JPH0935057A - マーク検出方法および電子ビーム描画装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】精度の良いマーク検出方法およびそれを用いた
電子ビーム描画装置を提供する。 【解決手段】マーク検出で使用するビームの情報を検出
に用いるテンプレートまたは検出信号に反映させる。こ
のため、検出に用いるビームの形状及び強度分布を測定
しておき、これらの情報を反映したフィルタを作成し、
これを検出に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子ビーム描画装置に係
り、特に信頼性が高く、高精度な合わせ描画を実現する
ための合わせマーク検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム描画技術においては、すでに
試料上に形成されたパターンの位置に合わせて、別の新
たなパターンを描画することが多い。このような合わせ
描画を行うために、事前に試料上に形成されたマークの
位置を検出し、その位置を基準として新たなパターンを
描画することが行われている。

【０００３】図２を用いて合わせ描画におけるマーク検
出方法の一例を説明する。合わせ描画の際には試料１０
１に溝１０２を形成しこれをマークとして用いる。試料
101はステージ１００上に配置されている。マーク検出
の際は制御計算機１０３からステージ制御回路１１２に
命令が送られ、マーク１０２が電子ビーム１０６の偏向
できる範囲に入るようにステージ１００が駆動される。
次に制御計算機１０３から偏向制御回路１０４に電子ビ
ームの偏向信号が送られ、偏向器１０５により電子ビー
ム１０６がマーク１０２上に走査される。マーク１０２
上に前記電子ビーム１０６を走査した際の反射電子量を
検出器１０７で検出する。得られた信号をＡ／Ｄ変換器
１０８によりディジタル信号に変換し、これをマーク信
号２０１とする。

【０００４】前記マーク信号２０１は同図（ｂ）に示す
ようなマークの断面形状を反映したものとなる。マーク
信号はメモリ１１１に格納される。信号処理回路１０９
ではマーク信号に対してマーク中心位置を検出する処理
を行う。処理方法としていくつか考案されているが、テ
ンプレートマッチング法が最も高精度な検出ができる方
法である。テンプレートマッチング法では予めメモリ１
１０に格納されたテンプレートとメモリ１１１に格納さ
れたマーク信号の比較によってマーク位置を求める。

【０００５】図３を用いてテンプレートマッチング法を
説明する。テンプレートマッチング法とは、予め登録さ
れた信号３０１（テンプレート）と検出した信号３０２
の一致度を計算し、最も一致度の高い位置をマーク位置
として検出する方法である。

【０００６】テンプレートの作成方法の一例を図４を用
いて説明する。テンプレートはマークの設計寸法を基に
作成される。例えば、同図（ａ）に示すような断面形状
をもつマーク１０２は、同図（ｂ）に示すようなテンプ
レート４０１をもつ。テンプレートの信号強度はマーク
の断面形状に対応する。断面形状を濃淡情報に対応させ
た、同図（ｃ）に示すような二次元画像のテンプレート
３０１を用いる場合もある。

【０００７】次に、このようにして作成したテンプレー
トと、マークの信号の一致度を計算する。ジャーナル
オブ バキューム サイエンス テクノロジー（J.Vac.
Sci.Technol.）B8(6),Nov/Dec1990 p.1994には数１に示
すような位置（ｘ，ｙ）における一致度の算出方法の一
例が示されている。数２は信号が一次元の場合のテンプ
レートマッチングでの位置ｘにおける一致度の算出方法
を示している。

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】上式のＣは一致度を、Ｍは検出信号、Ｔは
テンプレート信号、Ｎはテンプレートの大きさ、ｘ，ｙ
は一致度を算出する位置を表わしている。数１は、マー
ク信号のある位置においてテンプレートと同じＮ×Ｎの
範囲を切り出し、両者の一致度を求めることを意味して
いる。

【００１１】得られた検出信号の各位置についてそれぞ
れテンプレートとの一致度を算出した結果を図５に示
す。テンプレートとマーク信号が最も良く一致する位置
において、一致度の値は最大値をとる。したがって、最
大の一致度の値が得られる位置をマーク位置とする。

【００１２】テンプレートを作成する方法には、上記で
述べたようなマークの設計寸法に基づいて計算により作
成する方法の他に、一度マーク上にビームを走査して得
られる信号をテンプレートとし、同じ形状のマークを検
出する際にこのテンプレートを用いる方法も広く用いら
れている。

【００１３】また、他のテンプレート作成方法の例とし
て、特開平6−124833 号公報に記述されている方法があ
る。この方法はキャラクタービームの校正を目的とした
ものである。この方法では微小マークにキャラクタービ
ームを走査したときに得られる信号を用いて、テンプレ
ートマッチングによりビームの回転，倍率を調整する。
このとき、ノイズの影響を低減するために設計情報をも
とにしたテンプレートにノイズフィルタ関数をコンボリ
ューションし、これを新たなテンプレートとして用いて
いる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】前記テンプレートマッ
チング法では、検出したマーク信号とテンプレートの一
致度が高いほど精度の良い検出が可能である。図６に一
致度と検出精度の関係を示す。図の横軸はマーク信号と
テンプレートの一致度を示し、縦軸は検出精度を示して
いる。一致度の値が１のときテンプレートと検出信号は
完全に一致する。図より一致度が高いテンプレートを用
いるほど、精度の良い検出ができることがわかる。

【００１５】従来のテンプレートマッチング法では、か
かる一致度については十分な配慮がなされていなかっ
た。しかし近年の半導体工程におけるデバイスの多層化
構造化や平坦化プロセスの影響で、マーク検出の信号は
低Ｓ／Ｎとなる傾向がある。一方でデバイスの微細化が
進むなかで、マーク検出の高精度化が要求されるように
なってきた。このため従来には考慮する必要がなかった
検出信号と高い一致度をもつテンプレートを検出に用い
ることが高精度なマーク検出の実現に重要な課題となっ
てきた。

【００１６】図７にマーク形状とこれにビームを走査し
て得られるマーク信号の一例を示す。マーク信号には検
出系やアンプからのノイズが混入している。また、走査
したビームが大きさをもつために、マークのエッジ付近
の信号は実際の形状よりも大きいスロープをもってい
る。したがって、従来のマークの設計情報のみに基づく
テンプレートを用いた検出では、テンプレートと実際の
マーク信号との一致度は低く、高精度な検出が不可能で
ある。

【００１７】また、同一形状のマークにビームを走査し
て得られる信号をテンプレートとする方法では、テンプ
レートの信号そのものにも検出器やアンプからの様々な
ランダムノイズが混入するため、高精度な検出が難し
い。前述したような設計情報にノイズフィルタをコンボ
リューションする方法では検出信号のノイズの影響は低
減できる。しかしビームが大きさをもつために生じるマ
ーク信号のエッジ部分のスロープは考慮されないため、
高精度検出に用いるには信号との一致度が不十分であっ
た。

【００１８】したがって、ノイズ成分を含まず、検出信
号とより一致度の高いテンプレートが高精度なマーク検
出の実現に必要とされている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明におけるマーク検
出では、マーク検出で使用するビームの情報を検出に用
いるテンプレートまたは検出信号に反映させることを特
徴とする。このために本発明では、検出に用いるビーム
の形状及び強度分布を測定しておき、これらの情報を反
映したフィルタを作成し、これを検出に用いる。

【００２０】図８を用いてビーム情報を反映するフィル
タの作成方法を説明する。図６(ａ)にマーク検出に用い
るビーム形状の一例を示す。ビーム形状は丸形あるいは
矩形が一般的に使われている。これらのビーム強度は一
様ではなく、同図（ｂ）に示す強度分布をもつ。そこで
これらビーム形状と強度分布の情報を基にフィルタ８０
１を作成する。ビームの二次元情報を反映させるフィル
タは、同図（ｃ）に示すようなマトリックスになる。マ
トリックスの各要素の値はビーム強度に対応し、各要素
の位置関係はビームの形状に対応している。このように
して作成したフィルタをマーク検出に用いる。

【００２１】ビームの形状や強度分布等のビームの情報
は検出時のビームの設定か、あるいは検出前に測定した
結果か、あるいは設定と測定で得られた結果の両方に基
づく。

【００２２】図９は本発明に基づきテンプレートを作成
する方法の一例を示したものである。同図は十文字形状
のマークに対して二次元のテンプレートマッチングを行
う際のテンプレートの作成方法を示している。まず、マ
ーク形状の設計値に基づいてテンプレート３０１を作成
する。次に、このテンプレートに対してマーク検出に用
いるビームの形状を示すフィルタ８０１を用いてフィル
タリング処理を行う。この結果得られる信号９０１をテ
ンプレートとし、マーク検出に用いる。このテンプレー
ト９０１はビーム情報を反映したものとなり、フィルタ
リング処理を行う前のテンプレート３０１に比べて検出
信号との一致度の高い良好なテンプレートとなる。

【００２３】図１０は本発明に基づき、マーク検出に一
次元信号を用いた場合のテンプレートを示したものであ
る。同図（ｂ）に示すマーク形状の設計値にのみ基づい
た従来のテンプレート４０１に比較して、同図（ｃ）に
示す本発明に基づくテンプレート９０２は同図（ａ）に
示す検出したマーク信号２０１との一致度の高い良好な
テンプレートとなる。

【００２４】図１１は本発明に基づき、検出信号にビー
ム情報を反映させる処理の方法を示している。先に述べ
た手段で作成したフィルタの逆行列を作成し、これを逆
フィルタ９０３とする。この逆フィルタを用いて検出信
号にフィルタリング処理を行う。処理後の信号９０４は
ビームの形状や強度分布の影響を取り除いた信号とな
り、理想的なマーク形状に近いものになる。この信号９
０４とマークの断面形状に基づくテンプレート３０１を
用いてパターンマッチングを行い、マーク位置を検出す
る。

【００２５】

【作用】本発明によれば、検出に用いるビームの形状や
強度分布等の情報を反映した高精度なマーク検出が可能
となる。特にテンプレートマッチングで検出する場合、
マーク信号とテンプレートとの一致度が向上するため、
従来以上に高精度なマーク検出が可能となる。

【００２６】電子ビームにおけるマーク信号の波形は、
マークの形状と、走査に用いたビームの形状や強度分布
によって決定される。従来のマークの設計形状のみに基
づくテンプレートを用いた検出ではマーク信号とテンプ
レートとの一致度が不十分であった。しかし本発明によ
ればテンプレートにマークの設計情報に加えてビームの
情報を反映するため、信号とテンプレートの一致度が向
上し、高精度なマーク検出が可能となる。

【００２７】実際にマーク上にビームを走査した信号を
テンプレートとして用いる従来の他の方法ではテンプレ
ート自身にノイズを含むことが精度を劣化させる要因と
なる。しかし本発明によれば計算によりテンプレートを
作成するため、テンプレートの信号にランダムノイズを
含まない良好なテンプレートを検出に用いることがで
き、高精度な検出が可能となる。

【００２８】

【実施例】図１２に本発明に基づくマーク検出の手順の
一例を示す。始めにビーム情報を得るための測定を行
う。得られたビーム情報と、検出の対象となるマークの
設計形状をもとにしてテンプレートを作成する。次に検
出の対象となるマークがビームの偏向範囲にくるように
ステージを移動する。ビームをマーク上に走査し、その
際の反射電子を検出してマーク信号を取得する。得られ
たマーク信号と先に作成したテンプレートを用いてテン
プレートマッチングを行う。このとき得られる一致度の
最大となる位置を求める。この位置の周辺の５点のデー
タを用いて、二次曲線にフィッティングし、一致度が最
大となる位置を近似的に求め、これをマーク位置とす
る。同一形状で他に検出すべき対象のマークがあれば、
そのマークがビームの偏向範囲にくるように再びステー
ジを動かし、前回と同じテンプレートを用いて同様の検
出処理を行う。

【００２９】図１に本発明に基づく電子ビーム描画装置
のシステム構成の一例を示す。予め検出に用いるビーム
の情報をメモリ１１３に記憶しておく。このビームの情
報とマークの設計情報を基に制御計算機１０３を用いて
テンプレートを計算で求め、メモリ１１０に格納する。
一方でマーク信号を取得する。制御計算機１０３はステ
ージ制御回路１１２に命令を送り、マーク１０２が電子
ビーム１０６の偏向範囲に入るようにステージ１００が
駆動される。次に制御計算機１０３から偏向制御回路１
０４に電子ビームの偏向信号が送られ、偏向器１０５に
より電子ビーム１０６がマーク１０２上に走査される。
試料１０１からの反射電子を検出器107を用いて検出す
る。検出した信号をＡ／Ｄ変換器１０８でディジタル化
し、メモリ１１１に格納する。信号処理回路１０９にお
いてメモリ１１０に格納されているテンプレートとメモ
リ１１１に格納されているマーク信号の間でテンプレー
トマッチング法による検出を行い、結果を制御計算機１
０３に送る。

【００３０】本発明はマーク検出に用いるビームの形状
や強度分布等のビーム情報を反映させることを特徴とす
る。ビーム情報を得る方法の一例を図１３を用いて説明
する。装置内に設けられた重金属マーク９０５のエッジ
上に大きさ１×１μｍの矩形に成形した電子ビームを走
査し、その反射電子信号を検出器１０１によって検出す
る。この重金属マーク９０５はビーム形状測定用に設け
られたものであり、Ｓｉ上の段差マークに比べてコント
ラストがよく、Ｓ／Ｎの高い信号が得られる。検出信号
を同図（ｂ）に示す。前記信号を一次微分することによ
って同図(ｃ)に示すビーム強度分布を得る。この強度分
布をビームの走査ピッチを単位として、ディジタル化
し、フィルタを作成する。

【００３１】本発明に基づいて行ったマーク検出の実施
例をさらに詳細に説明する。

【００３２】マークの設計構造と上記に述べたビーム情
報に基づくフィルタを用いて、図７に示したフィルタリ
ング処理によりテンプレートを作成した。

【００３３】かかるテンプレートを用いてマーク検出を
実行した。用いたマークの大きさは幅３μｍ，長さ４０
μｍ，深さ２μｍの段差マークである。このマーク上を
大きさ１×１μｍの矩形に成形した電子ビームをピッチ
０.５μｍ で６０×６０μｍの範囲にわたって走査し、
反射電子を検出することによってマーク像を得た。この
時の電子ビームの設定は、先にビーム情報を得る測定を
したときと同じものとする。得られたマーク像と、ビー
ム情報を反映した本発明に基づくテンプレートを用いて
マッチング処理を行い、マーク検出を行った。

【００３４】テンプレートとマーク信号が理想的に完全
に一致する場合、一致度の値は１となる。従来のビーム
の情報を反映しないテンプレートを用いたマーク検出で
はマーク信号とテンプレートの一致度の値は０.７ であ
った。これに対し、本発明に基づいたビーム情報を反映
するテンプレートでは、マーク信号との一致度の値は
０.９まで向上した。その結果、従来は０.０４μｍ（３
σ）であったマーク検出精度を０.０２μｍ（３σ）ま
で高精度化することができた。

【００３５】次に本発明のマーク検出の他の実施例を説
明する。

【００３６】前記の方法で得たビーム情報のフィルタの
逆行列を計算し、逆フィルタを作成した。一方、前記と
同様の方法でマーク像を得た。マーク像に対して逆フィ
ルタを用いて図９に示したフィルタリング処理を行い、
ビームに起因するぼけを修復したマーク像を得る。この
マーク像とマークの設計情報に基づくテンプレートを用
いてマッチング処理を行い、マーク検出を行った。この
結果、ビームに起因するぼけを修復しないでマーク検出
をしたときよりも高精度な検出が実現できた。このとき
ビームに起因するぼけを修復する処理をしたマーク信号
に対して、テンプレートマッチング法以外のエッジ法や
相関法などの手法によるマーク検出を行ってもよい。

【００３７】図１４は本発明のテンプレート作成方法の
他の実施例を示したものである。電子ビーム描画装置で
はスループットを上げる目的で、（ａ）に示すようなＬ
ＳＩパターンの繰り返しの単位図形にビーム１０６を成
形し、描画する方法がある。このような複雑な図形をも
つビームでマークを走査すると、マーク形状とはかけ離
れたマーク信号が得られる。そこで、用いるビーム形状
に対応した同図（ｂ）に示すフィルタ６０１を用いてマ
ークの理想信号にフィルタリング処理することによっ
て、複雑な図形をもつビームを用いた時のマーク信号が
予測できる。これをテンプレートとすることで複雑な図
形をもつビームを用いてマーク検出することが可能とな
る。

【００３８】

【発明の効果】本発明によればテンプレートとマーク信
号の一致度が上がり、高精度なマーク検出が可能とな
る。また、計算によってテンプレートを作成する方法を
用いたとき、テンプレートの取得のためにマークを検出
する手順を省くことができる。また、実際の検出信号を
テンプレートにする方法では様々なランダムノイズがテ
ンプレート情報に含まれてしまい、一致度を下げる要因
となるが、本発明のマーク検出では、マークの理想形状
に基づいて計算によりテンプレートを作成するので、ノ
イズの影響を全く含まない良好なテンプレートが作成で
きる。

【００３９】さらにビームに起因する検出信号のぼけを
修復する処理により、ビーム形状による影響が取り除か
れ、マークの断面形状によく一致するマーク信号を用い
てマーク位置を求めることができ、高精度なマーク検出
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に基づく電子ビーム描画装置
のブロック図。

【図２】合わせ描画におけるマーク検出方法の説明図。

【図３】テンプレートマッチング法の説明図。

【図４】従来のテンプレートの作成方法の説明図。

【図５】テンプレートマッチング法における検出位置と
一致度の関係を説明する図。

【図６】テンプレートマッチング法におけるテンプレー
トと検出信号の一致度と検出精度の関係を示す図。

【図７】マーク形状およびマーク信号の一例を示す図。

【図８】ビーム情報を反映するフィルタの作成方法の説
明図。

【図９】本発明に基づくテンプレート作成方法の説明
図。

【図１０】本発明に基づくテンプレート作成方法の説明
図。

【図１１】本発明に基づくマーク検出処理の別の一例の
説明図。

【図１２】本発明に基づくマーク検出の手順の一例の説
明図。

【図１３】検出に用いるビーム情報を得る方法の一例の
説明図。

【図１４】本発明のテンプレート作成方法の他の実施例
を示す説明図。

【符号の説明】

１０１…試料、１０２…マーク、１０３…制御計算機、
１０４…偏向制御回路、１０５…偏向器、１０６…電子
ビーム、１０７…検出器、１０８…Ａ／Ｄ変換器、１０
９…信号処理回路、１１０…テンプレートを格納するメ
モリ、１１１…検出信号を格納するメモリ、１１２…ビ
ーム情報を格納するメモリ、２０１…一次元のマーク検
出信号、３０１…従来の二次元のテンプレート、３０２
…二次元のマーク検出信号、４０１…従来の一次元のテ
ンプレート、６０１…ビーム情報を表わすフィルタ、７
０１…本発明に基づく二次元のテンプレート、８０１…
本発明に基づく一次元のテンプレート、９０１…ビーム
情報を表わすフィルタの逆フィルタ、９０２…ビームの
影響を取り除く処理後のマーク検出信号、９０５…重金
属マーク。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子ビームをマーク上に走査することによ
   って得られるマーク信号を用いてマーク位置を検出する
   電子ビーム描画装置のマーク検出方法において、予め検
   出に用いる電子ビームの情報を取得しておき、前記ビー
   ム情報をマーク検出に用いることを特徴とするマーク検
   出方法。
2. 【請求項２】電子ビームをマーク上に走査することによ
   って得られるマーク信号を用いてマーク位置を検出する
   電子ビーム描画装置のマーク検出方法において、予め検
   出に用いる電子ビームの情報を取得しておき、前記ビー
   ム情報を用いてテンプレートを作成し、作成したテンプ
   レートをマーク検出に用いることを特徴とするマーク検
   出方法。
3. 【請求項３】電子ビームをマーク上に走査することによ
   って得られるマーク信号を用いてマーク位置を検出する
   電子ビーム描画装置におけるマーク検出方法において、
   予め検出に用いる電子ビームの情報を取得しておき、前
   記ビーム情報を用いて検出信号にフィルタリング処理を
   行い、前記処理を行った信号を用いてマーク位置を求め
   ることを特徴とするマーク検出方法。
4. 【請求項４】電子ビームをマーク上に走査することによ
   って得られるマーク信号を検出する検出器と、前記検出
   器から取得される信号を格納するメモリと、マークの位
   置を検出する際に用いるテンプレートを格納するメモリ
   と、前記検出信号とテンプレートを比較してマーク位置
   を算出する信号処理回路を有することを特徴とする電子
   ビーム描画装置。