JPH11176368A

JPH11176368A - 荷電粒子光学系

Info

Publication number: JPH11176368A
Application number: JP10249717A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Shimizu; 弘泰清水
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 1999-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】荷電粒子線装置において、荷電粒子線の軌道
を大きく偏向した場合でも収差を小さく抑えることがで
きる荷電粒子光学系の提供。【解決手段】物点z0から荷電粒子源のクロスオーバ像
点zcoまでの物側領域および像点ziからクロスオーバ像
点zcoまでの像側領域の各々において、偏向軌道Wmの光
軸座標ｚに関する２階微分d²Wm(z)／dz²がほぼ一定とな
るように荷電粒子線の軌道Wmを偏向する偏向系を設け
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子線装置の
荷電粒子光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、分割転写方式の電子線露光装置
の概略構成を示す模式図である。１はパターンが形成さ
れたレチクルやマスク（以下ではマスクと総称する）で
あり、不図示の電子銃から出射された電子線ＥＢが照射
レンズ５０で集束された後に偏向器５１で偏向され、パ
ターンが形成されたマスク１の副視野の一つ（符号１ａ
で示す）に照射される。なお、ＣＯ1は電子銃のクロス
オーバ像が形成される位置を示しており、ＥＢ1，ＥＢ2
およびＥＢ3はそれぞれ副視野１ａに照射される矩形断
面形状の電子線ＥＢの軸および軸外のビームを示してい
る。すなわち、ＥＢ1は副視野１ａの中心部に照射され
る軸上ビームを、ＥＢ2は副視野１ａの図示右端部に照
射される軸外ビームを、ＥＢ3は副視野１ａの左端部に
照射される軸外ビームをそれぞれ示している。通常、図
のビームＥＢ1の太い実線で示した線は、副視野１ａに
照射される電子線の軌道と呼ばれる。マスク１の副視野
１ａを通過した電子線ＥＢは第１投影レンズ３および第
２投影レンズ４によりウエハ等の感応基板５上に結像さ
れ、副視野１ａのパターンの像が感応基板５上に形成さ
れる。

【０００３】図３の投影レンズ系はＶＡＬ（Variable A
xis Lens）によるレンズ系であり、３１〜３４がＶＡＬ
偏向器、３５〜３８がＶＡＬ焦点補正レンズを示してい
る。投影レンズ３，４により形成される軸上磁場分布を
Ｂ(Z)、偏向器５１による電子線ＥＢの偏向量、すなわ
ち光軸ＡＸと副視野１ａの中心との距離をａとしたと
き、ＶＡＬ偏向器３１〜３４は

【数３】に比例した磁場が形成されるように励磁され、ＶＡＬ焦
点補正レンズ３５〜３８は

【数４】に比例した磁場が形成されるように励磁される。このよ
うな磁場を励磁させることにより、投影レンズ３，４の
軸上磁場を平行移動した磁場が偏向軌道（光軸ＡＸから
離れた電子線ＥＢの軌道）上に形成される。その結果、
偏向軌道は等価的に投影レンズ３，４の軸上を通過する
ことになって投影レンズ３，４内での偏向収差は軸上収
差と同じになり、ＶＡＬ偏向器３１〜３４およびＶＡＬ
焦点補正レンズ３５〜３８を設けなかった場合に比べて
レンズ収差が低減される。

【０００４】図３に示した露光装置では、偏向器４１に
より電子線ＥＢを光軸ＡＸ方向へ偏向してマスク１と感
応基板５との間のクロスオーバ像点位置ＣＯ2に設けら
れたアパーチャ６を通過させるとともに、感応基板５に
照射される電子線ＥＢが光軸ＡＸと平行になるように偏
向器４２により偏向している。

【０００５】例えば、上述したような分割転写方式露光
装置では、マスク１を載置したマスクステージ（不図
示）と感応基板５を載置したステージ（不図示）を互い
に逆方向（例えば、図３の紙面に直交する方向）に連続
移動させつつ、偏向器５１で電子線ＥＢを連続移動方向
と直交する方向に偏向して露光を行う。そして、このよ
うな連続移動を複数回行って、すなわち各ステージを複
数回折り返すことによってマスク１全体のパターンを感
応基板５上の所定の領域に露光する。このとき、一回の
連続移動でマスク１上のより広い領域（図３の左右方向
の領域）のパターンを露光することができれば各ステー
ジの折り返し回数が少なくなり、露光処理時間を短縮す
ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た露光装置では、ＶＡＬにより投影レンズ３，４内では
偏向収差は小さいが、光軸ＡＸから離れた位置の副視野
１ａのパターンを投影露光する場合には偏向器４１，４
２による偏向収差が大きくなる。この偏向収差は偏向器
４１，４２による偏向量に依存するため、スループット
向上のために偏向器５１で電子線ＥＢを大きく偏向する
と、偏向収差による像のボケが大きくなり必要な分解能
が得られないという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、荷電粒子線装置におい
て、荷電粒子線の軌道を大きく偏向した場合でも収差を
小さく抑えることができる荷電粒子光学系を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明の実施の形態を示す
図１および図２に対応付けて説明する。（１）請求項１の発明は、荷電粒子線装置の荷電粒子光
学系に適用され、物点z0から荷電粒子源のクロスオーバ
像点zcoまでの物側領域および像点ziからクロスオーバ
像点zcoまでの像側領域の各々において、偏向軌道Ｗmの
光軸座標ｚに関する２階微分d²Wm／dz²がほぼ一定とな
るように荷電粒子線の軌道Wmを偏向する偏向系１１〜１
６を備えることにより上述の目的を達成する。（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の荷電粒子光
学系において、光軸Ａｘをｚ軸としたときの物点，像点
およびクロスオーバ像点のｚ座標を順にz0，zi，zcoと
し、荷電粒子の電荷をｅ，荷電粒子の質量をｍ，物点で
の偏向量をｗm0、荷電粒子の加速電圧をφ、荷電粒子光
学系の投影レンズ３，４による光軸上の軸上磁場分布を
Ｂ(z)、偏向倍率をＭ、ｋを任意の定数としたときに、
偏向系１１〜１６は物側領域において式（５）で表され
るｘ方向偏向場および式（６）で表されるｙ方向偏向場
を形成し、

【数５】像側領域において式（７）で表されるｘ方向偏向場およ
び式（８）で表されるｙ方向偏向場

【数６】を形成する。

【０００９】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図１および２を参照して本
発明の実施の形態を説明する。荷電粒子線露光装置等に
用いられる荷電粒子線光学系には、偏向系を備えたもの
がある。偏向系を有する荷電粒子光学系では、光学系の
収差は偏向に無関係な収差と偏向による収差とに分けら
れる。偏向に無関係な収差としては、軸上収差（球面収
差，軸上色収差）や像の大きさ回転による収差（倍率回
転コマ収差，倍率回転非点収差，倍率回転像面湾曲収
差，倍率回転色収差および倍率回転歪み）がある。一
方、偏向による収差としては、偏向コマ収差，偏向非点
収差，ハイブリッド非点収差，偏向像面湾曲収差，ハイ
ブリッド像面湾曲収差，偏向色収差，偏向歪みおよびハ
イブリッド歪みがある。

【００１１】上述した偏向による収差の内で偏向色収
差，偏向歪みおよびハイブリッド歪みは、レンズ系に磁
気対称２重レンズ（Symmetric Magnetic Doublet，以下
ではＳＭＤと記す）を用い、偏向系もＳＭＤ的な構成に
することによりほぼゼロとすることができる。また、偏
向非点収差および偏向像面湾曲収差については、焦点補
正レンズやスティグメータを用いた偏向幅による動的補
正を行うことにより、収差補正が可能なことが知られて
いる。しかし、残る３つの収差（偏向コマ収差，ハイブ
リッド非点収差およびハイブリッド像面湾曲収差）につ
いては補正することができず、偏向軌道によって大きさ
が決まってしまうことが知られている。

【００１２】ところで、発明者は、偏向軌道と偏向コマ
収差，ハイブリッド非点収差およびハイブリッド像面湾
曲収差との間に以下のような関係があることを見出し
た。なお、以下では収差積分の内の偏向軌道に依存する
部分について考える。すなわち、（ａ）偏向コマ収差お
よびハイブリッド非点収差については、収差積分の被積
分関数が偏向軌道の２階微分のみに依存しており、一
方、（ｂ）ハイブリッド像面湾曲収差については、上述
した被積分関数が偏向軌道の２階微分に依存する項に加
えて、物点および像点における偏向軌道の１階微分に比
例する項よりなる。偏向コマ収差Mcoma，ハイブリッド
非点収差Hasおよびハイブリッド像面湾曲収差Hfcを式で
表すと、式（９）〜（１１）のようになる。なお、実際
には偏向コマおよびハイブリッド像面湾曲はそれぞれ２
種類あるが、どちらの場合も類似した式となるので、こ
こではそれぞれ１種類のみ示した。

【数７】なお、上述した式（９）〜（１１）では光軸をｚ軸と
し、z0は物点、ziは像点、Wm(z)は偏向軌道を表し、Cco
ma，Cas，Cfc，Dfcは偏向器に依らずレンズによって決
まるｚの関数である。

【００１３】種々の条件に対するこれらの収差Mcoma，H
as，Hfcについて考察すると以下のようになる。（直線軌道とした場合）例えば、物点から像点までの偏
向軌道をクロスオーバ像点を通る直線とした場合、上式
（９）〜（１１）において、d²Wm(z)／dz²＝０となっ
て、（偏向コマ収差）＝０，（ハイブリッド非点収差）
＝０となるが、物面および像面に対して垂直入射でない
ために、dWm(z)／dz≠０となってハイブリッド像面湾曲
収差が消えずに残ってしまう。一般にハイブリッド像面
湾曲収差はかなり大きいので、たとえその他の収差が消
えても収差全体が大きくなってしまうことになる。ま
た、直線軌道とした場合には、感応基板への垂直入射性
が良くないために感応基板表面のうねり等により投影像
の位置ずれが生じやすく、像点位置を正確に設定する必
要がある。

【００１４】（垂直入射軌道の場合）一方、偏向軌道が
物面および像面に垂直入射する場合には物面および像面
においてdWm(z)／dz＝０となるため、上述したハイブリ
ッド像面湾曲収差Hfcの式（１１）において、（第１
項）＝０となり、ハイブリッド像面湾曲収差Hfcは偏向
コマ収差Mcoma，ハイブリッド非点収差Hasと同様に偏向
軌道Wmの２階微分に依存する積分の項のみとなることが
式（９）〜（１１）より分かる。

【００１５】（偏向場もＳＭＤ条件を満たす光学系）Ｓ
ＭＤ光学系であって偏向系の形成する偏向場もＳＭＤ条
件を満たす場合を考えたとき、このような場合であって
もハイブリッド非点収差およびハイブリッド像面湾曲収
差は物側（物点からクロスオーバ像点まで）の積分値と
像側（クロスオーバ像点から像点まで）の積分値とが相
殺しないことが式（９）〜（１１）から分かった。ま
た、偏向コマ収差は像の倍率と偏向倍率とが一致し、か
つ、それらが等倍のときに限り物側の積分値と像側の積
分値とが相殺するが、一般的には縮小投影が行われるの
で相殺しない。結局、偏向場がＳＭＤ条件を満足してい
ても、物側および像側のそれぞれで収差積分を小さくし
なければならないことが分かる。

【００１６】以上のことから次のような結論が得られ
た。収差が単純に偏向軌道Wmの２階微分の積分で決まるな
らば、クロスオーバ像点における偏向軌道の１階微分の
値が小さいほど収差が小さくなる。すなわち、垂直入射
の範囲では、直線軌道を物点および像点に近いところで
曲げた場合に収差が小さくなる。式（９）〜（１１）において、偏向軌道Wmの２階微分
に掛る係数Ccoma，Cas，Cfcはｚに関して一定ではな
く、分布を持っており、また、偏向軌道Wmの２階微分は
クロスオーバ像点を境に物側と像側とでは正負の符号が
逆になる。そのため、偏向軌道Wmの２階微分が一定とな
るようにしたほうが、積分の正負による相殺によって全
体の収差積分が小さくなることが分かった。このような
偏向軌道の例としては、物面および像面に垂直入射し、
レンズ内で放物線的な軌道となるような偏向軌道（図２
（ａ）を参照）がある。

【００１７】図１は本発明の実施の形態を示す図であ
り、電子線露光装置の概略構成を示す模式図である。な
お、図３と同様の部分には同一の符号を付し、異なる部
分を中心に説明する。図１において、電子ビームＥＢは
マスク１の副視野１ａに垂直入射され、副視野１ａの像
がレンズ３，４によって感応基板５に投影される。本実
施の形態では、レンズ３，４内において偏向軌道Wmが図
２（ａ）に示すような放物線的な軌道となるよう偏向場
を偏向器１１〜１６により形成する。レンズ３，４によ
る光軸上磁場の大きさをＢ(z)と表したとき、ｘ方向の
偏向場は物側で式（１２）、像側で式（１３）のように
表される。

【数８】また、ｙ方向の偏向場は物側で式（１４）、像側で式
（１５）のように表される。

【数９】上述した式（１２）〜（１５）において、ｅは荷電粒子
の電荷、ｍは荷電粒子の質量、φは荷電粒子の加速電圧
であり、z0，zi，zcoは順に物点，像点およびクロスオ
ーバ像点のｚ座標であって、wm0は物点での偏向量、Ｍ
は偏向倍率、ｋは軌道を繋ぐためのパラメータである。

【００１８】図２において、（ａ）は偏向軌道Wmを、
（ｂ）は偏向軌道Wmの１階微分dWm(z)／dzを、（ｃ）は
偏向軌道Wmの２階微分d²Wm(z)／dz²をそれぞれ示す図で
あり、光軸ＡＸをｚ軸として表したものである。図２
（ａ）では、偏向倍率を−１／２としているので、偏向
軌道Wmが物面（ｚ＝z0）において光軸ＡＸから１だけ離
れたところを物面に対して垂直に通った場合には、放物
線的な軌道を描いてクロスオーバ像点（ｚ＝zco）を通
過した後に像面（ｚ＝z0）の光軸ＡＸから０．５だけ離
れた位置に垂直入射することになる。図２（ｃ）から分
かるように、偏向軌道Wmの２階微分はクロスオーバ像点
付近を除くほとんどの範囲で一定となっている。偏向軌
道Wmはクロスオーバ像点zcoを通るように設定されるた
め、クロスオーバ像点近傍では２階微分が一定という条
件から外れてしまうが、偏向軌道Wmの２階微分が一定と
なる範囲（クロスオーバ像点zcoからの距離）は、物側
では物点z0からクロスオーバ像点zcoまでの距離の３／
４以上、像側では像点ziからクロスオーバ像点zcoまで
の距離の３／４以上と設定されるのが好ましい。

【００１９】本実施の形態では、図２（ｃ）に示すよう
に、偏向軌道Wmの２階微分が物側および像側でほとんど
一定で符号が逆となっているので、式（９）〜（１１）
の積分において物側の値と像側の値とが相殺し、かつ、
物面および像面で偏向軌道Ｗｍが垂直入射しているので
式（１１）において、第１項＝０となり、偏向コマ収
差，ハイブリッド非点収差およびハイブリッド像面湾曲
収差を低く抑えることができ、低収差な電子光学系を得
ることができる。

【００２０】なお、図２（ｃ）では、分かりやすくする
ためにＷｍの２階微分を直線を折り曲げたような形に描
いたが、実際には図２（ａ）と同じように滑らかに変化
している。また、図２（ａ）では偏向軌道Wmを２次元的
に表したが、一般的にレンズ３，４内では偏向軌道Wmは
回転するので実際には３次元的な軌道となる。ただし、
偏向器１１〜１６の励磁を適当に選ぶことにより２次元
的軌道となるようにすることも可能である。

【００２１】上述した本実施の形態では、垂直入射性を
重視してマスク１および感応基板５における偏向軌道の
入射角を垂直に設定したが、垂直入射性がそれほど重要
でない場合には必ずしも垂直入射でなくても良い。例え
ば、感応基板５表面に化学機械的研磨等を行った場合に
は垂直入射性の許容範囲が大きいので、偏向軌道を完全
な直線に設定して偏向コマ収差およびハイブリッド非点
収差をゼロとすることができる。この場合、一般的には
偏向軌道の入射角はハイブリッド像面湾曲収差が最小と
なるように選ばれる。

【００２２】上述したように、投影レンズ系がＳＭＤ条
件を満足し、偏向系がＳＭＤ的な対称性を満足する場合
には、偏向色収差，偏向歪み収差およびハイブリッド歪
み収差がほぼゼロとなって偏向コマ収差，ハイブリッド
非点収差およびハイブリッド像面湾曲収差のみが補正で
きない収差として残り、上述したように偏向軌道を設定
することによりこれら３つの収差を小さくすることがで
きることが分かった。しかしながら、本発明は投影レン
ズ系がＳＭＤでない場合にも適用することができる。例
えば、偏向色収差，偏向歪み収差およびハイブリッド歪
み収差が収差全体に対してそれほど大きくなく問題とな
らない場合には、上述した実施の形態のように偏向コマ
収差，ハイブリッド非点収差およびハイブリッド像面湾
曲収差を低減することにより、全体の収差の低減を効果
的に行うことができる。

【００２３】上述した実施の形態と特許請求の範囲の要
素との対応において、偏向器１１〜１６は偏向系を構成
する。

【００２４】

【実施例】以下では、上述した式（１２）〜（１５）で
表されるような偏向場を与えたときのシミュレーション
結果を示す。表１は本発明による光学系（図１）のシミ
ュレーション結果であり、表２は従来の光学系（図３）
の場合のシミュレーション結果である。なお、図３に示
すｚ0およびｚi，は図１の場合と同様に物点および像点
の光軸方向の座標を表している。表１においてｚ１は図
１の示すように２階微分d²Wm(z)／dz²が変化する位置で
あり、４種類の値について計算した。一方、表２のz1は
図３に示すように偏向器４１の偏向位置であり、この位
置は図１の位置z1に対応するものである。また、表１，
２のz1の単位はmmであり、収差（偏向コマ収差、ハイブ
リッド像面湾曲収差、ハイブリッド非点収差、ハイブリ
ッド歪み収差、偏向色収差）や収差（歪み収差は除く）
による像のぼけ（blur）の単位はμｍである。なお、表
１，２では比較的大きな収差のみを示した。

【表１】

【表２】

【００２５】シミュレーションの条件は、加速電圧＝１
００kV（加速電圧の分散は６Ｖ）、物面上の偏向距離＝
２０mm（像面上では５mm）、像面における像高＝２５０
μｍ、像面におけるビームの開き角＝６mradである。光
学系の物面（z0）と像面（zi）との間の寸法は５７０mm
であり、物面とクロスオーバ像点（zco）との間は４５
６mm、像面とクロスオーバ像点との間は１１４mmであ
る。さらに、偏向場はＳＭＤ条件を満たしており、倍率
４：１の完全対称系である。シミュレーションでは、表
１，２のどちらの場合も物面および像面におけるランデ
ィング角がほぼ垂直となるように設定した。また、従来
の光学系の場合には、本発明との比較の意味でデータNo
１とz1の値が等しいz1＝−142.5mmについてのみシミュ
レーション結果を示した。

【００２６】表１のデータNo１と表２のデータを比較す
ると、本発明の光学系のように放物線状の軌道とした場
合には表１に示したいずれの収差も従来（表２）より小
さくなり、像のぼけも１桁以上小さくなっていることが
分かる。また、データNo２〜４のようにz1をクロスオー
バ像点から遠ざけると、ハイブリッド歪み収差や偏向色
収差はほとんど変化しないか若干小さくなる程度である
が、他の収差、特に偏向コマ収差が大きくなるため、z1
がクロスオーバ像点から遠ざかる（z1が小さくなる）ほ
ど像のぼけが大きくなる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
２階微分が物側および像側でほぼ一定となるように偏向
軌道を決めたので、偏向コマ収差，ハイブリッド非点収
差およびハイブリッド像面湾曲収差の各収差積分におい
て、偏向軌道の２階微分に掛る積分はそれぞれ物側の値
と像側値とが相殺し、各収差積分を小さく抑えることが
できる。その結果、本発明による荷電粒子光学系によれ
ば、荷電粒子線の軌道を大きく偏向した場合でも収差を
小さく抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電子線露光装置の概略構成を示す
模式図。

【図２】偏向軌道を説明する図であり、（ａ）は偏向軌
道Wmを、（ｂ）は偏向軌道Wmの１階微分を、（ｃ）は偏
向軌道Wmの２階微分をそれぞれ示す。

【図３】従来の電子線露光装置の概略構成を示す模式
図。

【符号の説明】

１マスク１ａ副視野３第１投影レンズ４第２投影レンズ５感応基板１１〜１６偏向器ＥＢ電子線 Wm 偏向軌道

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子線装置の荷電粒子光学系におい
て、物点から荷電粒子源のクロスオーバ像点までの物側領域
および像点から前記クロスオーバ像点までの像側領域の
各々において、偏向軌道の光軸座標に関する２階微分が
ほぼ一定となるように荷電粒子線の軌道を偏向する偏向
系を備えることを特徴とする荷電粒子線装置の荷電粒子
光学系。
【請求項２】請求項１に記載の荷電粒子光学系におい
て、光軸をｚ軸としたときの物点，像点およびクロスオーバ
像点のｚ座標を順にzo，zi，zcoとし、荷電粒子の電荷
をｅ，荷電粒子の質量をｍ，物点での偏向量をwm0、荷
電粒子の加速電圧をφ、荷電粒子光学系の投影レンズに
よる光軸上の軸上磁場分布をＢ(z)、偏向倍率をＭ、ｋ
を任意の定数としたときに、前記偏向系は物側領域にお
いて式（１）で表されるｘ方向偏向場および式（２）で
表されるｙ方向偏向場を形成し、【数１】像側領域において式（３）で表されるｘ方向偏向場およ
び式（４）で表されるｙ方向偏向場【数２】を形成することを特徴とする荷電粒子光学系。