JPS61283121A

JPS61283121A - 荷電ビ−ム投影露光装置

Info

Publication number: JPS61283121A
Application number: JP12432385A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Shimazu; 信生島津
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-06-10
Filing date: 1985-06-10
Publication date: 1986-12-13
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPH0732111B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体ＬＳＩ等の製造のために、電子ビームを
用いて、マスクパターンの縮小像を試料面に高速かつ高
精度に転写する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、ＬＳＩ等の半導体の製造のために電子ビームを用
いてマスクパターンを試料（ウェハ）上に転写するもの
として、マスクから発生させる光電子を用いて描画する
もの（以下「光電子描画装置」という）と、穴開きマス
ク（シャドウマスク）に電子ビームを照射してその電子
ビーム像を試料面に結像させて描画するもの（以下「穴
開きマスク描画装置」という）とがあった。光電子描画
装置は、たとえば、ジェイ・ピー・スコツト、ｌ：ｌエ
レクトロン　イメージ　プロジェクタ−。

ソリッド　ステート　テクノロジー１５月、１９７７　
（Ｊ、Ｐ、５ｃｏｔ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｉｍａｇｅ　
Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ、５ｏｌｉｄＳｔａｔｅ　Ｔｅｃｈ
ｎｏｌｏｇｙ　／Ｍａｙ、１９７７）で発表されている
。これは、一様磁界と一様電界を重畳させた特殊な電子
光学系を用いることで、発生した光電子のすべてを試料
面に照射できるようにしたもので、電流密度が極めて低
く、かつ、エネルギー分散の大きい光電子発生源の問題
を解決している。

しかしながら、この方法は次のような欠点を有していた
。

（ａ）パターンの微細化に伴い必要度を増しているパタ
ーンの縮小ができない。仮に縮小光学系を付加してこれ
を行おうとしても電子光学系の収差の面で極めてわずか
の光電子しか利用できず、その生産性が極端に低下する
。

山）投影図形の形状の補正ができない。またマーク検出
のための電流密度が低いために高精度な合わせ描画がで
きない。

（Ｃ）光電子発生部の寿命が短い。

穴開きマスク描画装置は、たとえば、エッチ・ボレン他
、ハイ　スループット　サブミクロンリソグラフィ　ウ
ィズ　エレクトロン　ビームブロキシミテイ　プリンテ
ィング、ソリッド　ステート　チクノロシイ／９月、　
　Ｌ　９８４　（Ｈ，Ｂｏｈｌｅｎ　ｅｔ　ａｌ、Ｈｉ
ｇｈ　Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ　Ｌ
ｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ　ｗｉｔｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　
Ｂｅａｍ　Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ　Ｐｒｉｎｔｉｎｇ、５
ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／５ｅｐ
ｔｅ＋ｎｂｅｒ、１９８４）で報告されている。これを
第６図〜第９図で説明する。

第６図は電子光学系を示しており、１は電子銃、２は照
射レンズ、３は電子ビーム、４は大偏向器（アライナ）
、５は小偏向器（小アライナ）、６はパターンマスク、
７はマスク保持具である。ここで、マスク６を照射する
電子ビーム３は図示のように平行束となっており、大偏
向器４がこのビーム束をマスク６上で走査する。走査の
際、小偏向器５を用いてビーム束の傾きを僅かに変える
ことでマスクの投影図形の形状を僅かに変えることがで
きる。これを第７図に示す。第７図（ａｌはＸ。

Ｙの両方向において位置の変化を伴わずにパターン描画
した例である。これを、Ｙ方向の走査に連動させて仮に
Ｘ方向のみに限って照射位置を変えることで、第７図（
ｂｌから（ｆ）までの投影図形の変形が可能である。こ
れらにＹ方向の照射位置の変化を重畳させてさらに複雑
な変形を実現できる。第８図はこの技術に用いられてい
るマスクとそのパターンを試料面上に転写した例を示す
。第８図（ａ）において、１０はマスクパターン、１１
はマスク６内のマーク（穴開きマーク）であり、第８図
（ｂ）において、１２は試料１４面上の合わせマーク、
１３は試料１４面上への１０の投影図形である。

描画に際しては、試料１４を所定の位置に位置させた後
、大偏向器４でビーム束をマスク６内のマーク１１に当
てた後、小偏向器５で合わせマーク１２上を小振幅走査
して１回のマーク検出をする。

この動作を４回繰り返す。これにより、投影図形１３に
相当する試料面領域の変形量とマスクパターン１０自身
の形状の変形量の和が求まる。このデータを用いて試料
面の所期の位置にマスク６上の各パターンが正確に投影
されるように、第７図で述べた照射位置の補正をしなが
らパターン描画をする。この描画は大偏向器４を用いて
マスクパターン１０上の全面をビーム束が走査するよう
にすればよい。この動作の後、試料１４を移動させて同
じ動作を繰り返すことで第８図に示すように資料面全面
のパターン描画が完了する。

なお、本技術ではドーナツ状のマスクパターンに対して
は、第９図（ａ）に示すような一組の相補マスク１５と
１６を用いて前述したパターン描画を２回繰り返すこと
で第９図（ｂ）に示す完全なパターン１７を転写してい
る。この方法では、一連の描画動作は倍増するが、従来
の微細なメソシュ等でドーナツ内部を支持する方法に比
べて、マスク６の製作が容易であり、メツシュ部でのビ
ームの散乱がないため、現段階では実用的には相補マス
クの方が優れている。

以上述べてきたように、この穴開きマスク描画装置は光
電子描画装置と比較して高い電流密度で生産性良くパタ
ーンを転写できるほか、マーク検出時の電流密度も高い
ため、それだけ高速かつ高精度のマーク検出が可能であ
り、かつ、マスクオよび試料の複雑な変形に対する正確
な補正が可能という長所を持っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、この穴開きマスク描画装置は次に示すよ
うな欠点を有している。

■パターンの縮小ができない。

■大偏向器４での偏向領域として少なくともＬＳＩチッ
プの領域以上の範囲が必要となり、このための偏向に伴
う電子光学系各部の収差が増大し、この点でもますます
微細化する半導体パターンの転写に対応できない。

■マーク検出時のビーム位置はビーム軸から最も大きく
隔たっているチップの角となるため、反射電子検出器の
信号の対称性が失われることによるマーク検出精度の劣
化が存在する。

〔問題点を解決するための手段〕

このような欠点を除去するために本発明は、マスクを搭
載するマスクステージと試料を搭載する試料ステージと
を有する電子光学系を設けるようにしたものである。

また上記電子光学系に、マスクステージおよび試料ステ
ージを連続的に移動させている間マスク上を荷電ビーム
で走査する装置を付加したものである。

〔作用〕

本発明においては、マスクパターンの荷電ビーム縮小像
をパターン転写すると同時に、転写動作の際、縮小図形
の形状を所期の図形の通りとなるように補正しながら転
写する。また、描画動作の際、マスクと試料とを連続的
に移動させながら描画する。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例であって、２０は電子銃
、２１は電子ビーム、２２は第１照射レンズ、２３は第
２照射レンズ、２４はビーム成形アパーチャ、２５はマ
スク上を荷電ビームで走査する装置としての大偏向器、
２６はマスクステージ、２７は小偏向器、２８は焦点補
正レンズ、２９は縮小投影レンズ、３０は試料面高さと
反射電子の検出器、３１は試料ステージ、３２は電子光
学系である。また４０は制御用計算機、４１はレンズ電
源、４２は大偏向用制御回路、４３はステージ制御部、
４４は副偏向・補正レンズ用制御回路、４５は信号処理
回路、４６はマスクステージ用レーザ測長機、４７はマ
スクステージ駆動装置、４８は試料ステージ用レーザ測
長機、４９は試料ステージ駆動装置である。第１図にお
いて第６図、第８図、第９図と同一部分又は相当部分に
は同一符号が付しである。

このように構成された装置の動作の説明に先立ち、電子
光学系３２の動作の説明を第２図で行う。

第２図において５０はビーム成形レンズである。

電子銃２０からの電子ビーム２１は、照射レンズ２２．
２３で所定の分布の平行ビーム束となって、ビーム成形
アパーチャ２４上を照射する。ビーム成形アパーチャ２
４のアパーチャを通過したビーム束はマスクステージ２
６上のマスク６を照射する。この時の電流密度はビーム
束の径を変えて制御する。マスク６は穴開きマスク（シ
ャドウマスク）である。このマスク６の電子ビーム像を
縮小投影レンズ２９が試料１４上に縮小像として投影し
、パターンの焼き付け（描画）をする。なお、本実施例
では縮小投影レンズ２９の縮小率は１／２と１／４の２
段切り換えが可能である。

大偏向器２５はマスク６上をビーム走査する。

これに伴い、試料１４面上の照射ビームも縮小率に応じ
た領域を走査することになる。この走査の過程で小偏向
器２７を用いて照射位置の補正を行う。これには第７図
で説明したのと同様な補正方法を用いる。また、マーク
走査のための小偏向にも小偏向器２７を用いる。その際
の反射電子信号は検出器３０を用いて得る。なお、ビー
ム成形アパーチャ２４を通過した電子ビーム２１をその
ままマスク６に照射するのではなく、ビーム成形レンズ
５０を用いてビーム成形アパーチャ２４のアパーチャ像
をマスク６上に投影させてもよい。

以上より、本実施例における電子光学系３２を用いれば
、試料１４面上にマスク６の走査領域の縮小像を描画で
きることがわかった。マスク６の全部の領域のパターン
を試料の全領域にわたって高精度に描画するには次の各
動作が必要となる。

■偏向器の偏向歪の補正 ■試料面の歪（変形）の測定と補正 ■試料全面パターン描画ここで、■の試料全面パターン描画は、制御用計算機４
０の制御下のマスクステージ制御部４３の制御の下でマ
スクステージ駆動装置４７．試料ステージ駆動装置４９
を用いてマスクステージ２６、試料ステージ３１を移動
させながら行い、その際、マスクステージ用レーザ測長
機４６．試料ステージ用レーザ測長機４８の情報を用い
る。以下、上記■、■、■の順に各動作について説明す
る。

■　ロ　の　口歪の　正：大偏向器の偏向歪の補正方法を第３図を用いて説明する
。第３図において、１００はマスク６に設けた標準用パ
ターン（開口）であり、その像１１０は試料１４面上に
投影される。第３図において第１図と同一部分又は相当
部分には同一符号が付しである。最初に第３図（ａｌに
示すようにマスクステージ制御部４３で標準用パターン
１００をビーム軸上に位置させ、大偏向器２５を用いて
標準用パターン１００上において小振幅の走査ヲスル。

電子ビーム２１が標準パターン１００上を横切る時点で
検出器３０は反射電子信号を得るため、走査信号と検出
器３０で得る信号とを用いて（通常のマーク検出と同様
の方法で）ビーム軸と標準用パターン１００との精密な
位置関係を知ることができる。この測定値Ｍ１と、その
際のマスクステージ用レーザ測長機４６の測長情報Ｌ１
とを制御用計算機４０が記憶する。次に第３図（ｂ）に
示すように標準用パターン１００を所定の距離だけ移動
させて、その際のマスクステージ用レーザ測長機４６の
測長情報Ｌ２を得る。大偏向器２５により電子ビーム２
１をＪ＝Ｌ２−Ｌ１＋Ｍ１の距離だけ偏向し、前述の小
振幅走査を標準用パターン１００上で行って、ビームの
偏向位置と標準用パターン１００とのずれＭ２を精密に
測定する。ここで、ずれＭ２は距離ｌだけ偏向した際の
偏向歪である。このような偏向歪の測定を複数の測定点
で行い、これをもとに大偏向器の偏向データを補正する
ことで偏向歪の補正を行う。

小偏向器の偏向歪の補正は十分に公知の事実である。す
なわち、試料１４面上の標準マークを複数の個所に位置
させ、その都度標準マーク検出とその際の試料ステージ
用レーザ測長機４８の測長情報を用いて偏向歪の測定を
することで実行する。

以上により、レーザ座標系を基準とし′た大・小偏向器
２５・２７の偏向歪の補正が実現できた。

■試２面の歪（゛））の沖　と　正：第４図を用いて説明する。左上のチップマークを検出す
るには、第４図（ａ）に示すように、マスクパターン１
０内のマーク１１と合わせマーク１２を電子ビーム２１
のビーム軸上に位置させる。マーク１１の縮小像を合わ
せマーク１２と同形とすれば、チップ歪の分だけずれて
両者は重なりあう。

ここで小偏向器２７を用いてマスクパターン１０内のマ
ーク１１の像を小振幅で走査（マーク走査）して、この
ずれ量を測定する。同時に、検出器３０内の高さ検出器
で合わせマーク１２の周辺領域の高さを検出する。

次に右上のチップマークを検出するには、第４図（ｂ）
に示すように、マスクパターン１０内の右上のマーク１
１と合わせマーク１２を電子ビーム２１のビーム軸上に
位置させて前記の動作を繰り返す。以上を４つのチップ
マークで繰り返して試料面のチップの変形を測定する。

この測定データを用いて次に述べるパターン描画時に小
偏向器２７で照射位置を補正しながら高精度な合わせ描
画動作をする。

■試料全面パターン描画：第４図（Ｃ１〜（ｋｌを用いて説明する。ここで、第４
図（ｄ）、　ｆｋ）に示す３５０はマスクステージ２６
と試料ステージ３Ｉの両者（以下「ステージ」という）
の連続移動とステップおよびリピートを繰り返して描画
する単位描画領域であり、第４図（ｅｌに示す４００は
チップマーク検出のためのステージのステップおよびリ
ピートの経路を示しており、第４図（１）に示す４１０
は１回のステージの連続移動で描画するリピートを示し
、第４図（ｆ）〜（１）に示ス４２０はその際に試料面
上で描画につれて拡大する領域の方向を示す矢印であり
、第４図（ｆ）に示す４３０および４４０は電子ビーム
照射領域および電子ビームの走査経路である。第４図（
Ｃ）はこの例で用いるマスクパターンであり、第４図（
Ｃ１において、６はマスク、１０はマスクパターン、１
１はマークである。

第４図（ｄ）の単位描画領域３５０の描画の最初に第４
図（ｅｌで示すように、経路４００の順に次々にマーク
を検出し、最後に連続移動描画開始点にステージを位置
させる。第４図（ｅ）では、この時点で２つのチップの
合わせ補正データを得ている。第４図（ｄｌ、　（Ｑｌ
において、１２はマーク、１３はマスクパターンの投影
図形、１４は試料である。次に第４図（ｆ）で示すよう
に、大偏向器２５で電子ビーム２１をマスク６上でマス
ク走査しながらステージを移動する。この際、試料ステ
ージ３１の移動速度はマスクステージ２６のＭ倍（Ｍは
縮小投影レンズ２９の縮小率）であり、また互いに移動
方向は異なる。ステージの移動誤差はマスクステージ用
レーザ測長機４６と試料ステージ用レーザ測長機４８で
実時間で測定されており、その結果はビーム位置に大偏
向器２５と小偏向器２７を介して実時間でフィードバッ
クされており、その結果、マスク６および試料１４上の
照射位置は十分高精度である。なお、マスク６上での電
子ビーム２１の走査方向はステージの移動方向にほぼ直
角とし１、　　電子ビーム２１の照射時間に応じたステ
ージ速度を設定している。このため、大偏向器２５と小
偏向器２７のレーザ値に基づく補正量はステージの速度
変動分の補正だけでよい。第４図（ｇｌ、　（ｈｌで、
この連続移動下での描画の様子を図示している。

すなわち、電子ビーム２１はマスク６上をθ方向に走査
され、その間マスク６と試料１４とは矢印４２１の方向
へ送られる。第４図（ｈｌに示すように、一定時間を秒
後にはマスク６を走査した領域と試料１４を描画した領
域とが拡大している。この連続移動下での１回の描画で
領域４２１の領域の描画をする。次に第４図（１）に示
すように、ステージの移動方向を反転して同じ連続移動
下での描画動作をする。以上の動作を繰り返して単位描
画領域３５０の描画を終える。この描画の過程で試料の
Ｘ、　　Ｙ面における変形は、前述の方法で小偏向器２
７を用いて補正する。

補正式の一例を次に示す。

ｘ＝Ｌｘ＋Ｍ（へ１十八２　・　Ｘ＋Ａ３　　・　Ｙ＋
Ａ４　　・　ＸＹ）ｙ　＝Ｌ　ｙ　＋Ｍ　（Ｂ１＋Ｂ２
・Ｘ　＋Ｂ３−　Ｙ＋Ｂ４−ＸＹ）ここで、Ｘ、Ｙはマ
スクパターン１０上の座標、ｘ、ｙは小偏向器２７の偏
向で補正する補正量（試料１４の座標で表わす）。また
、Ｌｘ、Ｌｙはレーザフィードバック量でＡｉ、Ｂｉは
合わせ（マスク６と試料１４の変形の補正）のための補
正係数であり、Ｍは縮小投影レンズ２９の縮小率である
。

このほか、試料分の高さ方向（Ｚ方向）の変形に応じて
第１図に示す焦点補正レンズ２８を用いてビームの焦点
位置を実時間で補正する。以上の結果、微細なパターン
を試料面の変形によらず高精度に描画できる。単位描画
領域３５０の描画を終えた後、次の単位描画領域の描画
動作に入る。

以上を繰り返して試料面全面の描画を終える。

次に相補マスクを用いて描画する例について説明する。

この例では、第４図０１で示す（４５１゜４５２）と（
４５３，４５４）の２ｍのマスクパターンより成る相補
マスクを用い、まず、前述の方法で（４５１，４５２）
で単位描画領域３５０の領域に合わせ描画をする。次に
ステージ移動を行って、（４５３，４５４）を用いて、
再び同じ単位描画領域３５０の領域に合わせ描画をして
、完全なパターンを転写する。

第５図は本発明の第２の実施例である。この実施例の場
合は電子光学系３２を３台並列に並べており、その各々
にマスク６と試料１４とを設置している。ここで、マス
ク６と試料用Ｉ４のステージは各１台でよい。また、レ
ンズおよび偏向器には静電形を用いているため、その駆
動回路も１台ですむ。各電子光学系ごとに配備している
ものは、第２照射レンズ２３．小偏向器２７．焦点補正
レンズ２８．検出器３０の制御あるいは駆動回路である
。

パターン描画においては、前記第１の実施例で述べた試
料面の変形の測定から、試料全面の描画を各電子光学系
で同時に行う。その結果、試料１枚あたりの処理時間が
１／３となる。

以上、第１および第２の実施例を説明してきたが、これ
らの実施例の効果としては次のようなものがある。

■ＬＳＩパターンの縮小投影が可能であるため、今後の
ＬＳＩパターンの微細化に対応できる。

■描画の際にビーム偏向量を大きくする必要がないので
、電子光学系の収差を小さく、かつ、大ビーム電流値を
得ることができ、微細なパターンを高速に処理できる。

■少数の構成部の付加で電子光学系を複数化できるため
、描画時間の短縮と試料面変形の測定等に必要な時間の
低減とが図れる。

なお、これまでの説明は電子ビームを用いるとして行っ
てきたが、電子ビームの代わりにイオンビームを用いて
もよい。すなわち本実施例においては、各種の荷電ビー
ムを用いることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、マスクを搭載するマスク
ステージと試料を搭載する試料ステージとを有する電子
光学系を設けることにより、また・上記電子光学系に、
マスクステージおよび試料ステージを連続的に移動させ
ている間マスク上を荷電ビームで走査する装置を付加す
ることにより、次に示す効果を生じる。

■パターンの縮小投影が可能であるため、微細なパター
ン描画が可能である。

■マスクと試料の各々にステージを持っているため、パ
ターン描画のための偏向量は小さくても生産性を損なう
ことがなく、その結果、荷電ビーム電流を大きくし、か
つ、ボケの小さい荷電ビーム投影像を得ることができる
ため、微細なパターンを生産性良く描画することができ
る。

■マスクと試料の両方のステージの移動量をレーザ測長
機で測長し、その結果をマスクおよび試料の荷電ビーム
照射位置にフィードバックすれば、高精度なパターン描
画が可能であり、その際、連続移動方向とマスク走査方
向がほぼ直角なため、ステージ移動に対する荷電ビーム
照射位置の補正量が小さくて済む。

■ビーム軸直下でのチップマーク検出を行えば、高精度
なマーク検出が可能であり、その結果、高精度なパター
ン描画が可能である。

■複数の電子光学系を配備しているため、パターン描画
時間のほかマーク検出時間等のむだ時間の低減が図れる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる荷電ビーム投影露光装置の第１
の実施例を示す構成図、第２図はその電子光学系を示す
構成図、第３図は偏向歪の補正方法を説明するための説
明図、第４図は試料面の歪（変形）の測定および補正の
方法と試料面全面のパターン描画の方法を説明するため
の説明図、第５図は本発明に係わる荷電ビーム投影露光
装置の第２の実施例を示す構成図、第６図は従来の電子
光学系を示す構成図、第７図は従来の電子光学系におけ
るパターン描画の例を示すパターン図・第８図は従来の
装置においてマスクとそのパターンを試料面に転写した
例を示すパターン図、第９図は従来の装置において１組
の相補マスクを用いて転写した例を示すパターン図であ
る。６・・・・マスク、１４・・・・試料、２０・・・・電
子銃、２１・・・・電子ビーム、２２゜２３・・・・照
射レンズ、２４・・・・ビーム成形アパーチャ、２５・
・・・大偏向器、２６・・・・マスクステージ、２７・
・・・小偏向器、２８・・・・焦点補正レンズ、２９・
・・・縮小投影レンズ、３０・・・・検出器、３１・・
・・試料ステージ、３２・・・・電子光学系、４０・・
・・制御用計算機、４１・・・・レンズ電源、４２・・
・・大偏向用制御回路、４３・・・・マスクステージ制
御部、４４・・・・副偏向・補正レンズ用制御回路、４
５・・・・信号処理回路、４６・・・・マスクステージ
用レーザ測長機、４７・・・・マスクステージ駆動装置
、４８・・・・試料ステージ用レーザ測長機、４９・・
・・試料ステージ駆動装置、５０・・・・ビーム成形レ
ンズ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）荷電ビームを用いてパターンの像を投影する荷電
ビーム投影露光装置において、マスクを搭載するマスク
ステージと試料を搭載する試料ステージとを有する電子
光学系を備え、パターンの縮小像を高速かつ高精度に投
影することを特徴とする荷電ビーム投影露光装置。
（２）電子光学系は複数であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の荷電ビーム投影露光装置。
（３）電子光学系は共通のマスクステージと試料ステー
ジとを有することを特徴とする特許請求の範囲第２項記
載の荷電ビーム投影露光装置。
（４）荷電ビームを用いてパターンの像を投影する荷電
ビーム投影露光装置において、マスクを搭載するマスク
ステージと、試料を搭載する試料ステージと、前記マス
クステージおよび試料ステージを連続的に移動させてい
る間マスク上を荷電ビームで走査する装置とを有する電
子光学系を備え、パターンの縮小像を高速かつ高精度に
投影することを特徴とする荷電ビーム投影露光装置。
（５）電子光学系は複数であることを特徴とする特許請
求の範囲第４項記載の荷電ビーム投影露光装置。