JPH09293477A

JPH09293477A - 荷電ビームの調整方法

Info

Publication number: JPH09293477A
Application number: JP8107438A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Sunaoshi; 仁砂押; Koji Ando; 厚司安藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 1997-11-11

Abstract

(57)【要約】【課題】電子ビームの焦点位置を高精度に合わせるこ
とができ、微細パターンの描画精度向上に寄与する。【解決手段】所定の開口形状のアパーチャマスクに電
子ビーム１０１を照射することにより、開口形状のビー
ムを生成し、これを偏向して試料１０９上の所望位置に
描画する電子ビーム描画装置において、ビームサイズ
と、ビームの走査方向に一致して並べられた複数の微細
マークの間隔との間に適切な関係を選び、少なくとも２
個のマーク上を電子ビームで走査し、該走査により得ら
れる反射電子信号の強度を評価関数とし、該評価関数を
焦点位置を変えながら測定し、評価関数と焦点位置との
関係を二次関数に当てはめて、該二次関数の極値となる
焦点位置を最適焦点位置としてビームの焦点位置調整を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＵＬＳＩ等の微細
パターンを試料面上に描画する荷電ビーム描画技術に係
わり、特に荷電ビームの焦点位置調整を行うための荷電
ビームの調整方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体ウェハ等の試料面に所望の
微細パターンを描画するものとして、電子ビーム描画装
置が使われている。この種の電子ビーム描画装置では、
電子ビームの強度分布を測定し、電子ビームの試料面上
での焦点位置を調整する機構が一般的に備えられてい
る。

【０００３】例えば、試料台の一部に備えられた単−の
微細マーク上を電子ビームで走査し反射電子を検出する
と、電子ビームの形状を反映した強度分布を得ることが
できる。強度分布の波高値の１０％から９０％までのビ
ーム幅をビーム分解能として定義し、対物レンズの励磁
を変化させて電子ビームの焦点位置を変化させつつビー
ム分解能を測定し、ビーム分解能を対物レンズの励磁又
は焦点位置の関数として二次関数でフィッティングし、
ビーム分解能が最小となる二次関数の極値を求めれば、
試料面上での最適焦点位置を得ることができる。

【０００４】近年、描画パターンが微細化し、焦点深度
が浅くなるに伴つて、電子ビームの焦点位置調整の高精
度化が必要となってきた。従来の技術で述べた方法で得
られる電子ビームの強度分布は、ビーム形状と微細マー
ク形状のコンボリューションパターンとなる。よって、
マーク寸法はより小さい方が高精度なビーム形状測定が
可能である。

【０００５】しかしながら、マーク寸法を小さくすると
反射電子信号が弱くなりＳ／Ｎ比が小さくなって測定誤
差が大きくなり、高精度な焦点位置調整ができないとい
う問題があった。また、ビーム形状が左右対称でない場
合やノイズの振る舞いによって、ビーム分解能の測定値
に大きなばらつきが生じ、精度良く焦点位置調整ができ
なかった。さらに、描画パ夕一ン寸法が０．１μｍ程度
になると、ビーム形状の界面部分や肩の部分の強度分布
が描画パターンに微妙な影響を与えるため、ビーム分解
能を評価関数として焦点位置調整を行うと、微細パター
ン形状に多大な悪影響を及ぼすという問題点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、電子
ビームの焦点位置を合わせるにはビームの強度分布を測
定する必要があるが、高精度なビーム強度分布測定を行
うためにマーク寸法を小さくすると、Ｓ／Ｎ比が小さく
なって高精度な焦点位置調整ができない。また、ビーム
形状の非対称性やノイズの影響によって、ビーム分解能
の測定値にばらつきが生じ、精度良く焦点位置調整がで
きない問題があった。

【０００７】なお、上記問題は電子ビームを用いてパタ
ーンを描画する電子ビーム描画装置に限らず、イオンビ
ームを用いてパターンを描画するイオンビーム描画装置
についても同様に言えることである。

【０００８】本発明は、上記の事情を考慮してなされた
もので、その目的とするところは、荷電ビームの焦点位
置を高精度に合わせることができ、微細パターンの描画
精度向上に寄与し得る荷電ビームの調整方法を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（構成）上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち本発明は、荷電ビームの焦
点位置を合わせるための荷電ビームの調整方法におい
て、所定の間隔で配置された少なくとも２個の微細マー
クの上を荷電ビームで走査し、該走査により得られる反
射電子又は二次電子信号を検出して前記荷電ビームの強
度分布を測定し、該測定した強度分布に基づいて前記荷
電ビームの焦点位置調整を行うことを特徴とする。

【００１０】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) マークはビーム走査方向に沿って複数個配置され、
各々のマーク間隔が全て等しいこと。 (2) マークはビーム走査方向に沿って複数個配置され、
各々のマーク間隔を徐々に長く又は短くしていること。 (3) マークは複数のマーク群に分類され、各々のマーク
群ではマーク間隔が同じであり、かつ異なるマーク群で
はマーク間隔が異なること。 (4) 荷電ビームの焦点位置調整を行うに際し、測定した
強度分布の変化が焦点位置の変化に対して最も大きくな
るマーク間隔を持つマークを用いること。 (5) 荷電ビームの焦点位置調整を行うに際し、荷電ビー
ムサイズを変化させながら該ビームの強度分布を測定
し、該測定した強度分布の変化が焦点位置の変化に対し
て最も大きくなるビームサイズの荷電ビームを用いるこ
と。 (6) 測定された荷電ビームの強度分布を評価関数とし、
該評価関数を焦点位置を変えながら測定し、該評価関数
と焦点位置との関係を二次関数に当てはめて、該二次関
数の極値となる焦点位置を最適焦点位置とすること。

【００１１】また本発明は、所定の開孔形状を有するア
パーチャマスクに荷電ビームを照射することにより、前
記開孔形状のビームを生成し、これを偏向して試料上の
所望位置に描画する荷電ビーム描画装置において、少な
くとも２個の微細マークを前記荷電ビームの偏向方向に
一致して並べたマーク群を試料台の一部に具備したこと
を特徴とする。

【００１２】ここで、マーク群内の各微細マークの間隔
が全て等しいことを特徴とする。また、マーク群間にお
いて互いに微細マークの間隔を少しずつ変えてある、少
なくとも２組のマーク群を試料台の一部に具備したこと
を特徴とする。さらに、マーク群内の各微細マークの間
隔を少しずつ変えてある少なくとも１組以上のマーク群
を試料台の一部に具備していることを特徴とする。

【００１３】また、微細マークの形状が点状又は線状で
あることを特徴とする。さらに、微細マークの形状が、
マーク周辺の下地に対して凸型又は凹型であることを特
徴とする。また、微細マークの問隔が、ビームサイズと
同程度であることを特徴とする。（作用）本発明では、ビームサイズと、ビームの走査方
向に一致して並べられた複数の微細マークの間隔との間
に適切な関係を選び、少なくとも２個の微細マークの上
を荷電ビームで走査し、微細マークに荷電ビームが照射
された状態の時に得られる反射電子又は二次電子を検出
して荷電ビームの強度分布を求める。すると、反射電子
や二次電子信号のＳ／Ｎ比が大きくなり、測定精度を向
上させて荷電ビームの焦点位置を高精度に合わせること
ができ、これにより微細パターンの描画精度向上に寄与
することが可能となる。

【００１４】さらに、求めた強度分布を評価関数とし、
該評価関数を焦点位置を変えながら測定し、該評価関数
と焦点位置との関係を二次関数に当てはめて、該二次関
数の極値となる焦点位置を最適焦点位置として焦点位置
調整を行うため、この評価関数はビーム分解能に加えて
ビームの肩と界面の情報を含んでおり、従来のビーム分
解能を評価関数とした場合に比べ、焦点位置の変化に対
する評価関数の感度が高くなり、高精度な焦点位置調整
を行うことができる。

【００１５】図１３は、焦点位置を変化させたときの評
価関数の変化の割合を、従来の方法による場合と本発明
による場合で比較したものである。本発明による場合
は、従来の方法に比べ、特に焦点位置が最適焦点位置か
らずれたところでの評価関数の変化の割合が大きいた
め、二次関数のフィッティングによる誤差を小さくする
ことができる。よって、本発明による荷電ビーム調整方
法を用いれば、高精度な描画パターンを実現することが
可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。図１は、本発明の実施形態に使
用した電子ビーム描画装置を示す概略構成図である。図
中の１００は電子銃、１０１は電子銃１００から放出さ
れた電子ビーム、１０２はビームの位置を制御する偏向
制御回路、１０３は偏向アンプ、１０４は偏向器、１０
５は対物レンズ、１０６は反射電子検出器、１０７は反
射電子信号を処理する回路、１０８は可動ステージ、１
０９はウェハ等の試料、１１０は微細マーク台、１１１
はステージ位置制御回路、１１２は制御用計算機であ
る。また、１１３は、電子ビーム１０１で微細マーク台
１１０上にある微細マークを走査した時に得られる反射
電子である。

【００１７】電子ビームは対物レンズ１０５で試料上に
焦点を結び、偏向器１０４で試料上の任意の位置に位置
決めすることができる。ウェハ等の試料１０９と微細マ
ーク台１１Ｏは、可動ステージ１０８を動かして選択す
ることができ、その位置はレーザー測長系を含むステー
ジ位置制御回路１１１によって精度良く制御することが
可能である。

【００１８】図２に３種類のビームサイズの定義を示し
ておく。ビームサイズＡは電子ビーム強度分布の半値
幅、ビームサイズＢはピーク波高値の１００％部分の
幅、ビームサイズＣは強度分布の界面の幅である。な
お、１１をビームの左側エッジ、１２を右側エッジ、１
３をビームの界面、１４をビームの肩と呼ぶことにす
る。

【００１９】図２の強度分布において、ビーム分解能を
反映しているのはビームのエッジ１１又は１２の傾き
で、従来はこれを評価関数として焦点位置調整を行って
いた。これに対して本実施形態では、焦点位置の変化に
伴うビーム形状の変化を測定するため、ビームのエッジ
１１及び１２の傾きの変化に加えて、ビームの界面１３
及びビームの肩１４の強度変化を感度良く捉える。（第１の実施形態）まず、本発明の第１の実施形態を説
明する。

【００２０】微細マーク台１１０上には、図３に示すよ
うに、リソグラフィー工程によって製作された同じ大き
さの柱状マーク２１が同一間隔ｍで、マトリックス状に
並んでいる。図３に示されたマークのうち、横方向に隣
合った２個のマーク２２及び２３の上を電子ビーム１０
１で連続して走査すると、図４に示すような反射電子の
強度分布が得られる。このときの横方向のビームサイズ
（図２で定義される）とマーク２２及び２３の間隔ｍの
関係は、図５に示すようにＢ＜ｍ＜Ａである。なお、縦
方向のビームサイズは横方向と同じ値に設定されてい
る。

【００２１】マーク間隔ｍの大きさは固定であるので、
電子ビーム１０１のサイズによっては、図４に示すよう
な強度分布が得られない場合がある。この場合は、電子
ビーム１０１のビームサイズを変えながら強度分布を測
定し、図４と同様の強度分布が得られるビームサイズを
用いれば良い。

【００２２】対物レンズ１０５の励磁を変えて電子ビー
ムの焦点位置を変化させると、図４の３１，３２，３３
に示すように強度分布が変化する。強度分布３３，３
２，３１の順番でビーム分解能が小さくなり、強度分布
のピーク値が大きくなる。ここで、図６に示すように、
強度分布のピーク値を中心としてビーム偏向位置ｔ１，
ｔ２を設定し、ｔ１からｔ２の間でしきい値Ｉｔ以上部
分の強度の積算値Ｓを強度分布の全積算値で規格化した
値Ｓ_N を評価関数とする。

【００２３】図７は、焦点位置を変化させながら強度分
布を測定して積算値Ｓを求め、規格化された積算値Ｓ_N
と焦点位置を二次関数（ｙ＝ａｘ² ＋ｂｘ＋ｃ）に当て
はめてたグラフである。二次関数の極値（−ｂ／２ａ）
を求め、このときの焦点位置を最適焦点値とすれば、焦
点位置調整を行うことができる。

【００２４】ビームサイズとマーク間隔の関係がＣ＜ｍ
＜Ｂのときは、強度分布は図８に示すように凹型の形状
になる。ビーム偏向位置ｔ３，ｔ４を設け、ｔ３からｔ
４の間の強度の積算値Ｓを強度分布の全積算値で規格化
した値を評価関数とすることができる。この場合、焦点
位置と評価関数の関係は下に凸の二次関数で近似するこ
とができて、二次関数の極値の時の焦点位置を最適焦点
位置として焦点位置調整を行うことができる。

【００２５】本実施形態では、横方向と縦方向のビーム
サイズは同一であったが、縦方向のビームサイズ及び微
細マークを走査する時の電子ビームの縦方向の位置を変
えることで、マーク２２及びマーク２３が並んでいるマ
ーク列の上段、又は下段のマーク列にも電子ビームを照
射して、反射電子信号量を大きくしＳ／Ｎ比を上げて精
度を上げることができる。（第２の実施形態）次に、本発明の第２の実施形態につ
いて説明する。

【００２６】図９は、本発明の第２の実施形態を説明す
るための微細マーク配置を示す図である。第１の実施形
態で説明した方法では、一括露光方式の電子ビーム装置
のようにビームサイズを任意に変化できない場合、強度
分布の測定に最適なビームサイズを得ることができな
い。

【００２７】そこで本実施形態では、マークの間隔を少
しずつ違えた複数のマーク群Ｍ１（マーク間隔ｍｌ）、
Ｍ２（マーク間隔ｍ２）、Ｍ３（マーク間隔ｍ３）、を
用意する（一つのマーク群内ではマーク間隔は同一であ
る）。そして、各マーク群のマーク上を電子ビーム１０
１で走査して強度分布測定を行い、第１の実施形態に示
した焦点位置調整を行うに最適なマーク群を選択して、
第１の実施形態に記した方法で最適焦点位置を得ること
ができる。（第３の実施形態）次に、本発明の第３の実施形態につ
いて説明する。

【００２８】図１０は、本発明の第３の実施形態を説明
するための微細マークの配置を示す図である。図１０に
示すように、マーク間隔をｍｌ＜ｍ２＜ｍ３＜ｍ４＜ｍ
５＜ｍ６＜ｍ７＜ｍ_x のように少しずつ変えて配置し、
そのマーク列の上を電子ビーム１０１で走査すれば、マ
ーク検出に最適なマーク間隔とビームサイズの関係を簡
単に選択することができる。

【００２９】前記図２に示すような形状を持つ電子ビー
ムで図１０のマーク上を連続して走査すると、マーク間
隔ｍｌ〜ｍ７と図２に定義されるビームサイズＡ〜Ｃの
関係に応じて、図１１（ａ）から（ｇ）に示す強度分布
が得られる。第１の実施形態の説明と同様に、図１１
（ｃ）の強度分布、若しくは図１１（ｅ）の強度分布を
用いて第１の実施形態で説明した方法で、焦点位置調整
を行うことができる。（第４の実施形態）次に、本発明の第４の実施形態につ
いて説明する。

【００３０】第１〜第３の実施形態においては、強度分
布を観測するためのマークとして、ドット状の柱状マー
クを用いたが、ドットマークでＳ／Ｎ比が小さい場合に
は、図１２に示すように、ラインマーク２５を格子状に
並べて、その上を電子ビームで走査して反射電子信号を
強くして検出しても良い。ラインマーク上を電子ビーム
で走査したときに得られる強度分布の形状は、ドット状
の柱状マーク上を走査したときに得られる強度分布の形
状と同じである。よって、ラインマークの間隔をＬ１＝
Ｌ２＝Ｌ３＝…とすれば、第１の実施形態と同じ方法で
焦点位置調整を行うことができる。

【００３１】また、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝…のマーク間隔
を持つラインマークを一つのマーク群として、マーク間
隔を互いに少しずつ違えた複数のマーク群を用いれば、
第２の実施形態の方法で焦点位置調整を行うことができ
る。さらに、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜…のマーク間隔を持つ
ラインマークを用いれば、第３の実施形態と同様の方法
で焦点位置調整を行うことができる。（その他の実施形態）第１〜第４の実施形態では、微細
マーク上を電子ビームで１回走査して強度分布を得た
が、同一位置を２回以上走査して平均加算処理を行うこ
とによって精度をより向上させることができる。さら
に、第１及び第２の実施形態においては、３個以上のマ
ークを１回で連続して走査し平均加算処理を行うことに
よって、精度をより向上させることができる。

【００３２】前記実施形態で説明した微細マークは、微
細マーク周辺の下地に対して凸型の柱状ドットマーク又
はラインマークであったが、凹型のホールマーク又は凹
型の溝状のラインマークを用いても凸型マークと同様の
強度分布が得られるので、前記実施形態と同様の効果が
得ることができる。

【００３３】前記実施形態における電子ビームの走査方
向は、実施形態で説明した横方向だけでなく、縦方向の
微細マーク列を用いて縦方向に電子ビームを走査して焦
点位置調整を行っても良い。また、検出は反射電子だけ
でなく、二次電子を利用しても良い。

【００３４】なお、本実施形態は電子ビームの焦点位置
調整に付いて説明したが、これに限らずイオンビーム描
画装置等の荷電ビーム露光装置、さらにはレーザー光を
走査したり光を照射してマーク像を検出する場合にも適
応可能である。さらには、ビームの非点調整等にも応用
可能である。

【００３５】本実施形態を実施するに当たり、ビームの
走査方向とマークの配置方向が一致していることが前提
である。よって、焦点調整を行う前に、電子ビームの偏
向位置を制御する偏向位置制御回路１０２によって、偏
向位置の回転補正を行う必要がある。偏向位置の回転補
正は、偏向器の各電極に印加する電圧のバランスを違え
ることで行うことができる。または、微細マーク台１１
０を回転させて、マークの配置方向をビームの走査方向
に一致させても良い。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で、種々変形して実施することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、少
なくとも２個の微細マークの上を荷電ビームで走査し、
該走査により得られる反射電子又は二次電子信号を検出
してビーム強度分布を測定し、該測定した強度分布に基
づいてビームの焦点位置調整を行うことにより、荷電ビ
ームの焦点位置を高精度に合わせることができ、微細パ
ターンの描画精度向上に寄与することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に使用した電子ビーム描画装
置を示す概略構成図。

【図２】ビームサイズの定義を示す図。

【図３】間隔を同じくして並べた微細マーク配列を示す
図。

【図４】２個の微細マークを焦点位置を変えて電子ビー
ムで走査したときに得られる強度分布を示す図。

【図５】２個の微細マークの間隔とビームサイズとの関
係を示す図。

【図６】最適焦点位置を得るための積算値Ｓを求める方
法例を示す図。

【図７】最適焦点位置を得るための焦点位置と積算値と
の関係を示す図。

【図８】最適焦点位置を得るための積算値Ｓを求める方
法例を示す図。

【図９】マーク間隔が同じマーク群を複数並べた例を示
す図。

【図１０】マーク間隔を変えて複数個のマークを並べた
例を示す図。

【図１１】間隔の違いマーク列を連続して電子ビームで
走査した時に得られる強度分布を示す図。

【図１２】ライン状の微細マークを格子状に並べた例を
示す図。

【図１３】従来の方法と本発明による方法の評価関数の
変化の割合を比較して示す図。

【符号の説明】

１１…ビームの左側エッジ１２…ビームの右側エッジ１３…ビームの界面１４…ビームの肩２１，２２，２３…微細柱状マーク２５…微細ラインマーク３１，３２，３３…反射電子信号の強度分布１００…電子銃１０１…電子ビーム１０２…偏向制御回路１０３…偏向アンプ１０４…偏向器１０５…対物レンズ１０６…反射電子検出器１０７…反射電子信号を処理する回路１０８…可動ステージ１０９…試料１１０…微細マーク台１１１…ステージ位置制御回路１１２…制御用計算機１１３…反射電子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の間隔で配置された少なくとも２個の
微細マークの上を荷電ビームで走査し、該走査により得
られる反射電子又は二次電子信号を検出して前記荷電ビ
ームの強度分布を測定し、該測定した強度分布に基づい
て前記荷電ビームの焦点位置調整を行うことを特徴とす
る荷電ビームの調整方法。
【請求項２】前記マークはビーム走査方向に沿って複数
個配置され、各々のマーク間隔を徐々に長く又は短くし
ていることを特徴とする請求項１記載の荷電ビームの調
整方法。
【請求項３】前記マークは複数のマーク群に分類され、
各々のマーク群ではマーク間隔が同じであり、かつ異な
るマーク群ではマーク間隔が異なることを特徴とする請
求項１記載の荷電ビームの調整方法。
【請求項４】前記荷電ビームの焦点位置調整を行うに際
し、荷電ビームサイズを変化させながら該ビームの強度
分布を測定し、該測定した強度分布の変化が焦点位置の
変化に対して最も大きくなるビームサイズの荷電ビーム
を用いることを特徴とする請求項１記載の荷電ビームの
調整方法。
【請求項５】前記荷電ビームの焦点位置調整を行うに際
し、測定した強度分布の変化が焦点位置の変化に対して
最も大きくなるマーク間隔を持つマークを用いること特
徴とする請求項２又は３記載の荷電ビームの調整方法。
【請求項６】前記測定された荷電ビームの強度分布を評
価関数とし、該評価関数を焦点位置を変えながら測定
し、該評価関数と焦点位置との関係を二次関数に当ては
めて、該二次関数の極値となる焦点位置を最適焦点位置
とすることを特徴とする請求項１記載の荷電ビームの調
整方法。