JPS6276620A

JPS6276620A - 荷電ビ−ム露光装置

Info

Publication number: JPS6276620A
Application number: JP60216602A
Authority: JP
Inventors: Kanji Wada; 和田　寛次
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1987-04-08

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】（発明の技術分野〕本発明は、荷電ビーム露光装置に係わり、特に電磁レン
ズの焦点合、わせ機構の改良をはかった荷電ビーム露光
装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、半導体ウェハやマスク基板等の試料上に微細パタ
ーンを形成するものとして、各種の電子ビーム露光装置
が用いられているが、この装置では光学系と試料との焦
点合わせが必要となる。電子ビーム直接描画においては
、焦点合わせに次のような方法が採用されている。即ち
、ウェハの高さく２位置）をＺセンサで測定し、基準面
の高さ２０との差Δ２に比例した励ｋＮ流でレンズ電流
を補正してウェハに対する焦点合わせを行っている。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問題
があった。即ち、電子ビームを集束するためのレンズと
しては、一般に電磁レンズが用いられており、このレン
ズの励磁電流と磁場強度との間には、所謂ヒステリシス
がある。このため、一定のシーケンスでレンズ電流を変
化した後電流を再設定しなければならず、この設定に多
くの時間がかかる。さらに、このようにしてもなお、完
全にヒステリシスの影響を避は得たことを最終的に確認
する方法がないと云う問題があった。

なお、上記の問題は電子ビーム露光装置に限らず、イオ
ンビームを用いて試料上に所望のパターンを形成するイ
オンビーム露光装置についても、同様に云えることであ
る。

〔発明の目的〕

本発明は上記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、試料に対する焦点合わせを高速・高精
度に行うことができ、露光精度及び露光スループットの
向上をはかり得る荷電ビーム露光装置を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、ビーム軌道の回転量を検出して電磁レ
ンズの励磁電流を制御することにある。

電磁レンズの励磁電流と磁場強度との間には、前述した
如くヒステリシスがあり、励磁電流を制御して磁場強度
を所定値に設定することは橿めて困難である。ところが
、磁場強度とビームの回転量との間にはヒステリシス等
のない比例関係がある。ビーム回転量は、試料上の基準
マークにビームを照射しその反射ビーム等を検出するこ
とにより容易に測定することができる。従って、ビーム
回転車が所定値となるように励磁電流を制御することに
より、磁場強度を所定値に設定することが可能となる。

本発明はこのよ、うな点に着目し、荷電ビーム源から放
出された荷電ビームを電磁レンズにより集束すると共に
、偏向器により試料上で走査して、該試料上に所望パタ
ーンを露光する荷電ビーム露光装置において、前記試料
表面の高さ位置を測定する手段と、前記偏向器により基
準マーク上を荷電ビームで走査し、該マークからの２次
的など−ムを検出して偏向座標上のマークの傾きを測定
する手段と、上記測定される傾きが前記測定された試料
の高さ位置に基づいて決定される所定の傾きとなるよう
に前記電磁レンズの励磁電流を制御する手段とを設ける
ようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ヒステリシスの影響を受けることなく
、高速・高精度で試料に対する焦点合わせが可能となり
、しかもビーム分解能ばかりでなく、ビーム位置誤差を
小さくすることができる。

このため、露光精度及び露光スルーブツトの大幅な向上
をはかり得る。

〔発明の実施例〕

まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につい
て説明する。

本発明の原理は、レンズの励磁により発生するビーム軌
道の回転を検出し、レンズ磁場の変化を間接的に測定し
て励磁電流を制御することにある。

一般に、ビームの回転ｍθはで表わ・される。ここで、ｅは電子の電荷、ｍは電子の
質量、■は加温電圧、Ｂ　（ｚ）はレンズの軸上の磁場
分布、ａ、ｂは軸上位置で例えば物点。

像点に相当する。Ｂ（ｚ）の分布形状は、レンズの形状
、通常はボーア径Ｄｉ　、Ｄ２及びギャップ寸法Ｓで決
まる。つまり、Ｂ（Ｚ）はＢ　（Ｚ）−Ｂｏ　　−Ｅ（Ｚ）　　　　　・・・・・
・■で表わされる。ここで、Ｅ（Ｚ）は規格化した分布
関数、ＢａＧ、ｔＢ（Ｚ）の最大値である。Ｅ（Ｚ）は
Ｃ１，Ｄ２　、Ｓのみの関数である。

Ｓｏはレンズの励磁電流１’Ｏに略比例して変化するが
、ヒステリシスのためＢｏとＩｎとは１対１に対応しな
い。しかし、ビームの回転量θはとなるので、Ｂａに１
対１に対応している。ウェハの焦点合わせは、この性質
を利用して次のように行う。

即ち、予め焦点位置のずれΔ２に対する回転角の変化Δ
θを求めておく。次いで、基準面に焦点合わせしてその
時の回転角θを測定する。ウェハの基準面からのＺ方向
位置のずれΔ２を測定し、回転角θ−θ＋Δθとなるよ
うに励磁電流を制御することで焦点合わせが終了する。

θの測定は、基準面上の２点のマーク位置を通常のレジ
ストレーション機能を用いて求めて行う。

例えば、ボーア系Ｄｔ−４０履、Ｄ２−１０１１１゜５
＝１０１１１ＩＩＩのレンズを焦点距離ｆ〜１９Ｍ程度
で使用した時、ΔＺ−５０μｍに対しΔθ−１．７１！
１ｒａｄである。

２点のマーク位置の間隔がＬ−２５０ａｍであれば（偏
向フィールドとしては小さい方である）、Δθによるマ
ーク位置の移動はＬ−Δθ−２５０Ｘ　１．７　Ｘ　１０″３−０．４２
５　μｍとなる。位置検出精度は０．２５〜０．０５μ
ｍだから焦点合わせ精度は、この場合である。一方、ビーム分解能ΔのΔ２依存性は−冨０．
００２ △２なので、この方法を用いた時の焦点合わせ誤差による分
解能低下は５．９　ｘＯ，００２−０，０１μｍにしかならず無視し得る値である。

これに対し、通常の方法では、ヒステリシスによりレン
ズの励磁は最大３Ｘ　１０４の誤差を生じる。

これは、分解能として０．０５μｍに相当するので、無
視し得ない誤差である。また、この誤差は回転量として
は０．０５１ｒａｄに相当し、その縛のビーム位置ずれ
は２５０　Ｘｏ、５　Ｘ１０’　−０，１２５μ７ＦＬで
あって、ヒステリシスを補正しなければこれだけの位置
ずれを描画パターンに生じることになる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる電子ビーム露光−装
置を示す概略構成図である。図中１１はＸ−Ｙ方向に移
動可能な試料ステージ、１２は半導体ウェハ、１３はウ
ェハ１２を収容するウェハカセット、１４はステージ１
１上に取付けられウェハカセット１３を保持するカセッ
トホルダー、１５は基準面台、１６は開口周辺にナイフ
ェツジを有するファラデーカップ、１８はビーム走査方
向を検出するための基準マークである。

２１、〜，２５は電子光学鏡筒を構成するものであり、
２１はビームを大きく偏向する主偏向器、２２はビーム
を高速で偏向する副偏向器、２３は対物レンズ主コイル
、２４は焦点合わせ用補助コイル、２５は反射電子検出
器である。なお、これらの上方部には、図示しない電子
銃、ブランキング板及び各種レンズ等が配置されるもの
となっている。

３）、〜，３５は２位置センサを構成するものであり、
３）は半導体レーザ、３２はスリット、３３．３４はミ
ラー、３５はＰＳＤ等の位置検出器である。この２位置
センサでは、被検出而の高さ位置により位置検出器３５
に入射する光の位置が異なることから、被検出面の２位
置に対応した検出出力が得られるものとなっている。

また、４０は各種制御、演算等を行うためのＣＰＵ、４
１はメモリ、４２は位置検出器３５の検出出力から２位
置を測定する演算処理回路、４３は反射電子検出器のｄ
カを増幅する増幅器、４４は反射電子検出器２５の検出
出力からマークの傾き角度を測定する演算処理回路、４
５　（４５ａ。

〜、４５ｄ）はＤ／Ａ変換器、４６　（４６８，〜。

４６ｄ）は増幅器である。

なお、この装置では、主偏向器２３により電子ビームを
偏向フィールドを小領域に分割したサブフィールドに位
置決めし、副偏向器２４によりこの位置でビームを走査
してパターンを描画する。

そして、サブフィールドの位置を順次変えることによっ
て、サブフィールド毎にパターン描画を行うものとなっ
ている。

次に、上記構成された本装置を用いた焦点合わせ方法に
ついて説明する。

まず、ウェハ１２のＺ位置に基づくマークの設定傾き角
度θを求めるために、次のような前処理を行う。即ち、
試料ステージ１１を移動し、基準面台１５上のファラデ
ーカップ１６が電子光学鏡筒の真下に位置するようにす
る。この状態で、ナイフェツジを電子ビームで走査し、
ざらに補助コイル２４の電流を変化してビームをナイフ
ェツジに対して焦点合わせする。即ち、ファラデーカッ
プ１６の検出出力が最大となるようにコイル電流を変化
することによって、基準面台１５に対する焦点合わせを
行う。なお、ビームが可変成形ビームの場合、ナイフェ
ツジの代りに０．１μｍ程度のＡＵ粗粒子ファラデーカ
ップ１６の開口周辺に散布し、これからの反射電子信号
で焦点合わせすることができる。

次いで、基準マーク１８が電子光学鏡筒の真下に位置す
るように試料ステージ１１を移動する。

この状態で、前記２センサ及び演算処理回路４２等によ
り、マーク１８（基準面台１５の表面）の２位ＩＺａを
測定する。次いで、電子ビームでマーり１８を走査して
、第２図に示す如く、マーク１８の腕１８ａ若しくは１
８ｂの主偏向フィールド内の傾き角度θ８を求める。

次いで、第３図に示す如くナイフェツジを有する開口５
１及びマーク５２を有するウェハ１２が電子光学鏡筒の
真下に位置するように、試料ステージ１１を移動する。

この状態でウェハ１２の７位＋１２２を測定し、さらに
マーク５２の傾き角度θ２を測定する。続いて、開口５
１のナイフェツジに対して先と同様に焦点合わせし、こ
の状態でマーク５２の傾き角度θ２′を再度求める。こ
のとき、 ΔＺ−２２−２６ Δθ−θ２′−θ２とすれば、マーク１８の傾き角度θは θ−θＢ＋Δθ となっている。つまり、ウェハ１２の７位Ｎｚ２に対し
、基準マーク１８の測定傾き角度θがθ８＋Δθとなる
ように、前記補助コイル２４の電流を設定すれば、焦点
はウェハ１２の表面に調整されたことになる。従って、
任意のウェハに対して焦点合わせをするには、ウェハの
Ｚ位置２を測定し、 θ−θ８＋Δθ　□　　　・・・・・・■△２となるように、補助コイル電流を設定すればよい。

ここで、上記の前処理を行った後の実際の焦点合わせ方
法について、第４図のフローチャートを参照・して、更
に詳しく説明する。

まず、任意のウェハ１２に対し、前記Ｚセンサ等により
そのＺ位置２を測定する。測定されたＺ位ｌ！ｚに基づ
き前記■式から設定角度８口を算出する。次いで、試料
ステージ１１を移動し、基準マーク１８を光学ｌｔ簡の
真下に移動する。この状態で、基準マーク１８の傾き角
度θを測定し、この角度θと上記設定角度θＤとを比較
する。そして、θ〉θＧの場合は補助コイル電流を増大
して再び基準マーク１８の傾き角度θを測定する。一方
、θくθａの場合は、補助コイル電流を減少して、再び
基準マーク１８の傾き角度θの測定を行う。上記処理を
繰返すことにより、θ＝θ口となっだ時点で、焦点合わ
せを終了する。この状態で、試料ステージ１１を移動し
、ウェハ１２が光学鏡筒の下に位置するようにすれば、
ウェハ１２の表面に焦点が合わされることになる。

このように本実施例によれば、基準マーク１８の傾き角
度θがウェハ１２の７位Ｎｚから決定される設定角度θ
０となるようにコイル電流を制り１１することにより、
ウェハ１２に対して確実に焦点合わせすることができる
。そしてこの場合、フィードバックルーズによりビーム
の回転角が所望値になるように制御しているので、レン
ズのヒステリシスに拘りなく、焦点合わせを高量Ｉαに
行うことができる。また、ウェハ１２の７位置２を測定
したのち、基準マーク１８の傾き角度Ｏがθａとなるよ
うにレンズ電流を制御するだけでよいので、焦点合わせ
が比較的短時間で完了する等の利点がある。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記基準マークの形状は十字型に何等限定
されるものではなく、少なくとも１本の直線があればよ
い。また、主・副の２段偏向を用いるものに限らず、通
常の電子ビーム露光装置に適用できるのは、勿論のこと
である。さらに、Ｚセンサは第１図の構成に何等限定さ
れるものではなく、電子光学ｖＬ筒に対する試料の高さ
位置を測定できるものであれば適宜変更可能である。

また、電子ビームの代りにイオンビームを用いたイオン
ビーム霞光装置に適用することも可能である。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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる電子ビーム露光装置
を示す概略構成図、第２図は基準マークの傾き角度の測
定原理を示す模式図、第３図は前処理に用いるウェハ上
のマーク及び開口の配置状態を示す平面図、第４図は本
実施例の作用を説明するためのフローチャートである。１１・・・試料ステージ、１２・・・ウェハ（試料）、
１５・・・基準面台、１６・・・ファラデーカップ、１
８・・・基準マーク、２１．２２・・・偏向器、２３・
・・対物レンズ主コイル、２４・・・補助コイル、２５
・・・反射電子検出器、３）．〜，３５・・・Ｚセンサ
、４０・・・ＣＰＵ、４１・・・メモリ、４２．４４・
・・演算処理回路。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）荷電ビーム源から放出された荷電ビームを電磁レ
ンズにより集束すると共に、偏向器により試料上で偏向
して、該試料上に所望パターンを露光する荷電ビーム露
光装置において、前記試料表面の高さ位置を測定する手
段と、前記偏向器により基準マーク上を荷電ビームで走
査し、該マークからの２次的なビームを検出して偏向座
標上のマークの傾きを測定する手段と、上記測定される
傾きが前記測定された試料の高さ位置に基づいて決定さ
れる所定の傾きとなるように前記電磁レンズの励磁電流
を制御する手段とを具備してなることを特徴とする荷電
ビーム露光装置。
（２）前記基準マークは、前記試料を載置する試料台上
に設けられたもの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露光装置。
（３）前記励磁電流を制御される電磁レンズは、荷電ビ
ーム光学鏡筒の最下部に配置された対物レンズであるこ
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
露光装置。