JPH0732111B2

JPH0732111B2 - 荷電ビ−ム投影露光装置

Info

Publication number: JPH0732111B2
Application number: JP60124323A
Authority: JP
Inventors: 信生島津
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1985-06-10
Filing date: 1985-06-10
Publication date: 1995-04-10
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPS61283121A

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・スコット,1:1エレクト
ロンイメージプロジェクター，ソリッドステート
テクノロジー/5月,1977（J.P.Scot,Electron image P
rojector,Solid State Technology/May,1977）で発表さ
れている。これは、一様磁界と一様電解を重畳させた特
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。

（ｂ）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
ウイズエレクトロンビームプロキシミティプ
リンティング，ソリッドステートテクノロジイ/9
月,1984（H.Bohlen et al.High Throughput Submicron
Lithography with Electron Beam Proximity Printing,
Solid State Technology/September,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（ａ）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（ｂ）
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図に示すように試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
なメッ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、メッ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、マスクお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、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電荷ビームで走査する手段とを
有する電子光学系を設けるようにしたものである。

〔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はマスク上を電荷
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てある。

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24のアパーチャを通過したビーム束は
マスクステージ26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40
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。

偏向器の偏向歪の補正：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てある。最初に第３図（ａ）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をする。電子ビーム21
が標準用パターン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、走行信号と検出器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21をｌ＝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。

試料面の歪（変形）の測定と補正：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10
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
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（ｃ）〜（ｋ）を用いて説明する。ここで、第４
図（ｄ），（ｋ）に示す350はマスクステージ26と試料
ステージ31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（ｅ）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（ｉ）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）〜（ｉ）に示す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（ｃ）において、
６はマスク、10はマスクパターン、11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（ｅ）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（ｄ），（ｅ）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上でラスタ走査しながら
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、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（ｇ），（ｈ）
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（ｈ）に示すように、一定時間ｔ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（ｉ）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27を用いて補正する。

補正式の一例を次に示す。

ｘ＝Lx＋Ｍ（A1＋A2・Ｘ＋A3・Ｙ＋A4・XY）ｙ＝Ly＋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（ｊ）で示す（451,452）と（453,4
54）の２組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14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図の実施例を説明してきたが、こ
れらの実施例の結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L
SI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を搭載する試料ステージ
と、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手段とを
有する電子光学系を設けることにより、次に示す効果を
生ずる。

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、45……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】

【請求項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、前
記マスクステージおよび前記試料ステージを連続的に移
動させている間前記マスク上を前記荷電ビームで走査す
る手段とを有する電子光学系を備えていることを特徴と
する荷電ビーム投影露光装置。
【請求項２】前記電子光学系を複数備えていることを特
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。
【請求項３】前記複数の電子光学系は１つのマスクステ
ージと１つの試料ステージとを共通に使用することを特
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。