(57)【要約】【課題】短時間に、かつ高分解能の電子ビーム強度分布を取得できる電子ビーム強度分布測定装置及び電子ビーム強度測定方法を提供する。【解決手段】電子ビーム強度分布測定装置１を、電子ビームを受けてその電子ビーム強度分布の像を作る蛍光面２と、前記像を撮像する撮像素子３とを備えて構成し、前記撮像素子の出力信号に基づき前記電子ビームの強度分布を測定することとする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム源により生じる電子ビームを照射対象に照射する電子ビーム装置に配置し、前記照射対象へ照射されるべき前記電子ビームの強度分布を測定する電子ビーム強度分布測定装置であって、
前記電子ビームを受けて、電子ビーム強度分布の像を作る蛍光面と、前記像を撮像する撮像素子とを備え、
前記撮像素子の出力信号に基づき前記電子ビームの強度分布を測定することを特徴とする電子ビーム強度分布測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電子ビーム強度分布測定装置を備えることを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電子ビーム強度分布測定装置を備えることを特徴とする電子ビーム露光装置。
【請求項４】
電子ビーム源により生じる電子ビームを照射対象に照射する電子ビーム装置の、前記照射対象へ照射されるべき前記電子ビームの強度分布を測定する電子ビーム強度分布測定方法であって、
前記電子ビームのある断面における電子ビーム強度分布の像を作り、前記像を撮像することにより前記電子ビームの強度分布を測定することを特徴とする電子ビーム強度分布測定方法。
【請求項５】
前記電子ビームを蛍光面に受けて、前記電子ビーム強度分布の像を作るステップと、
前記蛍光面上に生じる像を、撮像素子により撮像するステップと、
前記撮像素子の出力信号に基づき、前記電子ビームの強度分布を測定するステップと、を備えることを特徴とする請求項４に記載の電子ビーム強度分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームの強度分布を測定する電子ビーム強度分布測定装置に関し、特に半導体集積回路などの製造工程で使用される微細パターンを露光する電子ビーム露光装置の、電子ビームの強度分布を測定する電子ビーム強度分布測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積化のニーズに伴い、回路パターンの一層の微細化が要望されている。現在、微細化の限界を規定しているのは主として露光装置であり、電子ビーム直接描画装置やＸ線露光装置などの新しい方式の露光装置が開発されている。
【０００３】
最近では新しい方式の露光装置として、量産レベルで超微細加工用に使用可能な電子ビーム近接露光装置が開示されている（例えば特許文献１、およびこれに対応する日本国特許出願の特許文献２）。
【０００４】
図６は、特許文献１に開示された電子ビーム近接露光装置の基本構成を示す図である。この図を参照して、従来の電子ビーム近接露光装置について簡単に説明する。図示するように、電子光学鏡筒（カラム）１０内には、電子ビーム１５を発生する電子ビーム源１４と整形アパーチャ１８と電子ビーム１５を平行ビームにする照射レンズ１６とを有する電子銃１２、対となる主偏向器２１、２２と、対となる副偏向器５１、５２とを含み、電子ビームを光軸に平行に走査する走査手段２４、露光するパターンに対応する開口を有するマスク３０、および表面にレジスト層４２が形成された試料（半導体ウエハ）４０が設けられている。
マスク３０は、厚い外縁部３４内の中央に開口の形成された薄膜部３２を有しており、試料４０は表面がマスク３０に近接するように配置される。この状態で、マスクに垂直に電子ビームを照射すると、マスクの開口を通過した電子ビームが試料４０の表面のレジスト層４２に照射される。
【０００５】
電子ビーム１５は、走査手段２４により偏向されて、図７に示すようにマスク３０の薄膜部３２上を走査して全面にわたって露光する。この露光量の分布にムラがあると、現像後のレジストのパターン線幅の誤差を生じるため、マスク薄膜部３２への露光量を一定にする必要がある。そのために、電子ビーム１５の電子ビーム強度分布状態を測定しておく必要がある。
【０００６】
従来の電子ビーム強度分布測定方法を、図８を参照して説明する。従来、電子ビーム強度分布測定には、図８（ａ）に示すピンホール検出器８０を用いる。図８（ｂ）および（ｃ）にそれぞれピンホール検出器８０の上面図および断面図を示す。
【０００７】
図示するようにピンホール検出器８０は、非常に小さい（直径約２０μｍ）電子受入口８１を有するアパーチャ板８２を上面に備える。アパーチャ板８２の下には、電子受入口８１を通過した電子を検出するファラデーカップのような電子検出器８３を設ける。このような構成によって、ピンホール検出器９１は電子ビーム受入口８３を通過する電子ビームを電気量に変換して出力することが可能となる。
そして、このピンホール検出器８０を図８（ａ）に示すｘｙ方向に走査しながら電子ビーム１５を走査して、あるいは複数のピンホール検出器８０を電子ビーム照射領域内に配置して、電子ビーム１５断面の各位置における電子ビーム強度（ビームプロファイル）を測定する。これにより、図９に示すような電子ビーム強度分布を取得する。
【０００８】
また同様の測定方法としては、ピンホールを電子の衝撃に応じて光を発光するシンチレータと、その光を検出して信号を電気的に増幅する光電子倍増管とから構成されるピンホール検出器を走査させて、電子像の強度分布を得る電子ビーム強度分布測定方法が、特許文献３に開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５，８３１，２７２号明細書（全体）
【特許文献２】
日本特許第２９５１９４７号公報（全体）
【特許文献３】
特開２０００−２０８０７９号公報（段落〔０００２〕−〔０００３〕）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ピンホール検出器を用いる従来の測定方法では、電子ビーム強度分布を取得するのに時間がかかるという問題がある。電子ビーム１５の強度分布は、カラム１０内の真空状態や、電子ビーム源１４内のフィラメント状態により変化するため、測定に長時間を要すると、測定中に強度分布取得中の電子ビームの経時変化をきたす可能性が高まる。また、従来の測定方法は分解能が悪いという問題がある。
【００１１】
上記事情を鑑みて、本発明では、短時間にしかも高分解能の電子ビーム強度分布を取得できる電子ビーム強度分布測定装置及び電子ビーム強度測定方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明では、蛍光面に電子ビームを受けて、この蛍光面上に電子ビーム強度分布の発光像を作り、この発光像を撮像した撮像信号に基づいて、電子ビームの強度分布を測定することとする。
【００１３】
図１は、本発明の第１形態に係る電子ビーム強度分布測定装置の概略構成図である。電子ビーム強度分布測定装置１は、電子ビーム１５を受けて、その照射箇所が発光することにより電子ビーム１５の強度分布に対応する発光像Ａを作る蛍光面２と、蛍光面２に生じる発光像Ａを撮像する撮像素子３と、撮像素子３による撮像のために、蛍光面２に生じる発光像Ａを撮像素子３上の投影像Ｂとして結像する集束レンズ４とを使用する。
【００１４】
図２は、本発明の第２形態に係る電子ビーム強度分布測定方法のフローチャートである。ステップＳ１０１において、電子ビーム１５の強度分布を測定するべき所望の位置に蛍光面２を置き、この位置の電子ビーム１５の断面の電子ビーム強度分布の像を作る。蛍光面２に塗布された蛍光体は、各位置に衝突する電子ビーム強度に応じて輝度を変えて発光する。したがって、電子ビーム１５が照射された蛍光面２上には、蛍光面２を置いた電子ビーム断面における電子ビーム１５の強度分布を、各位置の輝度の相違に反映した発光像が作出される。
【００１５】
ステップＳ１０３において、集束レンズ４によって、蛍光面２に生じる発光像Ａを撮像素子３上の投影像Ｂとして結像し、撮像素子３によって、蛍光面２に生じる発光像Ａに対応する投影像Ｂを撮像する。これにより発光像Ａの撮像信号を得る。
撮像素子３には、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の種々の２次元受光素子を使用することができる。
【００１６】
ステップＳ１０５において、発光像Ａの撮像信号である、撮像素子３の出力信号に基づいて、蛍光面２における発光像Ａ内の各点の輝度を測定する。これにより、蛍光面２を置いた電子ビーム断面における電子ビーム強度分布を測定する。
【００１７】
本発明に係る電子ビーム強度分布測定装置及び電子ビーム強度分布測定方法により、非常に短時間に、かつ高分解能の電子ビーム強度分布（ビームプロファイル）測定することが可能となる。
【００１８】
本発明に係る本発明の第３形態に係る電子ビーム装置は、上述の本発明に係る電子ビーム強度分布測定装置を備える。本発明に係る電子ビーム強度分布測定装置は、電子ビーム露光装置、電子ビーム近接露光装置、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、電子ビーム検査装置等の種々の電子ビーム装置に設けることが可能であり、また、いかなる電子ビーム装置においても上述の効果を奏する。
【００１９】
特に、電子ビーム近接露光装置を含む電子ビーム露光装置に設けた場合には、１ウエハ露光終了ごと、または１ロット終了毎に電子ビーム強度の分布を測定することで、インサイチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ）な電子ビーム強度分布の変化を認識し、これにより装置の露光解像性等の状態をリアルタイムで把握することが可能となる。
また、こうして得た電子ビーム強度分布の変化を、適宜電子ビーム露光装置の制御（例えば、真空度制御や、電子ビーム源の加速電圧、バイアス電圧若しくは引き出し電圧等の制御）へフィードバックをかけることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明に係る電子ビーム強度分布測定装置の概略構成図である。電子ビーム強度分布測定装置１は、電子ビーム検知ユニット７０と強度分布算出手段７１とを備える。
【００２１】
電子ビーム検知ユニット７０は、電子ビーム１５を受けて、その照射箇所が発光することにより電子ビーム１５の強度分布に対応する発光像Ａを作る蛍光面２と、蛍光面２に生じる発光像Ａを撮像するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子３と、蛍光面２に生じる発光像Ａを撮像素子３上の投影像Ｂとして結像する集束レンズ４とを備える。
【００２２】
強度分布算出手段７１は、発光像Ａの撮像信号を表す撮像素子３の出力信号から、発光像Ａの各位置における輝度情報を抽出して、各位置の輝度に基づいてこの位置における電子ビーム強度を算出する。そして各位置の位置情報とこの位置の電子ビーム強度情報とから、蛍光面２の位置における電子ビーム１５の断面の電子ビーム強度分布を算出する。
【００２３】
電子ビーム強度分布測定装置は、発光像Ａの各位置における輝度情報とこの輝度情報が表す電子ビーム強度とを対応付けるための較正部７２を備えてもよい。図３では、強度分布算出手段７１内に較正部７２を設けた場合を例示するが、強度分布算出手段７１外に別途設けてもよい。
較正部７２は、撮像した発光像Ａの輝度と、これに対応する実際の電子ビーム強度とを関係付けるために、輝度情報と電子ビーム強度情報を対応付けることが可能なテーブル、関数等である較正データを記憶する。
【００２４】
図４は、本発明に係る電子ビーム強度分布測定方法のフローチャートである。
ステップＳ１２１において、撮像した発光像Ａの輝度と、これに対応する実際の電子ビーム強度とを関係付けるための前記較正データを作成して、強度分布算出手段７１内の較正部７２に記憶する。較正データは以下の通り行う。
まず、上述のピンホール検出器等によって、電子ビーム１５の各位置において電子ビーム強度を測定する。次に電子ビーム状態を一定に保ったまま、撮像素子３により発光像Ａを撮像する。ピンホール検出器による測定で得られた各測定位置における様々な電子ビーム強度と、撮像素子３の出力である撮像信号に含まれる、その位置における輝度情報とを、それぞれ対応させて作成する。
【００２５】
ステップＳ１２３において、電子ビーム１５の強度分布を測定するべき所望の位置に蛍光面２を置き、この位置の電子ビーム１５の断面の電子ビーム強度分布の像を作る。
【００２６】
ステップＳ１２５において、集束レンズ４によって、蛍光面２に生じる発光像Ａを撮像素子３上の投影像Ｂとして結像し、撮像素子３によって、蛍光面２に生じる発光像Ａに対応する投影像Ｂを撮像して、発光像Ａの撮像信号を取得する。
【００２７】
ステップＳ１２７において、発光像Ａの撮像信号である、撮像素子３の出力信号に基づいて、撮像素子３により撮像した蛍光面２の各位置における発光像Ａの輝度を測定する。そして、発光像Ａ内の各位置における輝度情報を、電子ビーム１５の電子ビーム強度への変換する。この変換には、ステップＳ１２１で作成した較正データを使用する。
このような変換を行うことにより、蛍光面２や撮像素子３の素子特性に関係なく、正確な電子ビーム強度分布の測定が可能となる。
【００２８】
ステップＳ１２９において、撮像素子３の出力信号に基づいて、蛍光面２における発光像Ａ内の各点の輝度を測定する。これにより、蛍光面２を置いた電子ビーム断面における電子ビーム強度分布を測定する。
以上により、電子ビーム強度分布測定装置１による電子ビーム強度分布の測定が行われる。
【００２９】
図５は、本発明の第２実施例に係る電子ビーム装置の概略構成図である。電子ビーム装置として、電子ビーム近接露光装置を例示して説明する。
本実施例に係る電子ビーム近接露光装置の構成は、図６に示した構成に類似した構成を有するので、同一の機能部分に同一の参照番号を付して表し説明を省略する。
【００３０】
図示のように、電子光学鏡筒１０には、電子ビーム１５を発生する電子銃１４、電子ビーム１５を平行ビームにする照射レンズ１６、主偏向器２０、及び副偏向器５０が設けられている。なお、主偏向器２０と副偏向器５０は、図５ではそれぞれ１つの偏向器として示してあるが、実際には図６に示すようにそれぞれ２段構成になっている。
また、真空試料室８には、ウエハ４０をウエハチャック４２により保持して移動するウエハステージ４６が設けられている。ウエハステージ４６は少なくとも電子ビーム１５の光軸と略垂直な２軸方向に移動可能である。
【００３１】
電子ビーム近接露光装置の制御は計算機（コンピュータ）６０により行われる。電子ビーム制御部６１は、計算機６０のデータバスに接続されて、計算機６０の命令信号に従って、例えば、真空度制御や、電子ビーム源の加速電圧、バイアス電圧Ｖ若しくは引き出し電圧等の制御などの、各種電子ビームに関する電子ビーム近接露光装置の状態制御を行う。
またステージ制御部６２は、前記のデータバスに接続されて、計算機６０の命令信号に従って、ウエハステージ４６を移動させる。
【００３２】
電子ビーム近接露光装置は、本発明の第１実施例に係る電子ビーム強度分布測定装置を備える。すなわち、図３に示す電子ビーム検知ユニット７０と、強度分布算出手段７１とを備える。電子ビーム検知ユニット７０と強度分布算出手段７１とによる電子ビーム強度分布測定は、図４のフローチャートに示す本発明に係る電子ビーム強度分布測定方法に従って行う。
なお較正部７２は、強度算出手段７１内に設けることなく、計算機６０と電子ビーム近接露光装置内の記憶手段（図示せず）とにより構成することとしてもよい。
【００３３】
電子ビーム近接露光装置は、電子ビーム検知ユニット７０を昇降させる昇降器６４をウエハステージ４６上に備える。したがって、電子ビーム検知ユニット７０は、ウエハステージ４６によって電子ビーム１５の光軸と略垂直な２軸方向へ移動可能であり、及び昇降器６４によって電子ビーム１５の光軸方向へ移動可能となる。図示するように、マスク３０が取り外されている状態では、電子光学鏡筒１０内において電子ビーム１５の強度分布測定を行うこともできる。
【００３４】
これにより、電子ビーム検知ユニット７０を、電子ビーム１５の様々な高さ（ビーム行程上位置）に移動させて、各位置における電子ビーム１５の電子ビーム強度分布を取得することができる。例えば、主偏向器２０または副偏向器５０により偏向された後の電子ビーム１５の電子ビーム強度分布を取得することも可能である。
【００３５】
また、電子ビーム検知ユニット７０の設置位置はウエハステージ４６上に限定されず、真空試料室８内の他の好適な位置、さらに電子光学鏡筒１０内の好適な位置に、様々な移動可能な支持手段によって設けられることとしてよい。
【００３６】
なお、電子ビーム検知ユニット７０及び強度分布算出装置７１、または電子ビーム強度分布測定装置により、電子ビーム１５の強度分布を測定する場合には、電子ビーム装置である電子ビーム近接露光装置の電子ビームが、その照射対象物に照射されることなく、電子ビーム検知ユニット７０又は電子ビーム強度分布測定装置の蛍光面に照射されるように、構成する必要がある。
このために、例えば図５に示す例では、照射対象物たるマスク３０を取り外し、または照射対象物たるウエハ４０を移動させて、電子ビーム照射位置から外すこととしている。その他、蛍光面を電子ビーム源１４から見て照射対象物たるマスクの手前に配置することや、電子ビーム１５を偏向して照射対象物から外して蛍光面に照射する等の方法が考えられる。
【００３７】
電子ビーム近接露光装置に、図８に示したピンホール検出器８０を備えることとしてもよい。計算機６０は、ウエハステージ４６によってピンホール検出器８０を移動させて取得した、様々な位置の実際の電子ビーム強度と、同じ電子ビーム状態のまま、電子ビーム検知ユニット７０によって取得した撮像信号を対応させて、前記較正データを作成することができる（図４のステップＳ１４１と同様）。
【００３８】
このようにして取得された較正データは、強度分布算出手段７１内の較正部７２に記憶される。そして、上述のステップＳ１２７（図４参照）において、撮像素子３により撮像した蛍光面２の各位置における発光像Ａの輝度を、この位置における電子ビーム１５の電子ビーム強度に変換するための較正データとして使用する。
【００３９】
また、この較正データは、電子ビーム近接露光装置にデータ入力部６４を備えて、外部から入力することとしてもよい。入力された較正データは、計算機６０のデータバスを介して、強度分布算出手段７１内の較正部７２に記憶されて、上述のステップＳ１２７（図４参照）における較正データとして使用される。
【００４０】
電子ビーム近接露光装置の計算機６０は、強度分布算出手段による電子ビーム強度分布を、所定の位置において、電子ビームの行程に沿って位置を変えて、あるいは電子ビームを偏向させた位置において行う。これにより、例えば取得された電子ビーム強度分布から電子ビームの発生状態を把握して、電子ビーム制御部６１により、真空度制御や、電子ビーム源の加速電圧、バイアス電圧若しくは引き出し電圧等のフィードバック制御を行う。
【００４１】
また、電子ビームの行程に沿って位置を変えて取得した電子ビーム強度分布を比較することにより、電子ビーム１５の照射レンズ１６によるフォーカス状態（電子ビームの平行度）、非点収差状態などの種々の電子ビーム状態を把握し、これらの電子ビーム状態のフィードバック制御を行うこととしてもよい。
さらに、電子ビームの行程に沿って位置を変えて取得した電子ビーム強度分布の変化から、電子ビーム装置内に発生する電子ビーム１５の空間電荷効果による強度分布の変化を観測することとしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明により、非常に短時間に、かつ高分解能の電子ビーム強度分布（ビームプロファイル）測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１形態に係る電子ビーム強度分布測定装置の概略構成図である。
【図２】本発明に第２形態に係る電子ビーム強度分布測定方法のフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施例に係る電子ビーム強度分布測定装置の概略構成図である。
【図４】本発明に係る電子ビーム強度分布測定方法のフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施例に係る電子ビーム装置の概略構成図である。
【図６】従来の電子ビーム近接露光装置の基本構成を示す図である。
【図７】従来の電子ビーム近接露光装置の電子ビームの走査例を示す図である。
【図８】従来の電子ビーム強度分布測定方法の説明図である。
【図９】電子ビーム強度分布図である。
【符号の説明】
１…電子ビーム強度分布測定装置
２…蛍光面
３…撮像素子
４…集束レンズ
１４…電子ビーム源
１５…電子ビーム
２０…主偏光器
３０…マスク
５０…副偏光器
４０…試料（半導体ウエハ）
４２…ウエハチャック
４６…ウエハステージ
７０…電子ビーム検知ユニット
７１…強度分布算出手段
７２…較正部
８０…ピンホール検出器
Ａ…発光像
Ｂ…投影像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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