(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを収束させる電磁レンズ系と、荷電粒子ビームを試料上の所望の位置に偏向する静電偏向系とを具備した荷電粒子ビーム照射装置であって、
前記電磁レンズ系の一つである対物レンズの主面と重なる位置に主偏向器を配置し、対物レンズの上極より上流で物面よりも下流に前段偏向器を配置し、主偏向器よりも下流に後段偏向器を配置してなり、
前記主偏向器，前段偏向器及び後段偏向器に連動した電圧をかけることにより荷電粒子ビームを偏向し、且つ主偏向器，前段偏向器及び後段偏向器の偏向感度及び位相は、コマ収差とビームの入射角が共に小さくなるように設定されることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項２】
前記後段偏向器の一部或いは全部が、前記対物レンズのポールピースのギャップの外側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項３】
前記後段偏向器と試料との間にアパーチャが設けられていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項４】
前記主偏向器，前段偏向器及び後段偏向器のｚ座標をそれぞれ固定し、さらに各偏向器のうち１個の偏向感度と位相を固定し、他の１個の偏向器の偏向感度と位相をパラメータとし、残りの１個の偏向器の偏向感度と位相は試料面でコマ収差が０になるように選択して、ビームの試料上での入射角と像面湾曲の等高線マップを作ったとき、像面湾曲の等高線マップの中心点Ａと入射角の等高線マップの中心点Ｂを結ぶ線分ＡＢ近傍の点で示される条件になるように前記各偏向器が構成されることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項５】
前記電磁レンズ系の一つである対物レンズは、前記等高線マップに像面湾曲が０になる環状領域ができるインレンズ或いはセミインレンズであり、前記等高線マップ上の線分ＡＢと像面湾曲が０となる環状領域との交点を点Ｃとしたとき、線分ＡＣの近傍の点で示される条件になるように前記各偏向器が構成されることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の微細パターンの描画や測定に用いられる荷電粒子ビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料上で電子ビームを走査して微細パターンの描画を行う場合、試料上で高い分解能のビームを得るためにビームの収差を低減させる必要がある。ビームを静電偏向器或いは電磁偏向器で偏向する場合、２組の偏向器を互いに偏向収差を打ち消し合うように配置することにより、偏向収差を低減させる方法が知られている。
【０００３】
一方、広い領域を描画するため、試料はｘｙ方向に可動なステージ上に設置され、描画時にはこのステージを移動しながら試料にビームを照射する。ステージを移動した時に試料面の高さは一定であることが望ましいが、実際にはステージの移動に伴い試料面の高さに変動が生じる。この高さ変動はビームの位置の変動を引き起こし、描画の位置精度を劣化させる原因になる。そのため、レーザ光を用いた高さ検出器によって試料面の高さを検出し、その検出結果に基づき高さ変動による位置ずれを補正する操作を行っている。しかし、現在の高さ検出器の精度は高々１μｍ程度であり、十分ではない。例えば、ビームの入射角が最大５mradであり、試料面の高さの測定誤差が１μｍ程度あると考えると、最大で１０ｎｍ程度位置精度を劣化させることになる。
【０００４】
ところで、ビームが試料に対して垂直に入射される場合は、上記の位置ずれはなくなる。低収差で垂直ランディングの電子ビーム光学系には、次のような文献が知られている（[1] H.C.Pfeiffer and G.O.Langer, J.Vac.Sci.Techno1.,19(1981)1058.，[2] M.A.Sturans, P.F.Petric, H.C.Pfeiffer, W.Sticke1 and M.S.Goraon, J.Vac.Sci.Techno1.B, 8(1990)1682.）。しかし、これらは何れも電磁偏向であり、高速の偏向には不向きである。
【０００５】
また、特開昭５４−８２９６２号公報に開示された発明では、収束磁界内に配置された３段以上の静電偏向器によって、入射角と収差を減少する例が示されている。しかし、全ての偏向器を収束磁界内に配置しているために、３段の偏向器では入射角度及び収差を同時に十分小さくすることは不可能である。また、収束磁場内の狭い領域に４段以上の静電偏向器を精度良く実装することは技術的に難しい。
【０００６】
また、特開平６−２２４１０８号公報に開示された発明では、対物レンズ内に偏向器を複数段配置し、物面位置に入射角を調整するための補助偏向器を設けている。この例では、物面位置に配置された偏向器でビームを偏向した場合には、レンズ作用のため像面ではビームの入射角度のみが変化し、位置は変わらない原理を利用している。しかし、縮小率が小さい電子ビーム光学系の場合には、最終レンズの１段上流のレンズである縮小レンズの焦点距離を小さくする必要があり、そのためにボア径も小さくなる。縮小レンズは焦点距離が小さいために、最終レンズの物面は縮小レンズのレンズ内部になり、静電偏向器の実装が不可能であるため、この方法は静電偏向には適用できない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、試料上で高い分解能のビームを得るためにはビームの入射角及び収差を小さくする必要があるが、各種の要因からこれを満足することは極めて困難であった。
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、収差及びビームの入射角が小さい実用的な荷電粒子ビーム光学系を構成することができ、微細パターンの描画精度や測定精度の向上等に寄与し得る荷電粒子ビーム照射装置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。
【００１０】
即ち本発明は、荷電粒子ビームを収束させる電磁レンズ系と、荷電粒子ビームを試料上の所望の位置に偏向する静電偏向系とを具備した荷電粒子ビーム照射装置において、前記電磁レンズ系の一つである対物レンズの主面と重なる位置に主偏向器を配置し、対物レンズの上極より上流で物面よりも下流に前段偏向器を配置し、主偏向器よりも下流に後段偏向器を配置してなり、前記主偏向器，前段偏向器及び後段偏向器に連動した電圧をかけることにより荷電粒子ビームを偏向し、且つ主偏向器，前段偏向器及び後段偏向器の偏向感度及び位相は、コマ収差とビームの入射角が共に小さくなるように設定されることを特徴とする。
【００１１】
ここで、後段偏向器の一部或いは全部が、対物レンズのポールピースのギャップの外側に配置されていることが望ましい。また、後段偏向器と試料との間にアパーチャが設けられていることが望ましい。
【００１２】
また、主偏向器，前段偏向器及び後段偏向器のｚ座標をそれぞれ固定し、さらに各偏向器のうち１個の偏向感度と位相を固定し、他の１個の偏向器の偏向感度と位相を固定し、他の１個の偏向器の偏向感度と位相をパラメータとし、残りの１個の偏向器の偏向感度と位相は試料面でコマ収差が０になるように選択して、ビームの試料上での入射角と像面湾曲の等高線マップを作ったとき、像面湾曲の等高線マップの中心点Ａと入射角の等高線マップの中心点Ｂを結ぶ線分ＡＢ近傍の点で示される条件になるように各偏向器が構成されることが望ましい。
【００１３】
さらに、電磁レンズ系の一つである対物レンズは、等高線マップに像面湾曲が０になる環状領域ができるインレンズ或いはセミインレンズであり、等高線マップ上の線分ＡＢと像面湾曲が０となる環状領域との交点を点Ｃとしたとき、線分ＡＣの近傍の点で示される条件になるように各偏向器が構成されることが望ましい。
【００１４】
（作用）
本発明によれば、対物主偏向器を３段の電極（主偏向器，前段偏向器及び後段偏向器）で構成し、各々の偏向器に連動した電圧を印加すると共に、コマ収差及びビームの入射角を打ち消すように、各々の偏向器の位相と偏向感度を調節することにより、収差を小さくできると共に、単純な構造でビーム分解能の高い垂直入射が可能となる。
【００１５】
ここで、主偏向器はほぼ対物レンズのギャップの中心に配置し、前段偏向器は対物レンズのギャップよりも上流で物面よりも下流に配置し、３段目の後段偏向器は主偏向器よりも下流に配置する。この３つの条件を全て満たすことにより初めて分解能の高い垂直入射ビームが実現可能となり、微細パターンの描画精度や測定精度の向上等に寄与することができる。
【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。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる電子ビーム描画装置を示す概略構成図であり、特に鏡筒部分の電子ビーム光学系の構成を示している。図中の１１は電子銃、１２はコンデンサレンズ、１３は投影レンズ（２段）、１４は縮小レンズ、１５は対物レンズ、１６はブランキング電極、１７は成形偏向器、１８は対物偏向器、２１はブランキングアパーチャ、２２は第１成形アパーチャ、２３は第２成形アパーチャ、３１はステージ、３２は露光用マスクを形成するための基板（試料）、３３は試料面の高さ測定器を示している。
【００１８】
電子銃１１には、接地レベルに対して−５０ｋＶの電圧をかける。この電圧印加により、電子銃１１から電子ビームが引き出される。電子銃１１から引き出された電子ビームは、コンデンサレンズ１２によって電子銃のクロスオーバー像を結び、ブランキングアパーチャ２１に照射される。そして、ブランキング電極１６の電圧が０［Ｖ］の時にビームを通過させ、４０［Ｖ］の時にビームをカットオフするようになっている。
【００１９】
ブランキングアパーチャ２１を通過したビームは、第１成形アパーチャ２２に照射される。第１成形アパーチャ２２の像は、投影レンズ１３によって第２成形アパーチャ２３上に結像される。第１成形アパーチャ２２と第２成形アパーチャ２３との間のビームの偏向は、成形偏向器１７によって行われる。第１成形アパーチャ２２と第２成形アパーチャ２３は共に矩形であり、この２枚のアパーチャ２２，２３を用いてビームを任意の大きさの矩形に成形することができる。
【００２０】
第２成形アパーチャ２３を通過し所望の形に成形されたビームは、縮小レンズ１４及び対物レンズ１５により３０：１に縮小されて、ターゲットとしての平板状の試料３２上に結像される。
【００２１】
試料３２上でのビームの照射位置は、対物偏向器１８によって制御される。また、試料３２はｘｙ方向に移動できるステージ３１に固定されており、移動しながら描画が行われる。試料３２上のビーム照射される位置の高さは、高さ測定器３３によってモニタする。試料３２の高さが変動すると、それによってビーム位置ずれを引き起こされるので、その位置ずれを対物偏向器１８の設定値にフィードバックして補正を行う。
【００２２】
対物偏向器１８は、後述するように３段のオクタポールからなる対物主偏向器及び１段のオクタポールからなる副偏向器によって構成される。対物主偏向器には最大値±２００Ｖの偏向電圧を加え、１ｍｍ□の主偏向フィールド内でビームを偏向する。一方、副偏向器には最大値±１０Ｖの偏向電圧を加え、６０μｍ□の副偏向フィールド内で高速の偏向を行う。
【００２３】
対物主偏向器は３段の偏向器からなるため、各偏向器の偏向感度と位相（回転角）を調整することにより、コマ収差とビームの入射角を打ち消すことができる。対物主偏向器を構成する３つの偏向器をそれぞれ主偏向器、前段偏向器、後段偏向器に呼ぶことにする。コマ収差と入射角を共に０にする条件は、以下の式で表わされる。
【００２４】
Ｌ0・ｗ0＋Ｌ1・ｗ1＋Ｌ2・ｗ2＝０  …（１）
Ｃ0・ｗ0＋Ｃ1・ｗ1＋Ｃ2・ｗ2＝０  …（２）
ここで、Ｌ0 ，Ｃ0 及びｗ0 は前段偏向器と後段偏向器を取り除き、主偏向器と対物レンズ１５のみを配置した場合の主偏向フィールドコーナーにおける入射角，コマ収差係数と偏向感度である。同様に、Ｌ1 ，Ｃ1  及びｗ1 は主偏向器と後段偏向器を取り除き、前段偏向器と対物レンズ１５のみを配置した時の主偏向フィールドコーナーにおける入射角，コマ収差係数と偏向感度である。また、Ｌ2 ，Ｃ2 及びｗ2 は主偏向器と前段偏向器を取り除き、後段偏向器と対物レンズ１５のみを配置した時の主偏向フィールドコーナーにおける入射角，コマ収差係数と偏向感度である。なお、入射角及び偏向感度は大きさと方向を持つベクトル量である。
【００２５】
式（１）（２）において、コマ収差係数，入射角，偏向感度は、ｘ成分を実数、ｙ成分を虚数とした複素数になる。式（１）（２）の条件を満たすように対物主偏向器の各偏向器を構成することにより、コマ収差及び入射角の小さい光学系を作ることができる。
【００２６】
式（１）（２）の条件を満たしつつ、前段偏向器と主偏向器の位置を固定し、後段偏向器の位置を軸方向に前段偏向器の位置から試料の位置まで移動させた場合の像面湾曲の値を示したグラフが、図２（ａ）である。図２（ａ）において、横軸は後段偏向器の中心位置を物面を原点として示しており、縦軸は１ｍｍ□の主偏向フィールドのコーナーでの像面湾曲の値を示している。電子線のエネルギーは５０ｋＶ、試料面上における電子線の収束半角は５mradとしている。図中には、前段偏向器，主偏向器の中心位置及び対物レンズ１５の主面の位置が示してある。この計算では、対物レンズ１５の主面と主偏向器の位置がほぼ一致する条件で計算した。
【００２７】
上記のグラフから分かるように、像面湾曲の値は後段偏向器を下流つまり試料側に移動させる程小さくなる。非点収差も像面湾曲と同様な傾向を示し、後段偏向器を下流に移動させる程、非点収差の絶対値が小さくなる。この傾向は主偏向器の位置を対物レンズ主面の位置からずらした場合にも現れる。よって収差を小さくし、ビーム分解能を向上させるためには対物レンズ主面近傍にある主偏向器よりも後段偏向器を試料側に設置する必要がある。
【００２８】
前段偏向器と後段偏向器の位置を固定して、式（１）（２）の条件を満たしつつ主偏向器の位置をパラメータとして変化させた場合の１ｍｍ□のフィールドのコーナーにおける像面湾曲の大きさを示したのが、図２（ｂ）である。前段偏向器と後段偏向器の中心位置の座標は図中に示してある。像面湾曲の値は主偏向器が対物レンズ１５の主面の近傍で極小値をとる。非点収差も同様の傾向を示す。このため、ビームの収差を小さくするためには、主偏向器を対物レンズ１５の主面と重なる位置に配置する必要がある。
【００２９】
主偏向器と後段偏向器の位置を固定して、式（１）（２）の条件を満たしつつ前段偏向器の位置をパラメータとして変化させた場合の１ｍｍ□のコーナーにおける像面湾曲の値を示したのが、図２（ｃ）である。前段偏向器の位置が試料方向に下がるにつれて、像面湾曲の大きさは単調に増加する。高い分解能を得るためには前段偏向器の位置をできるだけ高い位置に設置する必要がある。一方、前段偏向器は縮小レンズ１４と干渉しないように配置しなければならず、前段偏向器の位置の上限が制限される。そこで、前段偏向器を対物レンズ１５のポールピースのギャップより上流で、物面より下流に設置することが必要になる。
【００３０】
これらの計算の結果、コマ収差及び入射角を打ち消す条件で、トータルの収差を小さくするためには、図３のような構成にする必要があることが分かった。図３において対物主偏向器は、前段偏向器１８ａ、主偏向器１８ｂ及び後段偏向器１８ｃからなる。対物レンズ１５の主面１５ａと重なる位置に配置された主偏向器１８ｂは対物主偏向器の中で最も偏向感度が大きい。後段偏向器１８ｃは主偏向器１８ｂよりも試料側に配置される。また、前段偏向器１８ａは対物レンズ１５よりも光源側に配置される。また、対物主偏向器の中で前段偏向器１８ａが最も感度が小さい。これらの条件を全て満たすことによって初めて低収差，低入射角の実用的な光学系を構成することができる。
【００３１】
なお、図３中では前段偏向器１８ａと主偏向器１８ｂとの間に副偏向器１８ｄが配置されているが、この副偏向器１８ｄは前段偏向器１８ａよりも上流に配置してもよい。
【００３２】
図２（ａ）に示したように、収差を低減させるためには後段偏向器１８ｃはできる限り試料３２に近い場所に設置させる。図３では、後段偏向器１８ｃの一部が対物レンズ１５のポールピースのギャップの外側になるように配置されている。ステージ上部との干渉など実装上難しい問題もあるが、後段偏向器全体が対物レンズ１５のポールピースのギャップの外側になるように構成できれば、さらに分解能が高くなる。像面湾曲や非点収差が十分小さくならない場合には、主偏向の偏向量に応じてダイナミックに偏向収差の補正を行う。
【００３３】
後段偏向器１８ｃとステージ３１との間にアパーチャ２４を挿入することにより、後段偏向器１８ｃの電場の漏れがステージ３１まで及ぶ効果を低減させることができる。このアパーチャ２４は穴の直径に対して軸方向の長さが、同程度かそれ以上の筒状の構造にすることにより、電場の漏れをさらに低減できる。なお、副偏向器１８ｄは前段偏向器１８ａと主偏向器１８ｂの間に設置する。
【００３４】
図３に示されている線１９は対物主偏向器でビームを偏向した場合のビームの軌跡を示した図である。但し、この軌跡１９は鏡筒の中心軸からの距離を表しており、対物レンズ１５の磁場によるビーム回転は示されていない。軸上、軸と並行に入射されたビームは前段偏向器１８ａにより偏向される。主偏向器１８ｂは対物レンズ１５の磁場によるビームの振り戻しを打ち消すように作用し、図３で主偏向器１８ｂの中ではビームはほぼ直進する。後段偏向器１８ｃは偏向されたビームを振り戻し、試料３２に対し垂直に入射するように作用している。そのため、後段偏向器１８ｃは主偏向器１８ｂとほぼ逆位相になる。計算の結果、後段偏向器１８ｃと主偏向器１８ｂとの位相差は１５０°程度以上になる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図１に示した光学条件で、３段の対物主偏向器のうち、主偏向器１８ｂの位相と偏向感度（ｗ０）は固定値とし、後段偏向器１８ｃの位相，偏向感度（ｗ２）をパラメータとして、コマ収差を０にする式（２）を満たすように前段偏向器１８ａの位相と偏向感度（ｗ１）を計算で求め、この条件における像面湾曲及び入射角を計算し、マップにしたのが図４である。
【００３６】
図４において、ｘ軸，ｙ軸はｗ２つまり後段偏向器１８ｃの偏向感度を示している。但し、（ｘ，ｙ）の絶対値はスケーリングされた値を用いた。例えば、図４の原点（０，０）は後段偏向器１８ｃを設置しない場合を示している。また、（１，０）の点は（１，０）の条件の後段偏向器１８ｃと偏向感度の絶対値は同じであるが、位相が９０°回転している場合を示している。また、（２，０）の条件における後段偏向器１８ｃは（１，０）の条件の後段偏向器１８ｃと位相は同じであるが、偏向感度の絶対値が２倍になる。
【００３７】
図４には、点Ａを中心とする等高線と点Ｂを中心とする等高線の２つの等高線が示されている。点Ａを中心とする等高線は偏向領域１ｍｍ□、収束半径５mradとした場合の像面湾曲であり、点Ｂを中心とする等高線は偏向領域のコーナーにおける入射角の絶対値を示している。点Ｂの条件においては、入射角は０であり、垂直入射の条件を満たすが、像面湾曲は５０ｎｍ以上になる。一方、点Ａにおいては像面湾曲は約３０ｎｍで極小になるが、入射角は約７mradになる。第１の実施形態に示されている計算結果である図２は、図４における点Ｂの結果のみを条件を変えてまとめたものである。
【００３８】
図４において、線分ＡＢ上或いはその近傍の点は入射角度及び像面湾曲を小さくするために有利な条件になる。例えば、点Ｃと点Ｃ’，点Ｃ”を比較した場合、点Ｃ’は点Ｃと像面湾曲は同じで、入射角が小さくなっており、点Ｃ”は点Ｃと入射角が同じで像面湾曲が小さくなっている。線分Ｃ’Ｃ”上或いはその近傍であれば、入射角，像面湾曲共に点Ｃの条件よりも小さくなっている。以上により、線分ＡＢの近傍が収差及び入射角を小さくするために有利な条件であることが分かる。
【００３９】
一方、対物レンズ１５の位置をターゲット側にシフトさせ、磁場がターゲット上にかかる、セミインレンズ或いはインレンズにした場合には、図４に示したマップは図５のように変化する。
【００４０】
図５においてはＡを中心とした等高線が像面湾曲を示しており、Ｂを中心とした等高線が入射角を示している。像面湾曲は太い実線で示した環状の領域で０になる。これは、像面湾曲の収差係数がこのマップ内で正負にまたがって分布しており、この環状領域で符号が逆転していることになる。２つの等高線分布の中心を結ぶ線分ＡＢと像面湾曲が０になる曲線が交差する点をＣとする。ここで、線分ＢＣ或いはその近傍は、収差及び入射角を小さくするために特に有利な条件になる。点Ｂは垂直入射で像面湾曲は約３０ｎｍであり、点Ｃでは像面湾曲が０になり、入射角は３mradである。
【００４１】
図４と比較して図５では、環状領域で像面湾曲が極小値０になるため、像面湾曲の最小となる点Ｃと入射角が最小になる点Ｂが近くなるため、入射角及び像面湾曲を共に小さくする上で有利になる。
【００４２】
対物レンズ１５をインレンズ或いはセミインレンズにした場合、球面収差及び軸上の色収差が小さくなることは一般的に知られているが、像面湾曲，入射角についても有利な条件を得ることができることが今回の計算によって示された。また、本実施形態では後段偏向器１８ｃをパラメータとして計算を行ったが、他の２つの偏向器１８ａ，１８ｂの何れかをパラメータにしても本質的に同じであり、最適条件としてほぼ同じ条件が得られる。
【００４３】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、電子ビーム描画装置の光学系について適用した例を説明したが、電子ビーム描画装置に限らずイオンビーム描画装置に適用することもできる。さらに、微細パターンの描画に限らず、電子ビームやイオンビーム等を用いて微細パターンの測定を行う各種の測定装置に適用することも可能である。
【００４４】
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。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、対物主偏向器を３段の電極（主偏向器，前段偏向器及び後段偏向器）で構成し、各々の偏向器に連動した電圧を印加すると共に、コマ収差及びビームの入射角を打ち消すように各々の偏向器の位相と偏向感度を調節することにより、簡単な構造で低収差、垂直入射の荷電粒子ビーム光学系が得られる。従って、微細パターンの描画精度や測定精度の向上等に寄与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる電子ビーム描画装置を示す概略構成図。
【図２】後段偏向器，主偏向器及び前段偏向器の位置を変えた場合の像面湾曲値の変化を示す図。
【図３】対物偏向器の具体的構成例を示す図。
【図４】コマ収差を０にした場合の像面湾曲及び入射角のマップを示す図。
【図５】対物レンズをセミインレンズにして、コマ収差を０にした場合の像面湾曲及び入射角のマップを示す図。
【符号の説明】
１１…電子銃
１２…コンデンサレンズ
１３…縮小レンズ
１４…投影レンズ
１５…対物レンズ
１５ａ…対物レンズ主面
１６…ブランキング電極
１７…成形偏向器
１８…対物偏向器
１８ａ…前段偏向器
１８ｂ…主偏向器
１８ｃ…後段偏向器
１８ｄ…副偏向器
２１…ブランキングアパーチャ
２２…第１成形アパーチャ
２３…第２成形アパーチャ
３１…ステージ
３２…試料
３３…高さ測定器
【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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