JP2578519B2

JP2578519B2 - 光線による位置検出機能付き荷電粒子線露光装置

Info

Publication number: JP2578519B2
Application number: JP2141349A
Authority: JP
Inventors: 肇早川; 一光中村; 博之伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-06-01
Filing date: 1990-06-01
Publication date: 1997-02-05
Anticipated expiration: 2012-02-05
Also published as: US5168166A; JPH0437023A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は荷電粒子線露光装置に係り、とくに多層配線
層を備えたIC,LSI等の半導体ウエハ（以下ウエハと略称
する）を誤差少なく位置合わせすることのできる光線に
よる位置検出機能を備えた荷電粒子線露光装置に関す
る。

［従来技術］従来の荷電粒子線露光装置における荷電粒子線の位置
合わせにおいては、実開平１−67733号公報および特開
平１−184825号公報等に記載のように、半導体ウエハ上
の位置合わせマークが荷電粒子線では検出困難な場合に
はこれを光線により検出するようにしていた。

また、上記ウエハの表面反射率のむらや凹凸等により
発生する誤差を低減するために、米国特許第４、698、5
13号公報に記載のように、光線を振動さてせ入射し、さ
らに反射光も振動させてその広がり範囲内の光情報を広
く検出するようにしていた。

通常、上記位置合わせマークがウエハ面上に明確に露
出している場合には電子ビーム等の荷電粒子線によりこ
れを良好に検出することができるのであるが、近年の複
雑化したIC,LSI装置では多層配線の層数の増加により配
線部の凹凸が著しくなって断線や不完全な配線が発生し
やすくなった結果、第２図に示すように、半導体ウエハ
２上の配線の１層毎に層間絶縁膜Ｔをほぼ平坦に設けて
その上にレジストＲを塗布し、これを電子線により露光
して所定の回路パターンを描画し次の配線層を設けてい
くようにしている。このように層間絶縁膜の表面が平坦
化されると電子ビームでは内部に埋もれた位置合わせマ
ークＭを明瞭に検出できなくなる結果、マークＭを基準
位置として電子ビームの位置を制御することが困難にな
る。

しかし、光線は透明な層間絶縁膜Ｔは透過するので配
線Ｗや位置合わせマークＭ等を明瞭に検出することがで
きる。

光線によりウエハ上の位置合わせマークＭを検出して
電子線の座標値を正確に補正して描画を行う点に関して
は上記特開平１−184825号公報に開示されている。すな
わち、光線によりウエハ上の位置合わせマークＭを検出
し、さらに、光線と電子線の双方の位置が検出できる他
の基準マーク、例えばウエハを搭載するXYテーブル上の
基準マークを用いて両者の座標値間のオフセット量を求
め、これにより電子線の座標値を補正し、ウエハ上の位
置合わせマークを基準位置とした電子ビームの座標値を
正確に導くようにしていた。

［発明が解決しようとする課題］上記従来技術では、とくに荷電粒子線では検出困難な
表面が平坦な位置合わせマークを光線により検出できる
という特長が得られるものの、実際上、荷電粒子線露光
装置内に上記光線によるマーク検出機構を効果的に設置
し難いという問題があった。

第３図は上記従来装置の概要を説明する図である。XY
テーブル１上に設置されたウエハ２に、電子線源３が発
生する電子線４を整形器５、電子レンズ６および偏向器
７により所定のスポット形状に整形し、所定の位置に偏
向して照射する。

一方、ウエハ２には光源19からの光線28が照射器27に
より整形、偏向されて照射され、検出器17によりその反
射光29が検出され、反射信号がマーク信号検出器30に伝
えられるようになっていた。

上記照射器27や検出器17等の光線の光学系を、上記線
源、レンズ系や偏向系等を備えた電子線の真空容器本体
内に持ち込むのが困難であるため、第３図に示すように
従来技術ではこれらをXYテーブル１と上記本体の照射レ
ンズ部との間の僅かな間隙部に設置するようにしてい
た。

上記間隙部は通常数mm程度であるため、光線は試料面
に対して極端に斜めに入射され、反射光も同様に試料面
に対して斜め方向から検出するようにしていた。このた
め、入射光線を試料面上に精度良く結像させることが出
来ず、位置合わせマークの検出精度を向上し難いという
問題を抱えていた。

本発明の目的は、真空容器内に電子線源等とウエハと
を設置するテーブルと、電子線が通過するように開口を
有するミラーと、当該真空容器の側部に光線の通過窓を
設けることにより、荷電粒子線露光装置内に効果的な光
線によるマーク検出機構を設置した位置検出機能付き荷
電粒子線露光装置を提供することにある。

さらに本発明の他の目的は、上記光線を試料面上に斜
めに照射した場合において、試料面の凹凸により発生す
る位置合わせマークの上記検出位置誤差を除去すること
にある。

［課題を解決するための手段］本発明は上記課題を解決するため、真空容器内に電子
線源、電子ビーム整形器、電子レンズ、偏向器およびウ
エハを設置するテーブルを収容し、上記電子線源からの
電子線を上記テーブル上のウエハに照射すると共に、光
学装置からの光線で上記電子線の照射方向と同一方向か
らマークを照射して検出し、当該電子線により上記ウエ
ハに描画を行う荷電粒子線露光装置において、上記真空
容器内に上記電子線が通過するように開口を有するミラ
ーを設け、上記真空容器の側部に設けた通過窓を介して
前記光線を当該真空容器内に導入し、上記ミラーに反射
せしめて上記テーブル上のマークと上記ウエハ上のマー
クを照射し、上記光線の照射による上記マークからの反
射光線を上記ミラーにより反射せしめ上記通過窓より当
該真空容器外に導出するようにしたものである。

また、複数の光線照射装置を設け、複数の光線を上記
テーブルおよびウエハに、上記電子レンズの対物レンズ
と上記テーブルとの間隙部より異なる方向から照射する
ようにする。

また、上記反射光を上記真空容器側部の窓より導出し
ない場合には、上記反射光の検出器を上記テーブル上に
設けるようにする。

さらに、上記光線を上記電子線の照射領域内に照射す
るようにする。

［作用］以上のように構成した本発明の光線による位置検出機
能付き荷電粒子線露光装置は、電子線と同様に光線をテ
ーブルおよびウエハの上方より照射するので、反射光に
より検出される上記テーブル上とウエハ上のマーク等の
凹凸によって発生する位置信号の誤差成分を低減するこ
とが出来る。

さらに、上記入射光と同一向きの反射光を上記入射光
を検出するようにするので、上記位置誤差をさらに低減
することが出来る。

また、上記のように上記光線を電子線と同一方向から
照射しない場合には、複数の光線照射装置により複数の
光線を上記テーブルおよびウエハに互いに異なる斜め方
向から照射して、それぞれの反射光信号を比較し上記位
置誤差を低減するようにする。

さらに、上記光線を上記電子線と同一の照射領域内に
照射するようにして、少なくともテーブル上の同一マー
クを上記光線と電子線により検出して両者による位置信
号間のオフセットを検出できるようにする。

［実施例］第１図はウエハの位置合わせマークやXYテーブルのテ
ーブルマーク等を検出するための本発明の光線系を含む
荷電粒子線露光装置主要部の構成を示す図である。

電子線源３は電子銃3aとコンデンサレンズ3bより構成
され、整形器５は第１及び第２アパーチャ5aおよび5d、
整形偏向器5bおよび整形レンズ5cにより構成されてい
る。

電子銃3aから放射された電子線４は点線で示す輪郭を
形成してミラー30内の開口部を通過し、照射レンズ6a、
対物レンズ6bで構成される電子レンズ６と主偏向器7b、
副偏向器7aで構成される偏向器７を通過してウエハ２上
に照射される。

一方、光源19が放射する光線28は集束レンズ21、走査
器22および走査方向変換器23等を通過してミラー30によ
り反射されウエハ２上に照射される。

ウエハ２からの反射光は検出器17により検出される。
検出器17は上記反射光の他に電子線４の照射により発生
する反射光も検出する。検出器17としては通常の半導体
光センサや撮像管等を用いることができ、必要に応じて
光線28による反射光用と電子線４による反射光用の光セ
ンサを別個に設けることも出来る。

検出器17はウエハ２を搭載するテーブル１と対物レン
ズ6bの間隙部に反射光源に近く設置されるので、反射光
の横方向成分のみを検出するものの、反射光源に近いの
で検出効率が良いという利点が得られる。

上記第１図の構成により、光線28はウエハ２に対して
電子線４と同軸にその照射範囲内に入射されるので、光
線28と電子線４による反射光はマークの形状、例えばマ
ークの凹凸（高さ）等による誤差の影響を等しく受ける
ことになり、両者が検出する位置信号間の差異を少なく
することができる。

また、光源19、レンズ21、集束レンズ21、走査器22お
よび走査方向変換器23等を、電子線源３、整形器５、電
子レンズ６、偏向器７等を収容する真空容器の外部に設
置することができるので、光線28によるマーク検出系を
上記真空容器内部を大幅に改造することなく比較的簡単
に取付けることができる。上記本体内に新たに設置され
るのはミラー30と光線28を導入する窓のみである。第１
図では上記本体と上記窓は省略されている。

ミラー30は点線で示すように電子線４の焦点位置に設
置されるので、電子線４はミラー30中央部の小さな開口
部を通過することができ、光線28は損失少なくウエハ２
に向かって反射される。

また、ミラー30の取り付け角は電子線４の軸に対して
ほぼ45度となるが、ウエハ２に対する光線28の照射角は
光源19、レンズ21、集束レンズ21、走査器22および走査
方向変換器23等の本体外部の光学系の取り付け角度によ
り調整出来るのでミラー30の取り付け角を微細に調整す
る機構を上記真空容器内に設ける必要がない。

第４図は本発明の光線系を含む荷電粒子線露光装置主
要部の他の構成を示す図である。

第４図ではウエハ２からの反射光が偏向器７、電子レ
ンズ６内を入射光と同じ経路をたどって戻り、ミラー30
で左方向に反射され、さらにハーフミラー37により下方
に反射され検出器17に入射されるようになっている。

第１図では検出器17が偏向器７とウエハ２間の狭い隙
間に設置されたのに対して第４図では上記本体側面部の
広い空間に設置できるという利点がえられる。この結
果、検出器17にはとくに小型のものを用いる必要がなく
なり、目的に応じて例えば撮像素子のような比較的大型
の検出器を容易に用いることができる。また、反射光を
ウエハ２の真上から見ることになるので、人間の通常の
表面観察と同様な検出結果が得られる。

第５図は本発明の光ビーム系を含む荷電粒子線露光装
置主要部の他の構成を示す図である。

第３図に示した従来装置では光線28がウエハ２の横方
向から照射されるので、反射光がマークの凹凸の影響を
受けて変化しその位置情報に誤差が発生する点を、第５
図の本発明装置では二つの光線28と28′を互いに異なる
方向から照射するようにし、両光線の反射光の差異から
上記マークの凹凸による位置情報誤差を除去するように
する。

なお、19′、21′、22′、23′等はそれぞれ上記新た
に設けた光線系の光源、集束レンズ、走査器、走査方向
変換器であり、また、二つの光線28と28′の反射光の検
出器は第５図では省略して示している。

なお、上記光線は必ずしも二つである必要はなく、さ
らにその数を増やせばさらに上記位置情報誤差を低減す
ることができる。

第６図は上記本発明の光ビームによる位置検出機能を
備えた荷電粒子線露光装置の制御装置の構成図である。

ウエハ２は移動可能なXYテーブル１上に設置され、そ
の上部には一例として第１図に示した本発明装置が設け
られている。この他、上記本発明装置として第４図、ま
たは第５図の装置を用いるようにしてもよい。

同図左端の外部記憶部９にはウエハ２に転写する集積
回路パターン等の情報が格納され、この情報は制御計算
機８により随時バッファメモリ10に転送され、演算部11
により電子線４や光線28等の照射位置情報とその他の制
御情報が算出される。

演算部11からの信号の一部により整形信号発生部13は
電子線４のスポット形状を算出し制御部12を介して整形
器５を駆動する。同様に位置信号発生部16は電子線４の
照射位置を算出し制御部14および15を介して電子レンズ
６と偏向器７を駆動する。

また、光線28は光源19、集束レンズ21、走査器22、走
査方向変換器23及びミラー30等により構成される光学系
によりウエハ２に照射され、これらの要素に対する各制
御信号は制御計算機８からの信号に基づいて光学系制御
部24により算出される。

上記各制御により電子線４および光線28はウエハ２上
の同一のマークや後述のXYテーブル１上の同一のテーブ
ルマーク25等を照射することができる。

XYテーブル１は制御計算機８からの信号によりテーブ
ル駆動部1aを介して駆動されて移動する。

ウエハ２のマークや上記テーブルマーク25からの反射
光や２次電子は検出器17により検出されマーク信号検出
器18を介して制御計算機８にフィードバックされ、電子
線４や光線28に対する位置信号と照合され、制御計算機
８が発する原位置信号を補正する。以下、この位置信号
の補正に関し簡単に説明する。

まず、電子線４と光線28の照射位置間のオフセットを
XYテーブル１上に設けられたテーブルマーク25を用いて
検出する。電子線４ではウエハ２上のマークを検出でき
ない場合があるため、上記テーブルマーク25を用いるの
である。このため、制御計算機８からの上記テーブルマ
ーク25の位置信号によりXYテーブル１を所定の位置に移
動し、電子線４によりテーブルマーク25をＸとＹの２方
向に走査して散乱電子を検出し、テーブルマーク25の座
標値（X_T1,Y_T1）を算出する。同様にして、光線28によ
りテーブルマーク25をＸとＹの２方向に走査してその反
射光を検出し、テーブルマーク25の座標値（X_T2,Y_T2）
を算出する。電子線４と光線28間のオフセットは上記２
種類の座標値より、Ｘ座標オフセット＝（X_T1−X_T2）Ｙ座標オフセット＝（Y_T1−Y_T2）（１）として求まり、これらの値は例えばバッファメモリ10に
記憶される。

次に、XYテーブル１上におけるウエハ２の位置関係を
測定する。このために第７図に示すウエハ２のウエハア
ライメントマークＷ（以下マークＷと略称する）が光線
28の照射範囲内にはいるようにXYテーブル１を移動し、
光線28の反射光を検出してマークＷの座標値を把握す
る。電子線４ではこのマークＷを必ずしも明瞭に検出出
来ないので光線28を用いるのである。さらに上記の測定
をウエハ面上の複数のマークＷ毎に行い、ウエハ２全体
の位置決めをする。

次いでウエハ２内のブロックの位置合わせを行う。

第７図に示すように、ウエハ２の面は独立の回路装置
を集積する区画C₁、C₂〜C_n等に区切られ、これらの区画
の複数を含むブロックの境界ごとに位置合わせマークＭ
が設けられている。例えばC₁、C₂を含む４個の区画の４
角のそれぞれにブロックマークM₁〜M₄が設けられ、これ
らを用いてこのブロックの位置合わせを行う。このた
め、例えばブロックマークM₁が光線28の照射範囲内には
いるようにXYテーブル１を移動し、光線28の反射光を検
出してその座標値（X_M1,Y_M1）を求め、同様にしてブロ
ックマークM₂〜M₄等の座標値（X_M2,Y_M2）〜（X_M4,Y_M4）
を求める。電子線４ではこれらのブロックマークM₁〜M₄
等を必ずしも明瞭に検出出来ないので光線28を用いるの
である。

以上のようにしてブロックの位置が特定されるのであ
るが、周知のようにウエハ２には伸縮や捻じれ等による
変形が伴うので、上記４つのブロックマーク座標値を用
いてこれらによる位置歪を補正する。

第８図（ａ）〜（ｃ）は上記ウエハ２の変形を分類し
て示すもので、実線を上記ブロックの正しい形状、点線
を変形した形状とすると、同図（ａ）は縦横が同じ割合
で伸縮した場合、同図（ｂ）は傾いた場合、同図（ｃ）
は台形状に変形した場合であり、実際にはこれらが重な
りあって変形する。

制御計算機８は上記４つのマークの反射光から求めた
出力座標値（第８図の点線の座標値）を入射光線28の位
置を指令する入力座標値（第８図の実線の座標値）と比
較してブロック内のパターン位置の伸縮に対する補正係
数A_X,A_Yと，傾きに対する補正係数B_X,B_Y,および台形化
に対する補正係数C_X,C_Y等を算出する。そして、これら
の補正係数と式（１）に示したオフセットとを用いて第
６図の外部記憶部９に格納されパターンの座標値（X_P,Y
_P）を式（２）のように補正し、得られた補正座標値（X
_i,Y_i）を用いて電子線４の位置決めを行うようにする。

X_i＝（１＋A_X）X_P＋B_XY_P＋C_XX_PY_P ＋（X_T1−X_T2） Y_i＝（１＋A_Y）Y_P＋B_YX_P＋C_YX_PY_P ＋（Y_T1−Y_T2）（２）上記の座標値補正演算によりウエハ２にはオフセット
や歪のない正しいパターンが描かれる。

［発明の効果］本発明によれば、電子線では検出困難なウエハ上のマ
ークを光線により高感度に検出できるので、ウエハの変
形による位置信号誤差を精度良く補正し、同時に電子線
に対する基準位置信号を与えることができ、さらに、電
子線と光線の双方によりテーブル上のマークを検出する
ので両者間の位置信号オフセットを補正することができ
る。

さらに、上記光線を電子線と同一方向から照射するの
で上記マークの凹凸によって発生する位置信号を誤差少
なく検出することが出来る。

さらに、上記マークからの反射光を上記電子線と同一
方向より検出するので、上記位置誤差をさらに低減する
ことが出来る。

また、上記光線を電子線と同一方向から照射しない場
合には、複数の光線照射装置により複数の光線を上記テ
ーブルおよびウエハに互いに異なる斜め方向から照射し
て、それぞれの反射光信号を比較できるようにするの
で、上記位置誤差を同様に低減することができる。

また、本発明の構成によれば、電子線では検出が困難
な薄膜構造のマークやマーク上に多層膜が存在した場合
に有効であり、電子線と検出光の光軸の一致が可能であ
り、ウエハ変形の影響がない。穴付き入射ミラーにより
電子線軸と光軸の一致をさせたので、損失少なく電子線
と検出光をウエハ上に入射させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の構成を示す図、第２図は半
導体ウエハの部分断面図、第３図は従来装置の構成を示
す図、第４図、第５図はそれぞれ本発明の他の実施例の
構成を示す図、第６図は本発明による荷電粒子線露光装
置の本体部と制御装置部の構成を示す図、第７図は半導
体ウエハ上の各種マークの配列の一例を示す図、第８図
（ａ）〜（ｃ）は矩形パターンの変形を分類して示す図
である。１……XYテーブル、1a……テーブル駆動部、２……ウエ
ハ、３……電子線源、４……電子線、５……整形器、６
……電子レンズ、７……偏向器、８……制御計算機、９
……外部記憶部、10……バッファメモリ、11……演算
部、12、14、15……各制御部、13……整形信号発生部、
16……位置信号発生部、17……検出器、18……マーク信
号発生器、19……光源、21……集束レンズ、22……走査
器、23……走査方向変換器、24……光学系制御部、25…
…テーブルマーク、27……照射器、28……光線、30……
ミラー、37……ハーフミラー、Ｒ……レジスト、Ｔ……
層間絶縁膜、Ｍ……マーク、M₁……ブロックマーク、Ｗ
……ウエハアラインメントマーク、ｗ……配線。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に電子線源、電子ビーム整形
器、電子レンズ、偏向器およびウエハを設置するテーブ
ルを収容し、上記電子線源からの電子線を上記テーブル
上のウエハに照射すると共に、光学装置からの光線で上
記電子線の照射方向と同一方向からマークを照射して検
出し、当該電子線により上記ウエハに描画を行う荷電粒
子線露光装置において、上記真空容器内に上記電子線が
通過するように開口を有するミラーを設け、上記真空容
器の側部に設けた通過窓を介して前記光線を当該真空容
器内に導入し、上記ミラーに反射せしめて上記テーブル
上のマークと上記ウエハ上のマークを照射し、上記光線
の照射による上記マークからの反射光線を上記ミラーに
より反射せしめ上記通過窓より当該真空容器外に導出す
るようにしたことを特徴とする光線による位置検出機能
付き荷電粒子線露光装置。
【請求項２】請求項１記載の光線による位置検出機能付
き荷電粒子線露光装置において、上記光線の上記テーブ
ル上のマークと上記ウエハ上のマークからの反射光線を
上記ミラにより反射させ、当該反射光を上記通過窓によ
り上記真空容器の外部に導出するようにしたことを特徴
とする光線による位置検出機能付き荷電粒子線露光装
置。
【請求項３】真空容器内に電子線源、電子ビーム整形
器、電子レンズ、偏向器およびウエハを設置するテーブ
ルを収容し、上記電子線源からの電子線を上記テーブル
上のウエハに照射し、上記ウエハに描画を行う荷電粒子
線露光装置において、光学装置を複数設け、当該複数の光学装置からのそれぞ
れの光線を、互いに異なる方向から上記電子レンズの対
物レンズと上記テーブルとの間隙部を介して上記テーブ
ルおよび上記ウエハのマークを照射し、これらの光線の
反射光線の差異から上記テーブルおよびウエハ上のマー
クの位置情報誤差を除去するようにしたことを特徴とす
る光線による位置検出機能付き荷電粒子線露光装置。
【請求項４】請求項１または３記載のいずれかの光線に
よる位置検出機能付き荷電粒子線露光装置において、上記光線の照射により上記ウエハが反射する反射光線を
検出する検出器を上記テーブル上に設置したことを特徴
とする光線による位置検出機能付き荷電粒子線露光装
置。
【請求項５】請求項１ないし４記載のいずれかの光線に
よる位置検出機能付き荷電粒子線露光装置において、上記光線を上記電子線の照射領域内に照射するようにし
たことを特徴とする光線による位置検出機能付き荷電粒
子線露光装置。