JP2014194923A - 電子レンズおよび電子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の製造上の原因から不均一性な磁界が発生し、電子レンズとして使用する際に、非点収差が大きく、軸ずれの大きなレンズになり、描画装置の性能向上が出来なかった。
【解決手段】永久磁石リング１２１の中心穴をビーム軸に対し露出するように設置する。ビーム軸方向の厚みが薄く、高透磁率の強磁性材料で永久磁石リングと同軸の平滑化リング１２２を永久磁石リング１２１の内面または下面を被覆し、または挟み込み、磁界を平滑化して軸に対して回転対称なレンズ磁界を形成する。
【選択図】図７

Description

本発明は、電子レンズおよび電子ビーム装置の改良に関する。

半導体（ＬＳＩ）製造工程の回路パターンを露光するリソグラフィ分野において、電子ビーム描画技術が利用されている。すなわち、半導体リソグラフィ技術では、通常元図となるマスクを電子ビーム描画装置で作成し、そのマスク画像を光によって半導体基板（ウェハ）に転写する写真製版技術（光リソグラフィ）が主に使われてきた。

電子ビーム描画方式は、細く絞った電子ビームによる一筆書きと呼ばれる方式に始まり、可変矩形方式や、キャラクタプロジェクション（ＣＰ）と呼ばれる、微小マスクによる数平方μｍを一括描画する方式など、描画方式を発展させてきた。

しかしながら、電子の進む軸に沿ったＺ軸方向にレンズを数段並べた１本のコラムであっては、ビーム軸付近で電子ビームがクーロン効果によってビーム軌道が曲がり、クーロン効果によるビームの焦点距離が長くなるので、焦点距離の再調整を行わなくては、一般的にガウス像面ではビームがぼけてしまう。ガウス像面とはビームの電流量が極小であるときにかつ、近軸軌道のビームがフォーカスを結ぶ面である。長くなった焦点距離を再調整して最もフォーカシングがあった状態にし、ビームのボケを極小にできるフォーカス条件を求めることを、リフォーカシングと呼ぶ。しかしながら、クーロン効果によるビームボケとは電子が粒子として様々に散乱をすることによってビームがぼけることも含めている。これは個別電子のクーロン効果によるボケと呼ばれる。クーロン効果全体のビームボケの量を１とするときに３分の２はリフォーカシングによって除去できるがリフォーカシングで除去できない量が３分の１残る。これは個別電子のクーロン効果によるボケである。
前記個別電子のクーロン効果によるボケが発生するような大きな電流量ではもはやリフォーカシングではビームをシャープにすることはできない。

一般的にクーロン効果によるボケは電子ビーム量に比例し、ビームの加速電圧の約１．５乗に反比例し、ビーム収束半角αに反比例すると言われている。そのためにαを大きく取った軌道が採用されることが多い。αを大きく取ると一般的にレンズの軸上球面収差と言われる収差が大きくなる。球面収差係数をＣｓとすると球面収差は１／２×Ｃｓ×α^３で表されるために、クーロン効果を低減するためには最終的には球面収差係数を低減する必要がある。球面収差係数を低減するためには対物レンズに厚肉レンズ（軸対称ビーム進行方向の磁界の濃いところの厚みがあること）が必要であるが、なおかつ対物レンズの焦点距離が短いことが不可欠である。
しかしながらこのような対策には限界があり、１本だけのビーム構成では電流値を大きくするとビームボケが支配的に大きくなる。
以上のようにクーロン効果によるボケによって、微細パターンが描画できなくなることからシングルコラムにはスループットの限界が存在する。

そこで、コラム１本あたりの電流値を小さくして、多数のコラムを採用するマルチアクシス（アクシス＝コラム軸）のマルチコラムを構成し、１本のコラムあたりの電流値を小さくすることが高スループット化と、ビームシャープネス向上に寄与する方法となる。例えばφ３００ｍｍウェハ上において８７本のビームを用いて、１本あたり１μＡの電流値を用いれば、８７μＡの試料電流を用いて描画できるので、パターン寸法２０ｎｍで４０μＱ／ｃｍ^２のレジストを２７５秒で描画できる。これは１時間あたり１２枚のスループットを達成できる速度である。

このようにマルチコラムを使用しなくては、例えばシングルコラムで８７μＡの試料電流を用いて描画する場合には、ビームのボケは、１．７μｍ以上に達するために、１００ｎｍ以下の微細パターンの描画は全く不可能となる。

このようにシングルコラムによるビームでは、クーロン効果でビームの総量が大きくなるに従って、ビームのボケが巨大になる。そのため微細パターンと描画速度の両立をはかることができずに、微細化を目的とするとビーム総量がとれずスループットが小さかった。そこでレンズを複数有するマルチコラム方式が必要となった。マルチコラム方式ではなるべくたくさんのコラムをウェハ上に並べるために、レンズを細くすることが必要となる。例えば直径が２５ｍｍ程度の電子レンズを形成して、φ３００ｍｍウェハ上に８７本から１２０本以上のコラムを設置して描画の高速化をはかることができる。

しかし例えば８７本のコラムを使用しても、２０ｎｍ程度のガウシアンの丸い１本ビームではスループットは０．０１枚／時以下の値にしかならない。例えば４０μＣ／ｃｍ^２のレジストで２００Ａ／ｃｍ^２の電流密度の電子ビーム照射を行った場合に、２００ｎｓで露光が終了する。３３ｍｍ×２６ｍｍの領域を描画するためには４２９０００秒の時間がかかる。これでは８７本のマルチコラムを利用しても、１枚のウェハを描画するのに１２０時間以上の時間がかかることになる。そこでどのようなビームを使用することが適しているか精査する必要があった。

ビームとして可変矩形ビーム、すなわちVariable shaped beam略してＶＳＢを用いる方式では２０ｎｍの市松模様を描画するためにウェハ１枚あたり１００時間以上かかる。例えば４０μＣ／ｃｍ^２のレジストで２００Ａ／ｃｍ^２の電流密度の電子ビーム照射を行った場合に、２００ｎｓで露光が終了する。３３ｍｍ×２６ｍｍの領域を描画するためには２１５００秒の時間がかかる。これでは８７本のマルチコラムを利用しても１枚のウェハを描画するのに６０時間の時間がかかることになる。

さてキャラクタプロジェクション（ＣＰ）法とは１μｍから３μｍ四角程度のサイズのパターンを有限個数、デバイス設計パターンデータ中から切り出して、これらのパターンを個々のＣＰと呼び、これを多数集めて穴開きマスクとして１枚のマスク上に形成する。１枚のマスクは複数のＣＰパターンを保持する。第一の矩形アパーチャを通過した電子ビームをＣＰマスク上に結像する。ＣＰ選択偏向器を用いて、第一の矩形アパーチャの像を、ＣＰマスク上の任意の位置に偏向することによって、ＣＰビームの選択を行い、１つのＣＰマスクの開口による透過ビームを試料面上に結像させて描画する方法である。繰り返しパターンの多いＤＲＡＭやＮＡＮＤフラッシュメモリのセルパターンをＣＰパターンとすると効果的に高速描画ができる。

多数のデバイスパターンの中には、デバイスパターンが非常に単純なパターンであって、ＣＰ数が少なくても当該デバイス層の全パターンが描画できるケースもごくまれには存在する。その場合にはＣＰ法であってもスループットが１０枚／時以上に増大することも考えられる。従ってＣＰ露光法の有効性は、完全に否定されるものではない。
しかしながら、一般的なデバイスでは層内の全てのパターンが少数のＣＰで記述できてしまうというようなケースは非常にまれである。多くのデバイスの層においてはすべてのパターンをＣＰ化しようとすると数千個または数万個以上のＣＰ数を必要となる場合が多かった。パターンの繰り返し性が必ずしも有効でなく、デバイスパターン全体をＣＰ化する場合にはＣＰ数が膨大となりすぎてＣＰマスク化出来ないケースが多く存在していた。従って多くのデバイスパターンにおいては、ＣＰ露光法は適切な描画方法ではなかった。またＣＰ数が膨大である場合には、ＣＰ選択偏向器のアナログ出力が変化する時間すなわちＣＰ間ジャンプに時間が長大にかかることのためにスループットは大きく伸びることは無く、１時間に１枚程度のスループットが限界であった。

ランダムパターンが多い場合には、ＣＰ描画方法では多数のパターンを可変矩形ビームＶＳＢ法での矩形分割露光に戻さざるを得ないために、ショット数は一定数以下に削減できず、膨大なショット数となり、多大な描画時間がかかることが多い。結局、現在のデバイスパターンや将来的なデバイスパターンにおいてＣＰ描画は高速露光の方法としては適切な方法とは云えない。
以上のように、マルチコラム方法を用いても１本１本に使用するビームが適切でなければ、高スループットでかつ高精度の露光はできなかった。

ランダムなパターン描画のための描画装置としては、固定サイズの正方形ビームをサイズの整数倍の距離を隔てて、正方格子マトリクス状にビームを多数並べる方法がある。この場合、多数のビームを独立に点滅させて任意のパターンを描画することができる。
例えば、１６ｎｍ正方形ビームを６４ｎｍピッチで３．２μｍ正方形内部に５０×５０＝２５００本のビームで、各ビームを独立に点滅させて任意のパターンを描画することができる。また、パターンルールが小さくなる時には、例えば、８ｎｍ正方形ビームを３２ｎｍピッチで３．２μｍ正方形内部に１００×１００＝１００００本のビームで、各ビームを独立に点滅させて任意のパターンを描画することができる。
上記ビームの間隙部分の未露光部は、ビーム全体を位置シフトさせて描画すれば、ウェハの平面全体を隙間なく描画することができる。
このようなビームを形成するデバイスをＰＳＡ(Programmable Shaping Aperture)と呼ぶ。以上に述べたように、各種の電子ビーム描画方法がある。

しかしながら、可変矩形ビーム、キャラクタプロジェクション、ＰＳＡビームを用いた描画方法など、いずれの描画方法を用いても、クーロン効果によるビームボケの制約がある。そのために高速の電子ビーム描画装置を製造するためには、コラム1本あたりの使用電子ビーム量を最大限に大きくすることと、多数のコラムを併設したマルチコラム描画装置を形成することが必要不可欠である。

多数のコラムを併設するためには、直径が２５ｍｍ以下の細いコラムをφ３００ｍｍウェハ上に８７本から１２０本並べる必要がある。また、コラム１本あたりの使用電子ビーム量を最大限に大きくするためには、１０ｍｒａｄを超えるような大きな収束半角と小さな球面収差係数のレンズを対物レンズとして使用することが必要となる。

１０ｍｒａｄを超えるような大きな収束半角と小さな球面収差係数のレンズを構成し、かつ２５ｍｍ以下の細いレンズを並列に並べてマルチコラム化する場合に、従来の電磁石と鉄のポールピースを用いた電子レンズで最大の問題となるのは、電磁石のジュール発熱である。試算によれば１レンズあたり５００Ｗの発熱となる。このレンズを８７個使用すれば、４３ｋＷとなり、熱的に破綻している。そこで発熱がほとんどない永久磁石レンズを使用する必要性が出てくる。

特開２００７−３１１１１７号公報

しかしながら、特許文献１に示された如き電子レンズは大きさが大きく２５ｍｍ以下の直径で、φ３００ｍｍウェハと同等の形状の平面内部に８７本も併設できるものではない。
また、永久磁石の不均一性を覆い隠さんがための、軟磁性体の上下のポールピースを永久磁石から内径深く突き出してあるので、永久磁石からの強力な磁界はポールピース同士間を短絡的に戻るので、軸上には弱い磁界しか届かないために、結果的に強力な磁界レンズを実現できていない。そのため、球面収差係数の小さな短焦点レンズの実現はできなかった。

細いレンズで直径が２５ｍｍ以下であって、かつ実際に、収束半角αを１０ｍｒａｄと大きくして、球面収差係数を５ｍｍから１ｍｍの値であることを目標とする。このような目標値を立てるとようやく１本のコラムで１μＡ以上の電子量を得られ、なおかつ１６ｎｍの微細加工において、ビームボケが強度比９０％−１０％に収まる幅で１０ｎｍ程度の微細ビーム形成が可能となる。

以上の値を実際に実現しようとすると、サマリウムコバルトないしネオジムという種類の、永久磁石を用いて、穴のあいた円板状であるものすなわちリングを使用するのが容易に実現できる方法である。この時、穴の内部の磁界は数千ガウス（約０．５テスラ程度）の強磁界が必要である。
しかしながら、このような永久磁石では、円板表面の磁化の不均一性という問題があり、レンズの軸上の磁界が完全に正しく軸対称磁界になるとは限らないことが多く見られる。
このような不均一磁界を持ったレンズでは、軸上で大きな収差が発生するものもあり、大きな非点収差がでて、かなり強い非点収差補正コイルを使用する必要があった。また、不均一磁界によるビームの位置ずれも問題であった。このようなレンズを数十本並べた場合には、多くのレンズで収差補正が異なり、倍率までもが変化することがあった。すなわち、強度の強い永久磁石面をビーム軸に露出させた状態では、レンズの軸対称性が劣悪で、結像特性が良くないレンズが多々有りシステム化に支障がでていた。

本発明は、電子ビームが通過するＺ軸に対して、中心磁界の方向が向くＺ軸方向着磁の永久磁石リングと、前記永久磁石リングの（ｉ）上面、下面、または内周面の中の少なくとも１面、または（ｉｉ）前記永久磁石リングをＺ軸方向に分割した場合の両分割永久磁石リングの間の中の少なくとも１つに配置され、Ｚ軸方向の厚みが前記永久磁石リングの厚みより小さく、高透磁率の強磁性体材料からなり、前記永久磁石リングと同心状に配置される磁界平滑化リングと、を有し、記磁界平滑リングを用いて永久磁石リング表面を被覆することにより、前記永久磁石リングの面磁化における円周方向の強度ばらつきに基づく磁界のばらつきを平滑化する。

また、本発明によれば、
電子ビームが通過するＺ軸に対して、
主たる磁力源として、中心磁界を一致させるＺ方向着磁の平面型永久磁石リングを用いて、永久磁石の中心穴面がビーム軸に対して略露出するように軸に近接して配置された電子レンズであって、
平面型永久磁石リングの上面または下面が、永久磁石を固定するに十分な厚みと強度を有した高透磁率の強磁性体部材に固定され、
該永久磁石の固定された面を除いた、永久磁石の内面もしくは上面もしくは下面の内２面あるいは１面が、
永久磁石の外半径と内半径の差分であるリング幅に比較して狭い幅を有し、厚みが永久磁石の厚みに比較して薄い、高透磁率の強磁性体材料からなる、永久磁石リング軸と同軸の磁界平滑化リングを用いて永久磁石表面を被覆することにより、永久磁石の面磁化の回転方向の強度ばらつきを平均化して、
軸の回りに回転対称なレンズ磁界を形成することを特徴とする電子レンズによって、上記の問題が解決できる。

本発明によれば、従来技術の永久磁石を用いた電子レンズで克服が困難とされていたレンズ軸に関する非対称性すなわち対称性からのばらつきの問題が解決され、軸対称性のよい、高性能で収差の少ない磁界レンズを得ることができる。

本発明の技術による電子レンズを用いたキャラクタプロジェクションのマルチコラム描画用装置の図である。 本発明の技術による電子レンズを用いたＰＳＡ(Programmable Shaping Aperture)の1本コラムの図である。 本発明の技術による電子レンズを用いたマルチコラムをφ３００ｍｍウェハに適用した場合の図である。 永久磁石製造プロセスの一般的な方法を示す図である。４ａ 磁界を印加しながらプレスすることを示す。プレス方向はこの場合には磁界と垂直方向である。最初は多くの磁石粉末の磁界が揃っている。４ｂ 磁界を印加しながらプレスを行ってきたことを示す。磁性粉末は互いに摩擦をして、粉末毎に磁化の方向は僅かに磁界方向とずれて来る。磁化の不均一性が出る。４ｃ 磁界印加とプレスを停止し、１０００℃にて焼結する。焼結後、スピンはランダムな方向を向き、磁性粉体の磁化方向はバラバラになり、全体の磁化は０となり、永久磁石の磁界は消滅する。４ｄ 強磁界中で再度着磁を行うと、磁化容易舳方向に着磁される。しかし、４ｂの状態に近いので、各部分で磁化のバラつきがある。４ｅ 平面型永久磁石リングと着磁方向を示す。 従来の平面型永久磁石リングの平面上の磁界の不均一性を示す図である。５ａ 上面または下面を８等分して、磁化強度を計測する点。５ｂ 上面から出た磁力線が下面に戻る様子を示す。５ｃ １０１aから１０１ｈまでの８点の計測された磁化強度。 従来公知例の特許文書１の図を示す。 永久磁石の表面に、幅が小さく厚みの薄い高透磁率の強磁性体材料からなる同軸のリングを被覆せしめ、軸上磁界の軸対称性を向上した本発明の実施例を示す図である。 穴あきリング状永久磁石の内径と外径が徐々に小さくなるリング群をレンズの対物面に近づくに従って穴径が小さくなるように平面型永久磁石リングを並べた図である。 平面型永久磁石リングの上面に内径が一致する純鉄の円板と、下面には永久磁石の内径と等しい内径を有する、幅が小さく、厚みの小さな、高透磁率の強磁性体材料からなる同軸のリングを被覆せしめて軸上磁界の軸対称性を向上した本発明の実施例を示す図である。上面の外径に略一致した永久磁石レンズの新設付着設置によって、レンズ軸上の中心磁界を調節できることを示す図である。 平面型永久磁石リングの上面に内径が一致する純鉄の円板と、下面には幅が小さく、厚みの小さな、高透磁率の強磁性体材料からなる３枚の同軸のリングを被覆せしめて軸上磁界の軸対称性を向上した本発明の実施例を示す図である。 永久磁石リングを複数の永久磁石リングの積層構造として、その間に平滑化リングを介在させた構成を示す図である。 図１１の構成のレンズを利用した場合の全体構成図である。 永久磁石リングを複数の永久磁石リングの積層構造として、その間に半径方向において複数に分割した平滑化リングを介在させた構成を示す図である。 永久磁石リングを複数の永久磁石リングの積層構造として、その間の内側に平滑化リングを介在させた構成を示す図である。 平面型永久磁石リングの回転方向について、回転対称磁界を形成する各種の方法について示す図である。１５ａ 中心に穴の開いたリングを１２等分した扇形永久磁石部品を強度の一定のものを選別し、リング形状となるように接着材で接着した。１５ｂ 円柱状の長い永久磁石をリング状に束ねて接着剤で接着し回転対称磁界を形成する。１５ｃ リング状永久磁石の内径と外径の中央部に、円径穴を複数個あけ、磁化強度を選別された円筒形永久磁石を、円径穴に挿入し、回転対称磁界を形成する。 平面型永久磁石リングを、中心軸を含む平面（Ａ−Ａ’面）で切った断面図である。１６ａ 上面または下面磁化強度を均一化するために薄型永久磁石を貼り付けた平面型永久磁石リングを示す。１６ｂ 平面型永久磁石リングの磁化が不均一で、回転方向に軸対称でない場合には断面で切断される磁力線が存在する。１６ｃ 平面型永久磁石リングの磁化が均一であり、回転方向に軸対称である場合には断面で切断される磁力線が存在しない。

マルチコラムを形成するために、一本で直径２５ｍｍ以下のレンズが必要である。特に対物レンズは以下の配慮が必要である。クーロン効果によるビームボケを減少させるため、ウェハ上でのビーム収束半角αは１０ｍｒａｄ以上が必要である。
その場合に球面収差がαの３乗で大きくなるので、球面収差係数を５ｍｍから１ｍｍ として、球面収差を１０ｎｍ以下に抑える必要がある。このような対物レンズは、純鉄とコイルでは直径２５ｍｍ以下という条件を満足せず、また発熱が５００Ｗ以上となるので不可能となる。そこで、永久磁石の単純なリングを用いると穴径４ｍｍで厚みが４ｍｍ、外径２０ｍｍ程度のネオジム永久磁石のリングが最適となる。これをウェハまでのワーキングディスタンス２ｍｍで用いる。穴の中心で、最大磁界は０．５テスラである。

平面型（中空円筒型）永久磁石リングは、軸をＺ軸とすると軸方向に着磁している。Ｚ方向着磁のリング磁石では、模式的にはリングの上面と下面の表面に均一な面磁化が存在していると仮定してもよい。しかし、実際のネオジム永久磁石では、磁化の分布が不均一で、５％から１０％の強度ばらつきが存在する。生の永久磁石をそのまま磁界レンズとして使用することは、良い方法でない。
そこで、上面の外半径と内半径の差を２等分するようにし、上面の内半径側の面に高透磁率強磁性体材料の一種である純鉄リング板を付着せしめる。
永久磁石リングの下面には、永久磁石リングの穴の内径を同じくし、幅が１ｍｍから５ｍｍで厚みが０．５ｍｍから１ｍｍ程度の高透磁率強磁性体材料を付着せしめる。
高透磁率強磁性体材料は純鉄またはパーマロイ（ＰＣ材もしくはＰＢ材）またはスーパーマロイである。以上のことで永久磁石レンズの上面と下面の内径付近の、回転方向は３％以下の均一性になる。これによって、永久磁石レンズの軸対称レンズ磁界が保証される。
レンズ収差は実用上支障なく１０ｎｍ以下のパターン描画が可能になる。

図１は本発明の電子レンズを利用したマルチコラム電子ビーム描画装置の図である。Ｘ軸とＹ軸の成す平面上に単一のコラムセル３１が複数個配列されるマルチコラム３２を構成する。Ｚ軸方向に電子ビームが飛んで行く。各コラムレンズの中心軸はＺ軸と平行である。φ３００ｍｍのシリコンウェハ３３上に、８７本から１２０本のマルチコラムが形成される。

コラムが８７本から１２０本存在し、ビームが完全に独立に制御されるので並列描画が可能で、描画の高速処理ができる。電子ビームは１本のコラムで許容できる電流値が１μＡであるときでも、約４０μＡという巨大な電流を使用することができる。そのために、高いスループットでウェハ処理を行うことができる。

単一のコラムセル３１の詳細は以下の通りである。このコラムセル３１は各種の描画方式のうちでキャラクタプロジェクションについて記載してある。電子銃３４から発射する電子ビームは、第一の矩形アパーチャ３５で矩形に整形され、第一のレンズ３６と第二のレンズ３９によって、ＣＰマスク４０上に再度矩形に結像される。矩形電子ビーム像はマスク偏向器１とマスク偏向器２によって、ＣＰマスク４０上の任意の矩形領域へ選択偏向される。そして、適切な矩形領域を通過して、適切なＣＰビームに整形される。整形されたビームは，偏向器３と偏向器４と第三のレンズ４２とマスク偏向器３とマスク偏向器４によって、再び中心軸上に偏向され、また縮小レンズ４５で縮小投影される。さらにラウンドアパーチャ４７を通過した後に、対物投影レンズ４８でさらに縮小され試料面であるウェハ３３上の所定の位置に位置決め偏向器４９にて偏向され収束結像される。

図２は、マルチコラムとして使用する1本コラムとして、ＰＳＡ技術（Programmable Shaping Aperture 技術）を使用する場合について示している。電子銃６０にマイナス５０ｋＶがかかっており、サプレッサー電極６１にマイナス５５ｋＶ、引き出し電極６２にマイナス４５ｋＶが印加されている。陽極６３はアースに接地されているために、電子はマイナス５０ｋＶの運動エネルギーを持ってＺ軸方向に射出してくる。

電子は一旦第一のレンズ６４で収束される。そして第一のラウンドアパーチャ６５を通過する。第一のラウンドアパーチャ６５の必要性の意味は２つある。第一に、電子銃チャンバーの高真空度を保つために、小さな穴で差動排気を行うためである。この穴は１０μｍから５０μｍの直径を有する。マルチコラムであるので、１００本のコラムが存在する場合には直径５０μｍの穴でも１００個有れば、５００μｍの穴と同じである。この径以下であれば十分真空度に差を付けることが可能である。
しかしながら例えば第一のラウンドアパーチャ６５の径が１００μｍであれば、１００本のコラムでは１０ｍｍの穴と同じ真空のコンダクタンスを有することになり、
差動排気を用いて電子銃チャンバーの真空度を上げることが困難になる。

第一のラウンドアパーチャ６５の必要性の第二の意味は、ＰＳＡ技術において、マルチビームの個々のビームが個別のブランカで偏向されるが、その際に、第二のレンズ６６と第３のレンズ６８を使用することで第二のラウンドアパーチャ７０上に第一のラウンドアパーチャ６５の像を結像させ、偏向した場合にビームの裾野が長くならないように、くっきりとした像を結像して、偏向電圧印加時の像の移動によるビームカットを確実にする。第一のラウンドアパーチャ６５の丸穴がない場合には、電子銃から出た電子の分布が長い裾野を引く場合があって、薄い濃度の電子が、長いテールを引くことがあり、ブランキングに偏向電圧を印加しても、試料面まで電子が出てくることがある。この場合にはビームの確実なカッティングができていないと言う。ＰＳＡ技術においては、全体ブランキング電極６９を用いてビーム偏向を行い、ビームカットをさらに確実におこなう。

第一のラウンドアパーチャ６５を通過した電子は第二のレンズ６６を通過して平行ビームとなり、ＰＳＡ（Programmable Shaping Aperture）６７を通過する。ＰＳＡでは電子ビームは２５００本から１００００本の微細マルチビーム群に分離される。微細マルチビーム群は、例えば１本のビームが例えば４μｍ四角の固定矩形ビームであって、ビッチは１６μｍで、５０本×５０本のビームが、同時に並行して出る。２５００本のビームを独立して点滅できる。２５００個のビームはそれぞれ独立した偏向器を所有しており、偏向器に偏向電圧が印加される時に、そのビームは第二のラウンドアパーチャ７０の丸穴を通過できないので、ビームがＯＦＦとなる。偏向器に偏向電圧が印加されない時に、そのビームは第二のラウンドアパーチャ７０の丸穴を通過できるので、ビームがＯＮとなる。全体ブランキング電極６９に電圧が印加されると、２５００本のマルチビーム全体がＯＦＦされる。

第二のラウンドアパーチャ７０の丸穴を通過したビームは縮小レンズ７１と、位置決め偏向器７２を通して、対物投影レンズ７３によって、さらなる縮小像を試料面（ウェハ面）３３上に結ぶ。
位置決め偏向器７２によって、ビームは試料面上の所定の箇所に位置決め照射される。

図３にマルチコラム配置について示す。各コラム３１は２５ｍｍ 以下の直径であるので、２６ｍｍ に１つのコラムが並ぶ。φ３００ｍｍ ウェハ３３には 全体で最大１２０本のコラムが並ぶことができる。

図４には、永久磁石の成形方法と、永久磁石の磁化の不均一性が何故発生するかを示している。永久磁石を磁気レンズとして使用する場合に、４ｅの如き、平面型永久磁石リング８６を用いてリング軸の方向に磁界が発生するように着磁することが必要である。この時に、リングの上面と下面の平面に均一な磁化が、発生するようにすることが必要である。なぜならば電子が通過して正確に集束するためには、軸上に均一な軸対称磁界ができることが不可欠である。このことが成り立つためには、リングの上下の平面に均一な磁化が現れることと等価である。

４ａでは、焼結する前に永久磁石の微粉末を、磁界を印加した状態で磁界と垂直な方向にプレスすることにより、圧縮応力を印加する。これによって永久磁石の微粉末同士が圧縮され、接着し合い、全体の体積が縮む。この時に微粉末の磁化容易化軸は、プレスの初期４ａにおいては、完全にすべての微粉末において左方向に揃っている。しかし、プレス加工中には微粉末同士が擦れあい、磁化容易化軸が全体の磁化軸から僅かに傾きの角度を持ってずれていく。プレス加工の最終段階において、４ｂのように磁化は各部で不均一な値を持つようになる。
永久磁石は一旦プレス器と磁界から離れて、炉の中で１０００℃の高熱で焼結される。
４ｃでは、焼結時には高温のために永久磁石微粉末の中の磁界は、バラバラの方向を向く。正確にはスピンによる磁界がバラバラの方向を向く。このために、焼結後の微粉体の磁界は、全体として０の値を示す。すなわち磁化を持たない状態になる。

４ｄに示すように、再度プレス中に印加されていた磁界と同じ方向の強度の十分強い磁界中で着磁をされる。この時の磁界の強さは、永久磁石の磁界飽和を起こす以上に強い磁界である。このとき永久磁石微粉末の磁界はそれぞれ微粉末の磁化容易化軸を向く。しかし、既に４ｂのごとく、磁化容易化軸は、全体の磁化方向に対して僅かに傾きを持ってばらついているので４ｂ以上に磁化が均一に揃うことはない。以上が永久磁石の不均一磁界の発生する理由である。不均一性の根源をたどれば、磁場印加中のプレス加工による微粉末の相互の摩擦による磁化容易化軸の僅かな回転が出ることに起因する。

図５は永久磁石リングの磁化の不均一性について示す。概略としてリング上面内側半分から出た磁力線１０２ｂはリングの内側の穴を通って、下面に戻る。リング上面外側半分から出た磁力線１０２ｃはリングの外側の空間を通って、下面に戻る。しかしながら図５に示す磁化の不均一性が存在する場合には、リング上面の４５度毎８箇所の１０１ａ−１０１ｈの各点での磁化による磁界強度は５ｃの１０３ａ−１０３ｈのごとく値がばらつき、一定の値を取らない。

図６は従来公知例の特許文献１の図を示す。永久磁石１を取り囲む軟磁性材料２と３が永久磁石リングの内部の穴の中まで突き出して，磁束を中心軸の付近まで、誘導する図となっている。このような形態を取るならば、永久磁石の磁化強度のバラつきは軟磁性材料２と３によって、十分平均化されて、磁気レンズ特性に影響を与えるレベルではなくなるであろう。中心軸上の電子ビームが飛来して、収束する付近での、永久磁石の磁化不均一性の及ぼす影響は軽微である。

しかしながら、軟磁性材料２と３によって、磁界の行きと戻りの経路ができるために、中心軸付近の磁界は非常に弱いものとなる。このために、５０００ガウスというような大きな磁界を中心軸上に形成し、単焦点の、球面収差係数の小さなレンズは望むべくもない。かつまた、これを達成しようとして大きな永久磁石を用いる場合には、外周部品４の外径が巨大になり、マルチコラムに不可欠である２５ｍｍ以下の直径の永久磁石レンズを構成することは不可能となる。

図７は、本発明の一実施形態に係る電子レンズの構成を示す図である。上面および下面が平面である平面型の永久磁石リング１２１の上面は強磁性体であり軟磁性体でもある、純鉄の支持体１１６に吸着または接着材で強固に固定されている。
永久磁石リング１２１の穴面（中心軸であるＺ軸に向く内面側）は円錐状で、対物投影レンズの下方に行くに従って穴径が小さくなっている。穴は略ビーム軸（Ｚ軸）に対して露出している。このために４０００ガウスから８０００ガウス（０．４テスラから０．８テスラ）の強磁界が中心軸に印加される。下面も中心軸に向かって略露出している。しかしながらこのままでは、永久磁石リング１２１のレンズ特性は表面磁化の不均一性のために良いものではない。

この状態を改善するために、永久磁石の内面（中心軸に向く面）に、永久磁石リング１２１の厚み（縦幅：Ｚ軸方向の長さ）に比較しＺ方向の長さが小さく、また永久磁石リング１２１の外径と内径の差（半径方向の長さ）に比較して、半径方向の長さ（横幅）の小さい、高透磁率の強磁性体材料の平滑化リング１２４を被覆してある。そして、この平滑化リング１２４によって、永久磁石リング１２１に基づく、中心軸に関して軸の回転方向の磁界を平均化する。

ここで、平滑化リング１２４は、その上面および下面が平面である中空円筒状のリングである。また、平滑化リング１２４の外周面は、永久磁石リング１２１の内面に沿った面であることが好ましい。従って、永久磁石リング１２１の内面が滑らかな漏斗状の面であれば、平滑化リング１２４の外周面も円錐状の面にするのがよい。一方、永久磁石リング１２１の内面が階段状に徐々に内径が狭くなるようにものであれば、平滑化リング１２４の外周面を、永久磁石リングの内側面の段に沿ってＺ軸方向の面とすればよい。平滑化リング１２４の内周側面は、その外周面と平行な面とするとよい。
ここで、平滑化リング１２４は永久磁石リング１２１の内面においてＺ軸方向に所定間隔をおいて複数配置している。すなわち、平滑化リング１２４のＺ軸方向の長さは比較的小さく、Ｚ軸方向に所定間隔をおいて複数配置されている。これは、平滑化リング１２４の長さが長いと磁界飽和を起こすからである。

この例では、製作のしやすさを考慮し、高透磁率の平滑化リング１２４と軟磁性体リング１２５を交互に配置している。 また、永久磁石リング１２１の下面にも永久磁石リング１２１の厚みより厚みが小さく、外径内径の差に比較して縦幅と横幅の小さい、高透磁率の強磁性体材料の平滑化リング１２２を被覆し、中心軸に関して回転方向の磁界を平均化する。
この平滑化リング１２２は、永久磁石リング１２１の下面に所定間隔で同心円状に取り付けられる。平滑化リング１２２は、中空円筒状（ドーナツ状円板）のリングであり、この例では、軟磁性体リング１２３が複数の平滑化リング１２２の間に同心状に配置されている。
強磁性体の平滑化リング１２４，１２２は、高透磁率の強磁性体である純鉄、パーマロイＰＣ材、パーマロイＰＢ材またはスーパーマロイを用いて製作する。しかし、永久磁石リング１２１の表面を、縦幅と横幅が１ｍｍに満たない高透磁率の強磁性体の平滑化リング１２４，１２２で直接的に被覆することは難しい。そこで、上述のように、複数の平滑化リング１２４，１２２の間に軟磁性体のリング１２５，１２３を介在させるとよい。

図７では、被覆する高透磁率の強磁性体材料の平滑化リング１２４を非磁性体のリング１２５と積層し接着して、円錐状の薄肉の筒状体に研削または放電加工によって形成し、永久磁石リング１２１の穴側の内面に被覆している。同様に、被覆する高透磁率の強磁性体材料の平滑化リング１２２と非磁性体のリング１２３とを積層・接着して、薄肉の円板を永久磁石の下面にかぶせてある。これらの強磁性体の平滑化リング１２４，１２２と非磁性体のリング１２５，１２３の積層物は以下のようにして製作してもよい。
円筒状の非磁性体の上に高透磁率の強磁性体材料の薄膜を蒸着またはスパッター法により付着せしめ、不要部分をエッチングによって除去する方法でもよい。

図７の如き永久磁石リング１２１の穴の内面に同心円状に多数本の同心円の高透磁率の強磁性体の平滑化リング１２４，１２２を被覆することで、中心軸に対して回転方向に不均一であった磁界が、強磁性体の平滑化リング１２４，１２２で平均化された同一の磁気ポテンシャル（磁位）を持つことになる。
永久磁石リング１２１の内面と十分緊密に同心円状の高透磁率の強磁性体の複数の平滑化リング１２４，１２２を被覆することによって、それぞれの強磁性体の複数の平滑化リング１２４，１２２においてはそれぞれ同一の磁気ポテンシャル（磁位）を持つために、平滑化リング１２４，１２２の付近では磁界が軸対称に平滑化される。このような十分に密に配置された複数の同心円状の高透磁率の強磁性体の平滑化リング１２５，１２２に囲まれた真空の自由空間は、中心軸の周りには限りなく軸対称な磁界を有する軸対称均一磁界を形成することになる。
図では模式的に示してあるが、中心穴の側面の平滑化リング１２４は幅０．１ｍｍ厚み０．１ｍｍで、非磁性体１２５は幅０．１ｍｍで厚み０．５ｍｍから１ｍｍである。

永久磁石の上面を固定する純鉄の支持体１１６は、平面型の永久磁石リング１２１のおよそ上面の半分に吸着し、電子レンズの上方に向かってテーパ状に広がりながら伸びる。電子レンズの上方とは電子ビームが飛来する光軸（Ｚ軸）の上方（電子銃側）に向かってさかのぼるということである。電子レンズ上方においては、ドーナツ状で円板型の非磁性体１１５を介して最外周の純鉄の円筒１２６に連結される。この内部の純鉄の支持体１１６から最外周の純鉄の円筒１２６は、磁気回路を構成している。内部の純鉄の支持体１１６を通って磁力線が最外周の純鉄の円筒１２６を通過して、永久磁石リング１２１に戻る。電子レンズの上部と下部に非磁性体のギャップがあって、最外周の円筒１２６への磁束の流入を防いでいる。上部のギャップないし、下部のギャップがなければ、内部の純鉄の支持体１１６か、もしくは最外周の純鉄の円筒１２６が磁界飽和を起こす場合がある。内部の純鉄の支持体１１６か、もしくは最外周の純鉄の円筒１２６に十分な厚みがあれば、磁界飽和を起す心配をせずに上部、または下部のギャップを無くし、磁性体で直結してもよい。

図７の最外周の純鉄の円筒１２６の内部には、永久磁石レンズ強度の補正用コイル１１７が形成されている。そして補正用コイル１１７で発生するジュール熱が永久磁石リング１２１に伝わって、永久磁石の温度が変化する（上昇する）ことは好ましくない。そこで、永久磁石による磁界強度が変化しない目的で、冷却用の冷媒流路１１１と冷却用の冷媒流路円筒１１２が補正用コイル１１７と永久磁石リング１２１との間に存在する。矢印１１３で示すように冷媒が半径方向に伸びる冷媒流路１１１から冷媒流路円筒１１２に入り、冷媒流路円筒１１２を通過した冷媒が矢印１１４で示すように外部に排出される。冷媒流路円筒１１２内には、所望の短絡防止用の隔壁などを設けるとよい。
また、銅・アルミニウムなどの熱伝導性の良い部材をもって補正用コイル１１７と永久磁石リング１２１の間に熱的な隔壁を設けて、この熱的な隔壁の上部に接する部分のみ冷媒流体を流してもよい。以上のことは永久磁石リング１２１の温度を一定化（温度上昇を防止）するために行われる。

図７の永久磁石リング１２１の上面の外側部分には永久磁石強度を補正するために、厚みを適切に選んだ補正用平面型（ドーナツ状円板）の永久磁石リング１１８を設置する。電子レンズとして、電子ビームの収束に必要な磁界強度と形状は、シミュレーションによって決定する。この後に永久磁石リング１２１を製作する。この時点で、目標の強度とプラスマイナス２％で一致していれば、電気的なコイル（補正用コイル１１７）により補正することで、焦点を試料面に合わせることができる。しかし、目標の強度とプラスマイナス２％以上の大きさの乖離を持つ場合、例えば４％小さめに出た場合には、厚み１ｍｍないし２ｍｍの補正用平面型の永久磁石リング１１８を設置して目標値に調整する必要がある。従って、設計時には、永久磁石リング１２１のみではマイナス４％程度になるように設計しておき、補正用平面型の永久磁石リング１１８の設置により、軸上最高磁界強度がプラスマイナス２％の精度に一致するように、調整する。補正用平面型永久磁石リング１１８は０．１ｍｍ単位で０．４ｍｍから２ｍｍまで、揃えておき、最適な厚みのリングを選択して貼り付ける。ここに補正用コイル１１７はプラスマイナス１００Ａターンである。

図７の電子レンズでは、永久磁石リング１２１の下面の外周側にドーナツ状円板型の非磁性体１２０を介し、反射電子検出器１１９が取り付けられている。なお、非磁性体１２０の外周側は円筒１２６の下部内側に固定されている。
反射電子検出器１１９は、PN接合またはPIN接合で作られている。電子が試料面（シリコンウェハ３３の表面の描画対象面）に入射して反射してくる。その反射電子が反射電子検出器１１９のPN接合面に入射する。
試料面を電子ビームで走査すると、シリコンウェハ３３の上面から僅かに下がった面に形成されたマーク位置に対応した反射電子信号を検出できる。これによって、電子ビームの自己較正、偏向能率、ウェハ基板との重ねあわせなど電子ビーム調整に必要な各種機能を実施できる。

図７の永久磁石リング１２１には、ネオジムを使用しており、例えば全体の厚みは４ｍｍである。サマリウムコバルトを用いても良い。リングの外径は16mmである。永久磁石リング１２１の中心の穴の上部の内径は４mmである。穴の下部の内径は１ｍｍである。永久磁石リング１２１の下面からシリコンウェハ３３までの距離は１．５mmである。パーマロイの平滑化リング１２４、１２２の被覆の厚み、縦幅または横幅は０．４ｍｍである。４ｍｍの穴の上部では軸上磁界は0．3テスラである。
軸上を下部に行くに従って磁界強度は強くなり、穴径１mmの箇所では0.8テスラとなる。電子ビームの収束半角は20mradが確保できる。

軸上球面収差は１ｍｍが実現できるので、２０ｍｒａｄの時８ｎｍの球面収差があるが、これはガウス像面での値であり、レンズ収束力を少し強めにすれば、最小錯乱円は４ｎｍが実現できる。最小錯乱円とは、ガウス像面付近で交差しあう数々の軌道のうち、最も稠密に重なり合う高さの位置での軌道の広がりが最小である場所でのビーム全体を構成する円のことを言う。一般にガウス像面の最大球面収差の２分の１となる。
クーロン効果によるビームボケは２０ｍｒａｄでは１μＡの試料電流を取った場合に５ｎｍとなり、球面収差を考慮しても最小自乗平均をとって、８ｎｍの微細加工ができる。すなわち、これまで不可能とされていた大電流・低収差が実現できる。

図７に示すように、非常に強い磁界をシリコンウェハ３３の直上に形成できる点が本実施形態の特徴である。また永久磁石リング１２１の円形穴の内面および下部の同心円状の高透磁率の強磁性体の平滑リング１２４，１２２の厚みと幅は約０．２ｍｍとしてもよい、例えば０．５ｍｍピッチに配置されている。これにより軸対称レンズ磁界が形成されて、良好なレンズ磁界を得ることができる。
なお、レンズ上部の非磁性体１１５は全体の磁気回路が磁界飽和を起こさない条件で磁性体と置き換えてもよい場合がある。

図８は図７とは別の実施例について示す。図８では、ドーナツ円板状の複数の永久磁石リング１３１ａ−１３１ｈ（１３１）と、高透磁率の強磁性体でドーナツ円板状の複数の平滑化リング１３２ａ−１３２ｈ（１３２）を有している。
多数の永久磁石リング１３１ａ−１３１ｈを、同心円状に配置すると共に、それらの穴径が試料面に近づくに従って小さくなるように、吸着設置せしめてリング群を構成し、平面型永久磁石リング１３１ｂ−１３１ｇの上面と永久磁石リング１３１ｈの上面および下面に、永久磁石リング１３１ｂ−１３１ｈの内径と等しい内径を有する、幅が小さく、厚みの小さな、高透磁率の強磁性体材料からなる同軸の平滑化リング１３２ａ−１３２ｈを被覆せしめて、軸上磁界の軸対称性を向上している。

図８では平面型永久磁石リング１３１ａ−１３１ｈは、それぞれ０．５ｍｍの厚みであり、一番下の平面型永久磁石リング１３１ｈの内径は１ｍｍである。平面型永久磁石リング１３１ａ−１３１ｈの穴の上下の面にはパーマロイまたは純鉄の平滑化リング１３２ａ−１３２ｈが幅０．２ｍｍ、厚み０．１ｍｍで吸着して、貼り合わされている。下から２枚目の平面型永久磁石リング１３１ｇの穴径は１．４ｍｍ、同様に下から３枚目の平面型永久磁石リング１３１ｆの穴径は１．８ｍｍ、同様に４枚目の平面型永久磁石リング１３１ｅの穴径は２．２ｍｍ、同様に５枚目の平面型永久磁石リング１３１ｄの穴径は２．６ｍｍ、同様に６枚目の平面型永久磁石リング１３１ｃの穴径は３ｍｍ、同様に７枚目の平面型永久磁石リング１３１ｂの穴径は３．４ｍｍ、同様に８枚目（一番上）の平面型永久磁石リング１３１ａの穴径は３．８ｍｍである。
平面型永久磁石リング１３１ａ−１３１ｈの材質はネオジムである。サマリウムコバルトを用いても良い。

平面型永久磁石リング１３１ａ−１３１ｈと幅が狭く厚みが薄い高透磁率の強磁性体材料の磁化平滑化リング１３２ａ−１３２ｈの内径を一致させて、永久磁石リング１３１ａ−１３１ｈと平滑化リング１３２ａ−１３２をＺ軸方向に交互に積層することにより、同様の目的を達成することもできる。

図９はさらに別の実施例について示す。平面型永久磁石リング１４１は、中空円筒型であり、その内面は、円筒状の穴であるがこの場合には穴径は４ｍｍである。平面型永久磁石リング１４１はネオジムの高温耐性のあるものを使用する。この材料は２０℃から２００℃まで磁化が低減することがない材料を使用している。平面型永久磁石リング１４１の円筒状の穴であるが、永久磁石リング１４１の内面には平滑化リング１２４と非磁性体１２５をＺ方向に積層し、研削または放電加工等で薄い被覆円筒を形成して貼り付けてある。図では模式的に示してあるが、中心穴の側面の平滑化リング１２４は幅０．１ｍｍ厚み０．１ｍｍで、非磁性体１２５は幅０．１ｍｍで厚み０．５ｍｍから１ｍｍである。
さらに、平面型永久磁石リング１４１の下面には、平滑化リング１４２を使用して磁化の軸対称均一化を得ることが必要である。平滑化リング１４２の内径は４ｍｍで永久磁石リング１４１の内径と同一である。平滑化リング１４２のＺ軸方向のリングの厚みは０．２ｍｍから０．５ｍｍである。平滑化リング１４２の半径方向の長さは、永久磁石リング１４１より小さく、その１．３程度である。反射電子検出器１１９は平面型永久磁石リングの下面に非磁性体１２０を介しついている。補正用平面型永久磁石リング１１８は平面型永久磁石リング１４１の上面の外部半分に磁力で吸着されている。

図１０はさらに別の実施例について示す。平面型永久磁石リング１５１の内面は円筒状の穴で穴径は４ｍｍである。永久磁石リング１５１はネオジムの高温耐性２００℃の材料を使用している。
平面型永久磁石リングの円筒状の穴であるが、内面には平滑化リング１２４と非磁性体１２５を積層し、研削または放電加工等で薄い被覆円筒を形成して貼り付けてある。図では模式的に示してあるが、中心穴の側面の平滑化リング１２４は幅０．１ｍｍ厚み０．１ｍｍで、非磁性体１２５は幅０．１ｍｍで厚み０．５ｍｍから１ｍｍである。
平面型永久磁石リングの下面には、平滑化リング１５３を設けてあり、これによって磁化の軸対称均一化を得る。
平滑化リング１５３の最も小さなリングの内径は４ｍｍで、リングの厚みは０．２ｍｍである。第二の平滑化リング１５３の内径は４．８ｍｍで幅は０．２ｍｍである。第三の平滑化リング１５３の内径は５．２ｍｍで幅は ０．２ｍｍである。
３枚の平滑化リング１５３は、非磁性材料のフィルムの上に高透磁率の強磁性体材料を蒸着させ、不要部分をエッチングにより除去することで形成されている。平滑化リング同士の隙間には非磁性材料を蒸着して非磁性体１５２を配置し、平面研磨することで平坦な平滑化リング群の平面リング板を形成する。

図７〜図１０に各種の構成例を示したが、ここに用いられる永久磁石リング、平滑化リングについては、さらに別の構成とすることもできる。
図１１では、図８に示した例と同様にＺ軸方向の厚みが比較的薄い複数の永久磁石リング１６１ａ〜１６１ｆをリング状で高透磁率の強磁性体（例えば、パーマロイ）の平滑化リング１６２ａ〜１６２ｄを介して積層している。この例では、永久磁石リング１６１ａ〜１６１ｆのＺ軸方向の中心付近のもの（１６１ｃまたは１６１ｄ）の内径が４ｍｍ、外径が１８ｍｍであって、永久磁石リング１６１ａ〜１６１ｆおよび平滑化リング１６２ａ〜１６２ｄの内面および外面は下方に向けて徐々に径が小さくなるテーパ状になっている。

また、永久磁石リング１６１ａの上面には、高透磁率の強磁性体（例えば、パーマロイ）の上面用の平滑化リング１６４を配置し、永久磁石リング１６１ｆの下面には、高透磁率の強磁性体（例えば、パーマロイ）の下面用の平滑化リング１６５を配置している。
このような構成においても、平滑化リング平滑化リング１６２ａ〜１６２ｄ，１６４，１６５によって、永久磁石リング１６１ａ〜１６１ｆの磁化のばらつきによる磁界のばらつきを平滑化して、中心軸における磁界を所望のものにすることができる。
さらに、この例では、永久磁石リング１６１ａ〜１６１ｆの内径が徐々に狭くなっており、穴径が徐々に小さくなる。従って、永久磁石リング１６１ａ〜１６１ｆによって形成される中心軸（Ｚ軸）における磁界が、下方（電子の進行方向）に向けて徐々に強くなり、下方のシリコンウェハ３３にフォーカスしたビームを照射でき、レンズとしての球面収差を小さくできる。特に、永久磁石リング１６１ａ〜１６１ｆに挟まれている平滑化リング１６２ａ〜１６２ｄだけでなく、最上の永久磁石リング１６１ａの上面および最下の永久磁石リング１６５の下面にも平滑化リング１６４，１６５を配置しているため、回転軸周りの磁界を効果的に平均化でき、電子ビームの精度を向上することができる。なお、永久磁石リング１６１，平滑化リング１６２ａ〜１６２ｅの外径は必ずしも徐々に小さくなる必要はない。
図１２には、全体構成を示してある。このように、他の部分には、上述した実施形態の構成が適宜採用できる。
図１３の例では、永久磁石リング１７１ａ〜１７１ｅの間に介在させる高透磁率の強磁性体（例えば、パーマロイ）の平滑化リング１７２ａ〜１７２ｄのそれぞれを同心円状の複数の径の異なるリングによって形成している。これによって、平滑化リング１７２ａ〜１７２ｄのそれぞれを構成する単位リングを半径方向の長さを小さなものにできる。従って、平滑化リング１７２ａ〜１７２ｄにおいて、磁界飽和を起こすのを防止できる。なお、上述の場合と同様に、半径方向の平滑化リングの間には、非磁性体を配置するとよい。

また、永久磁石リング１７１ａの上面の純鉄のリング１７４を配置し、永久磁石リング１７１ｆの下面には、純鉄のリング１７５を配置しているが、これらも同心円状の複数の径の異なるリングによって形成している。
このような構成においても、平滑化リング平滑化リング１７２ａ〜１７２ｄによって、永久磁石リング１７１ａ〜１７１ｆの磁化のばらつきによる磁界のばらつきを平滑化して、中心軸における磁界を所望のものにすることができる。
図１４の例では、永久磁石リング１８１ａ〜１８１ｅの間に介在させる高透磁率の強磁性体（例えば、パーマロイ）の平滑化リング１８２ａ〜１８２ｄのそれぞれを、内周面を永久磁石リング１８１ａ〜１８１ｅと同一としているが、その外径の小さなものにしている。そして、永久磁石リング１８１ａ〜１８１ｅの外周側には、リング状の非磁性体１８３ａ〜１８３ｄを介在させている。
このような構成によっても、平滑化リング１７２ａ〜１７２ｄのそれぞれを半径方向の長さを小さなものにできる。従って、平滑化リング１７２ａ〜１７２ｄにおいて、磁界飽和を起こすのを防止できる。

また、永久磁石リング１８１ａの上面の純鉄のリング１８４を配置し、永久磁石リング１８１ｆの下面には、純鉄のリング１５を配置しているが、これらも同心円状の複数の径の異なるリングによって形成している。
このような構成においても、平滑化リング平滑化リング１８２ａ〜１８２ｄによって、永久磁石リング１８１ａ〜１８１ｆの磁化のばらつきによる磁界のばらつきを平滑化して、中心軸における磁界を所望のものにすることができる。

マルチコラムを形成するためには、２５ｍｍ以下のコラムをφ３００ｍｍウェハ上に１００本近く並べる必要がある。
このための発熱を抑えるためには、対物投影レンズをすべて永久磁石で形成することが不可欠である。
永久磁石では、製造プロセス上の問題として、磁化容易化軸を磁界で揃えてプレスを行うので、プレス成形途中で、永久磁石微粉末の摩擦により、磁化容易化軸またはスピンの方向が、全体の磁化軸から僅かに外れて、平面内磁化の不均一性が不可避になる。また永久磁石開口の側面と永久磁石の外径面では本来、面と並行な磁化しかなく、面から出入りする磁力線はなく、軸に関して完全軸対称のレンズ磁界が必要であるのに、永久磁石では一般的に製造プロセスから、この条件は満足されなかった。

一方、線状または針状の永久磁石材料の粉体を、磁界を印加しながら印加磁界と垂直な方向からプレス力を与えてプレスすれば、理想的な方向に磁化を揃えた永久磁石ができる可能性はあるが、発明以来２０年以上経過したネオジムの世界においても、このような理想的な方向に磁化を揃えた磁石は未だない。更に、微細粉体であれば磁界印加を断続して行い、微細振動を繰り返すこと、ないしは微細粉体の摩擦を低減する材料を微細粉体間に入れておいて、微細粉体のスピン軸すなわち磁化容易化軸を全体の方向に合致させる条件があるかもしれないが、同様に発明以来２０年以上経過した現状のネオジムの世界においても、このような理想的な方向に磁化を揃えた磁石は未だない。

そこで、磁性体については、ストリップキャスティングと呼ばれる粉体形成技術を用いて、なるべく磁化不均一性が出ないようにしている。更に磁性材料として、高温耐性の良いものを選択して、不均一性の最も少ない永久磁石材料を選択している。しかし、このような努力においても、磁化の不均一性を３から５％程度以下にすることは困難であった。

本実施形態では、永久磁石表面を近軸の付近まで露出させて強磁場をレンズとして使用することを可能とするために、軸非対称な不均一性を均一化し、完全な軸対称磁界に限りなく近づくようにしている。その手段は、幅と厚みの小さい高透磁率の強磁性体リングを永久磁石表面に被覆せしめ磁化平滑化リングとすることによって、軸の周りの回転方向に均一な磁界を形成するようにしている。このために永久磁石を用いた0．5テスラの磁界を用いた極めて短焦点のレンズを形成できるようになった。そのために、電子ビームの収束半角を10mrad 以上にでき、クーロン効果による、ビームボケを5nm以下にできる。また球面収差による最小錯乱円の半径を４nm以下にできる。高透磁率の強磁性体リングとは、主に純鉄、パーマロイ、スーパーマロイである。純鉄は比透磁率が5000程度と低めであるが、飽和磁束密度は2テスラである。パーマロイは比透磁率が200000であるが、飽和磁束密度は1テスラである。スーパーマロイは比透磁率が1000000であるが、飽和磁束密度は0．8テスラである。比透磁率は真空の透磁率を１とした時の各材料の透磁率を表している。磁気回路のシミュレーションによって、各部位で磁界飽和を起こさないように、システム設計しなくてはならない。

以上の幅と厚みの小さい高透磁率の強磁性体リングを永久磁石表面に被覆せしめ磁化平滑化リングとすることにより、永久磁石を電子レンズとして使用できるようになり、高速描画可能な大電流と低収差レンズの実現が可能となり、マルチコラム電子ビーム描画装置が可能となる。これにより、1時間当たりφ３００ｍｍウェハを10枚の速度で描画できかつ、10 nm以下の微細パターン描画が可能となって、電子ビーム描画装置がLSIウェハの描画にようやく使用できるものとなる。従って２０枚１セットで５億円以上する高価なマスクも必要なく、完全マスクレス描画が可能となる。マスクコストの費用負担を減らして、年間５０００億円以上の価格低減効果が得られる企業が存在すると考えられる。
本実施形態によれば、２５ｍｍ直径以下のコラムが構成できて、φ３００ｍｍウェハに対して８７本のマルチコラムができて、１時間当たり、１０枚以上のスループットが出せるようになる。なおかつ１μＡという大電流をとりながら１０ｎｍという高解像度を実現することができる。将来のマスクレス微細ＬＳＩ加工技術に関してＬＳＩデバイス製造技術として、多大な貢献を成す。

本発明の電子ビーム描画方法により、８ｎｍあるいはそれよりも微細なパターン描画が高速にできるので、高速のＭＰＵ，人工知能ＭＰＵなどの将来の基幹産業となる６ｎｍ以下の寸法のデバイスの高速露光が可能となり、産業界に寄与することは多大である。

(関連技術)
図１５と図１６は、上述した本発明の要旨から外れる。しかし、本発明の課題であった問題の全く別の解決手段を示すものである。以下の案の趣旨は、強磁性体の薄いリング材料を用いて、永久磁石の磁化のバラつきを平滑化しようとするものではない。
しかしながら、以下に述べる手段は真っ向から、上下面の磁化を均一化した平面型永久磁石リングを製作する技術を目指したものである。更に平面型永久磁石リングの内部の穴の側面と外部円筒面の側面には、完全に面の方位に平行なスピンすなわち磁化方向を有する微粒子粉体が整列して並び、平面型永久磁石リングの内部の穴の側面と外部円筒面の側面からは、面から外れた方向のスピンすなわち磁化方向の微粉末がない形態を目指すものである。

以下のいろいろな解決策は、現実的には本発明の請求範囲に記載された内容よりも、コスト的に高価な方法であると思われる。しかし、実現した場合には本発明の請求項を使用しなくても、完全に均一磁界の平面型永久磁石リングを得ることができるために有用な手段であるので、ここに記しておく。

図１５は、３つの均一磁化を有する平面型永久磁石リングの形成方法を示している。
１５ａは、中心に穴の開いた円形リングを８等分して、扇型の形状で、上下の面は平面であるところの部材を８個制作し、８個の永久磁石片のすべての磁化が完全に一致するように選別し、品質が揃った１組の永久磁石片を強力な接着材で接着したものである。リング面は４５度に分割し８個の永久磁石片としたが、１６、２０、２４個などの多数個であっても良い。

１５ｂは、リングの軸方向に着磁容易化軸を持つ材料で、かつ断面が１ｍｍから数μｍの径の細長い円柱状の永久磁石を、長手方向が軸に揃うように、固定し互いに接着したものである。個別の微細化断面永久磁石の磁化強度の等しいものを選別し、これらの群を充分稠密に接着し、全体として均一な、上下面の磁化を有するように製作したものである。平面型永久磁石リングの内部の穴の側面と外部円筒面の側面には、完全に面の方位に平行なスピンすなわち磁化方向を有する微粒子粉体が整列して並び、平面型永久磁石リングの内部の穴の側面と外部円筒面の側面からは、面から外れた方向のスピンすなわち磁化方向の微粉末がない形態を目指すものである。
上述では微細化断面永久磁石については円柱状としたが、角柱状、多角形柱状などでもよい。

１５ｃはリングの半径方向中央部に穴を開けた部材と、この穴に丁度入る円柱状の、軸方向に着磁容易化軸を持つ永久磁石群を準備する。円柱状の、軸方向に着磁容易化軸を持つ永久磁石群の磁化強度を計測し、選別した後に、リングの半径方向中央部に穴を開けた部材の穴に嵌入し、接着したものである。穴の数はの１５ｃでは１２個であるが更に多くても良い。本説明では、リングの穴の形状を円形としたが、円形は角形でも多角形でもよい。

図１６は同様の関連技術に関して示す。１６ａでは不均一な永久磁石のリングの上下の平面にリングの外径と内径の差の半分よりも直径の小さい，かつ厚みがリング磁石の数分の１から２０分の１の薄型平面円板型永久磁石２５２、２５３を貼り付けて、全体として軸の回転方向の対称性の良いリング状永久磁石を形成するものである。

１６ｂでは不均一な永久磁石のリングの上下の平面から出る磁力線の分布について示している。中心軸を含むリングの断面では、磁化強度が不均一であるので、
１６ｂに示すように、紙面内で磁力線が消え、紙面を突き抜けて行くことがある。
そこで、１６ｃに示すように薄型平面円板型永久磁石を上下の面に貼り付けて、軸対称性のよいリング磁石とするものである。この時磁力線は紙面内で、上下の面を結ぶ磁力線となる。図１６の薄型平面円板型永久磁石は円板でなくとも四角板でも良いし、形状も多角形でも良い。また厚みを変化させて、リング磁界の軸対称性が良くなるように調整してもよい。

１ 軸対称形状の永久磁石
２ 上部磁極
３ 下部磁極
４ 磁路
５ とめネジ
６ 非磁性体充填材
７ カバー
８ 試料
９ 外側ギャップ
１０ 内側ギャップ
３１ コラムセル
３２ コラムセルを多数並べたマルチコラム
３３ φ３００ｍｍウェハ
３４ 電子銃
３５ 第一の矩形アパーチャ
３６ 第一のレンズ
３７ マスク偏向器１
３８ マスク偏向器２
３９ 第二のレンズ
４０ キャラクタプロジェクションマスク
４１ マスク偏向のダイナミックフォーカスコイル
４２ 第三のレンズ
４３ マスク偏向器３
４４ マスク偏向器４
４５ 縮小レンズ
４６ リフォーカシングコイル
４７ ラウンドアパーチャ
４８ 対物投影レンズ
４９ 位置決め偏向器
６０ 電子銃
６１ サプレッサー電極
６２ 引き出し電極
６３ 陽極（アース電位）
６４ 第一のレンズ
６５ 第一のラウンドアパーチャ
６６ 第二のレンズ
６７ ＰＳＡ(programmable shaping aperture)
６８ 第三のレンズ
６９ 全体ブランキング電極
７０ 第二のラウンドアパーチャ
７１ 縮小レンズ
７２ 位置決め偏向器
７３ 対物投影レンズ
８１ 固定板
８２ プレス板
８３ プレス力
８４ プレス中の印加磁界
８５ 焼結後の着磁用印加磁界
８６ 平面型永久磁石リング
９１ａ，９１ｂ，９１ｃ 微細磁性粉体の磁界の方向
９２ａ，９２ｂ，９２ｃ プレス後の微細磁性粉体の磁界の方向
９３ａ，９３ｂ，９３ｃ 焼結後の微細磁性粉体の磁界の方向
９４ａ，９４ｂ，９４ｃ 着磁後の微細磁性粉体の磁界の方向
１０１ a−１０１ｈ 平面型永久磁石リングの上面または下面の回転方向に８等分する点の磁界測定点
１０２ａ 平面型永久磁石リングの上面から出る磁力線
１０２ｂ 平面型永久磁石リングの上面から出てリング穴の内部を通り、下面に戻る磁力線
１０２ｃ 平面型永久磁石リングの上面から出てリングの外径の外側を通り、下面に戻る磁力線
１０３ａ−１０３ｈ １０１ａ−１０１ｈの計測点における磁化による磁界強度
１０４ ８点の磁化による磁界強度の平均値
１１１ 冷却用冷媒流路
１１２ 冷却用冷媒流路円筒
１１３ 冷却用冷媒流入部
１１４ 冷却用冷媒流出部
１１５ 非磁性体
１１６ 支持体
１１７ 補正用コイル
１１８ 補正用平面型永久磁石リング
１１９ 反射電子検出器
１２０ 非磁性体
１２１ 平面型永久磁石リング
１２２ 平滑化リング
１２３ 非磁性体
１２４ 平滑化リング
１２５ 非磁性体
１２６ 最外周の純鉄の円筒
１３１ａ−１３１ｈ 平面型永久磁石リング
１３２ａ−１３２ｈ 平滑化リング
１４１ 平面型永久磁石リング
１４２ 平滑化リング
１５１ 平面型永久磁石リング
１５２ 非磁性体
１５３ 平滑化リング
２０１ 平面型永久磁石リング
２０２ａ−２０２ｌ 扇形永久磁石部品
２１１ 平面型永久磁石リング
２１２ 微細断面を持つ円柱状の永久磁石部品
２２１ 円形貫通口を１２個開けた平面型永久磁石リング
２２２ 円形貫通口に嵌入する円柱状永久磁石棒
２５１ 平面型永久磁石リング
２５２、２５３ 薄型平面円板型永久磁石
２６１ 磁化の不均一性のために紙面を横切る磁力線
２６２ 磁化を均一化したために平面内では紙面をよぎらない磁力線

Claims (11)

1. 電子ビームが通過するＺ軸に対して、中心磁界の方向が向くＺ軸方向着磁の永久磁石リングと、
   前記永久磁石リングの上面、下面、または内周面の中の少なくとも１つに配置され、Ｚ軸方向の厚みが前記永久磁石リングの厚みより小さく、高透磁率の強磁性体材料からなり、前記永久磁石リングと同心状に配置される磁界平滑化リングと、
   を有し、
   前記磁界平滑化リングを用いて永久磁石リング表面を被覆することにより、前記永久磁石リングの面磁化における円周方向の強度ばらつきに基づく磁界のばらつきを平滑化する電子レンズ。
2. 請求項１に記載の電子レンズであって、
   前記永久磁石リングのＺ軸を中心とした内面円型穴が、Ｚ軸方向に試料面に向かう方向に連続的に半径が小さくなる穴である電子レンズ。
3. 請求項１に記載の電子レンズであって、
   前記永久磁石リングのＺ軸を中心とした内面円型穴が、
   Ｚ軸方向に試料面に向かう方向に、段階的に半径が小さくなる円筒型の穴のあいた単位永久磁石リングを、順次積層して形成される電子レンズ。
4. 請求項３に記載する電子レンズであって、
   前記単位永久磁石リングの上面または下面の内径と一致する、単位平滑化リングを設置した円板を一組とし、内径の異なる複数の円板の組を積層する電子レンズ。
5. 請求項４に記載する電子レンズであって、
   前記単位永久磁石リングと前記単位平滑化リングを積層することによって、これらの積層物は、試料面に向かって突き出した形状を有する電子レンズ。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子レンズであって、
   前記永久磁石リングの上面または下面が、前記永久磁石リングを固定する高透磁率の強磁性体の支持部材に固定される電子レンズ。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載する電子レンズであって、
   前記永久磁石リングと前記磁界平滑化リングの内径を一致させて積層する電子レンズ。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載する電子レンズであって、
   前記永久磁石リングの外周部に、Ｚ軸上最大磁界の値を変化させる補正用リング永久磁石設置する電子レンズ。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載する電子レンズであって、
   前記永久磁石リングの外周部を純鉄の円筒で取り囲む電子レンズ。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載した電子レンズを用いた電子ビーム装置。
11. 請求項１〜９のいずれか１つに記載した電子レンズを用いたマルチコラム電子ビーム装置。