JP2015204450A - 電子ビーム描画装置、及び電子ビームの収束半角調整方法 - Google Patents

Abstract

【目的】従来よりもさらに分解能を向上させる装置を提供する。
【構成】本発明の一態様の電子ビーム描画装置は、電子ビームを放出する電子銃機構２３０と、光軸方向に対して電子銃機構よりも後側に配置され、電子銃機構の高さ位置を可変に調整可能な高さ調整機構２１６と、光軸方向に対して高さ調整機構よりも後側に配置され、電子ビームを収束させる電子レンズ２１１と、電子銃機構の高さ位置が可変に調整されて変化した高さ位置ごとに、所定の位置に電子ビームがクロスオーバーを形成するように電子レンズを制御するレンズ制御部と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビーム描画装置、及び電子ビームの収束半角調整方法に係り、例えば、電子ビームを試料上に照射する電子ビーム描画装置における電子ビームの収束半角を調整する方法に関する。

近年、ＬＳＩの高集積化に伴い、半導体デバイスの回路線幅はさらに微細化されてきている。これらの半導体デバイスへ回路パターンを形成するための露光用マスク（レチクルともいう。）を形成する方法として、優れた解像性を有する電子ビーム（ＥＢ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ）描画技術が用いられる。

図１０は、可変成形型電子線描画装置の動作を説明するための概念図である。
可変成形型電子線描画装置は、以下のように動作する。第１のアパーチャ４１０には、電子線３３０を成形するための矩形の開口４１１が形成されている。また、第２のアパーチャ４２０には、第１のアパーチャ４１０の開口４１１を通過した電子線３３０を所望の矩形形状に成形するための可変成形開口４２１が形成されている。荷電粒子ソース４３０から照射され、第１のアパーチャ４１０の開口４１１を通過した電子線３３０は、偏向器により偏向され、第２のアパーチャ４２０の可変成形開口４２１の一部を通過して、所定の一方向（例えば、Ｘ方向とする）に連続的に移動するステージ上に搭載された試料３４０に照射される。すなわち、第１のアパーチャ４１０の開口４１１と第２のアパーチャ４２０の可変成形開口４２１との両方を通過できる矩形形状が、Ｘ方向に連続的に移動するステージ上に搭載された試料３４０の描画領域に描画される。第１のアパーチャ４１０の開口４１１と第２のアパーチャ４２０の可変成形開口４２１との両方を通過させ、任意形状を作成する方式を可変成形方式（ＶＳＢ方式）という。

ここで、電子ビーム描画では、マスク生産においてはスループットを重要視する。一方、次世代のリソグラフィ開発のための種々な評価を行うためには、より微細なパターンの形成が求められる。すなわち、かかる場合にはビームの分解能を重要視する。

スループットを重要視する観点から、電子銃のカソードの輝度を上げると、カソード放出直後の電子ビームのクロスオーバー径等のカソード条件が変化し、分解能が悪くなってしまう場合がある。

一方、分解能は電子光学系収差に依存し、電子光学系収差は収束半角の累乗に比例する。そして、収束半角は、電子ビームのクロスオーバー径に依存する。そのため、分解能を重要視する観点からは、収束半角を小さくするべく、電子銃から放出された電子ビームを照明レンズの励磁を強めて絞ることで、ビームのクロスオーバー径を小さくすることが検討されている。

ここで、収束半角を小さくするには照明レンズの励磁をできるだけ大きくする必要があるが、照明レンズに使用するポールピース材料の磁気飽和等により磁束密度を上げるにも限界がある。そのため、磁束密度の限界に応じて照明レンズの励磁を大きくすることにも限界があった。そのため、照明レンズの制御により電子ビームを絞るにも限界があり、収束半角を小さくするにも限界があった。その結果、次世代のリソグラフィ開発のために必要とする分解能が得られなくなる場合が生じてくるといった問題があった。

さらに、収束半角を小さくすると、ビームの電流密度が小さくなってしまう。電流密度が小さくなってしまうと描画時間が長く必要となり、今度はスループットが下がってしまうといった問題があった。

ここで、複数の加速電極を用いて、ビームのクロスオーバー特性を変更する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１８２５５０号公報

そこで、本発明の態様の少なくとも１つは、上述した問題点を克服し、従来よりもさらに分解能を向上させる装置および方法を提供することを目的とする。また、本発明の態様の少なくとも１つは、スループット重視の描画処理と、分解能重視の描画処理とを行うことが可能な装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の電子ビーム描画装置は、
電子ビームを放出する電子銃機構と、
光軸方向に対して電子銃機構よりも後側に配置され、電子銃機構の高さ位置を可変に調整可能な高さ調整部と、
光軸方向に対して高さ調整部よりも後側に配置され、電子ビームを収束させる電子レンズと、
電子銃機構の高さ位置が可変に調整されて変化した高さ位置ごとに、所定の位置に電子ビームがクロスオーバーを形成するように電子レンズを制御するレンズ制御部と、
光軸方向に対して電子レンズよりも後側に配置され、電子レンズを通過した前記電子ビームを試料上に結像する対物レンズと、
を備えたことを特徴とする。

また、高さ調整部は、複数のスペーサ部材を有すると好適である。

また、複数のスペーサ部材は、互いに高さ方向の厚さが異なると好適である。

或いは、高さ調整部は、
伸縮自在な配管と、
電子銃機構を昇降する昇降機構と、
を有すると好適である。

本発明の一態様の電子ビームの収束半角調整方法は、
電子ビームを放出する電子銃機構の高さ位置を変更する工程と、
電子銃機構から放出された電子ビームが電子レンズを通過した後の電子ビームのクロスオーバー高さ位置を電子銃機構の高さ位置を変更する前の位置に調整する工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の他の態様の電子ビームの収束半角調整方法は、
第１の描画モードが選択された場合に、電子ビームを放出する電子銃機構の高さ位置を第１の位置に調整する工程と、
第１の描画モードが選択された場合に、電子銃機構から放出された電子ビームが電子レンズを通過した後の電子ビームのクロスオーバー高さ位置を第２の位置に調整する工程と、
第１の描画モードを切り替えて第２の描画モードが選択された場合に、電子銃機構の高さ位置を光軸方向に対して第１の位置よりも高い第３の位置に調整する工程と、
第２の描画モードが選択された場合に、電子銃機構から放出された電子ビームが電子レンズを通過した後の電子ビームのクロスオーバー高さ位置を前記第２の位置に維持するように調整する工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の態様の少なくとも１つによれば、従来よりもさらに分解能を向上させることができる。また、本発明の態様の少なくとも１つによれば、さらに、スループット重視の描画処理と、分解能重視の描画処理とを行うことができる。

実施の形態１における描画装置の構成を示す概念図である。 実施の形態１における各領域を説明するための概念図である。 実施の形態１におけるクロスオーバー系光学軌道と収束半角とを説明するための図である。 実施の形態１における高さ調整機構の一例を示す構成図である。 実施の形態１における高さ調整機構の他の一例を示す構成図である。 実施の形態１におけるクロスオーバー半径と電子レンズの励磁との関係の一例を説明するための図である。 実施の形態１におけるクロスオーバー位置がブランキング偏向器の中心高さ位置に制御されている場合のブランキング電圧変動の有無を比較した概念図である。 実施の形態１におけるクロスオーバー位置がブランキング偏向器の中心高さ位置からずれた位置に制御されている場合のブランキング電圧変動の有無を比較した概念図である。 実施の形態１におけるブランキング動作時の偏向支点位置とクロスオーバー位置との関係を示す図である。 可変成形型電子線描画装置の動作を説明するための概念図である。

以下、実施の形態では、荷電粒子ビームの一例として、電子ビームを用いた構成について説明する。但し、荷電粒子ビームは、電子ビームに限るものではなく、イオンビーム等の荷電粒子を用いたビームでも構わない。また、荷電粒子ビーム装置の一例として、可変成形型の描画装置について説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における描画装置の構成を示す概念図である。図１において、描画装置１００は、描画部１５０と制御部１６０を備えている。描画装置１００は、荷電粒子ビーム描画装置の一例である。特に、可変成形型（ＶＳＢ型）の描画装置の一例である。描画部１５０は、電子銃機構２３０、高さ調整機構２１６、電子鏡筒１０２、及び描画室１０３を備えている。電子銃機構２３０内には、電子銃２０１が配置される。電子鏡筒１０２内には、電子レンズ２１１、照明レンズ２０２、ブランキング偏向器２１２、ブランキングアパーチャ２１４、第１のアパーチャ２０３、投影レンズ２０４、偏向器２０５、第２のアパーチャ２０６、対物レンズ２０７、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９が配置されている。描画室１０３内には、ＸＹステージ１０５が配置される。ＸＹステージ１０５上には、描画時には描画対象となるマスク等の試料１０１が配置される。試料１０１には、半導体装置を製造する際の露光用マスクが含まれる。また、試料１０１には、レジストが塗布された、まだ何も描画されていないマスクブランクスが含まれる。ブランキング偏向器２１２として、例えば１対の電極が用いられる。

高さ調整機構２１６（高さ調整部）は、光軸方向に対して電子銃機構２３０よりも試料側（以後、後側という）に配置され、電子銃機構２３０の高さ位置を可変に調整する。電子鏡筒１０２は、光軸方向に対して高さ調整機構２１６よりも後側に配置される。すなわち、電子レンズ２１１、照明レンズ２０２、ブランキング偏向器２１２、ブランキングアパーチャ２１４、第１のアパーチャ２０３、投影レンズ２０４、偏向器２０５、第２のアパーチャ２０６、対物レンズ２０７、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９は、光軸方向に対して高さ調整機構２１６よりも後側に配置される。電子レンズ２１１は、高さ調整機構２１６とブランキング偏向器２１２との間に配置される。

また、電子銃２０１は、カソード３２０、ウェネルト３２２、及びアノード３２４を有している。カソード３２０として、例えば、六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）結晶等を用いると好適である。ウェネルト３２２は、カソード３２０とアノード３２４との間に配置される。また、アノード３２４は、接地され、電位がグランド電位に設定されている。電子銃２０１には、図示しない電子銃電源装置が接続される。そして、高さ調整機構２１６は、電子銃機構２３０と電子鏡筒１０２との間に配置される。

制御部１６０は、制御回路１２０、ＤＡＣ（デジタル・アナログコンバータ）アンプ１２２、及びレンズ制御回路１３０を有している。

ここで、図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成を記載している。描画装置１００にとって、通常、必要なその他の構成を備えていても構わない。例えば、位置偏向用には、主偏向器２０８と副偏向器２０９の主副２段の多段偏向器を用いているが、１段の偏向器或いは３段以上の多段偏向器によって位置偏向を行なう場合であってもよい。また、描画装置１００には、マウスやキーボード等の入力装置、及びモニタ装置等が接続されていても構わない。また、図１の例では、ブランキングアパーチャ２１４が、第１のアパーチャ２０３よりも上方側に配置されているが、これに限るものではなく、ブランキング動作が可能である位置であれば構わない。例えば、第１のアパーチャ２０３或いは第２のアパーチャ２０６よりも下方側に配置されても構わない。

図２は、実施の形態１における各領域を説明するための概念図である。図２において、試料１０１の描画領域１０は、主偏向器２０８のＹ方向偏向可能幅である、短冊状の複数のストライプ領域２０に仮想分割される。また、各ストライプ領域２０は、副偏向器２０９の偏向可能サイズである複数のサブフィールド（ＳＦ）３０（小領域）に仮想分割される。そして、各ＳＦ３０の各ショット位置にショット図形５２，５４，５６が描画される。

制御回路１２０からブランキング制御用のＤＡＣアンプ１２２に対して、ブランキング制御用のデジタル信号が出力される。そして、ブランキング制御用のＤＡＣアンプ１２２では、デジタル信号をアナログ信号に変換し、増幅させた上で偏向電圧として、ブランキング偏向器２１２に印加する。かかる偏向電圧によって電子ビーム２００が偏向させられ、各ショットの照射時間（照射量）が制御される。

制御回路１２０から図示しないＤＡＣアンプに対して、主偏向制御用のデジタル信号が出力される。そして、主偏向制御用のＤＡＣアンプでは、デジタル信号をアナログ信号に変換し、増幅させた上で偏向電圧として、主偏向器２０８に印加する。かかる偏向電圧によって電子ビーム２００が偏向させられ、各ショットのビームがメッシュ状に仮想分割された、目標となるＳＦ３０の基準位置に偏向される。

制御回路１２０から図示しないＤＡＣアンプに対して、副偏向制御用のデジタル信号が出力される。そして、副偏向制御用のＤＡＣアンプでは、デジタル信号をアナログ信号に変換し、増幅させた上で偏向電圧として、副偏向器２０９に印加する。かかる偏向電圧によって電子ビーム２００が偏向させられ、各ショットのビームが対象となるＳＦ３０内の各ショット位置に偏向される。

描画装置１００では、複数段の多段偏向器を用いて、ストライプ領域２０毎に描画処理を進めていく。ここでは、一例として、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９といった２段偏向器が用いられる。ＸＹステージ１０５が例えば−ｘ方向に向かって連続移動しながら、１番目のストライプ領域２０についてｘ方向に向かって描画を進めていく。そして、１番目のストライプ領域２０の描画終了後、同様に、或いは逆方向に向かって２番目のストライプ領域２０の描画を進めていく。以降、同様に、３番目以降のストライプ領域２０の描画を進めていく。そして、主偏向器２０８が、ＸＹステージ１０５の移動に追従するように、ＳＦ３０の基準位置に電子ビーム２００を順に偏向する。また、副偏向器２０９が、各ＳＦ３０の基準位置から当該ＳＦ３０内に照射されるビームの各ショット位置に電子ビーム２００を偏向する。このように、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９は、サイズの異なる偏向領域をもつ。そして、ＳＦ３０は、かかる複数段の偏向器の偏向領域のうち、最小偏向領域となる。

カソード３２０に負の加速電圧が印加され、ウェネルト３２２に負のバイアス電圧が印加された状態で、カソード３２０を加熱すると、カソード３２０から電子（電子群）が放出され、放出電子（電子群）は、収束点（クロスオーバー：Ｃ．Ｏ．）を形成した（カソードクロスオーバー）後に広がり、加速電圧によって加速されて電子ビームとなってアノード３２４に向かって進む。そして、アノード３２４に設けられた開口部を電子ビームが通過して、電子ビーム２００が電子銃２０１から放出されることになる。

電子銃２０１（放出部）から放出された電子ビーム２００は、電子レンズ２１１により例えばブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置（所定の位置の一例）に収束させられ、収束点（クロスオーバー：Ｃ．Ｏ．）を形成する。そして、光軸方向に対して電子レンズ２１１よりも後側に配置されたブランキング偏向器２１２内を通過する際に、ブランキング用のＤＡＣアンプ１２２からの偏向信号によって制御されるブランキング偏向器２１２によって、ビームのＯＮ／ＯＦＦが制御される。言い換えれば、ブランキング偏向器２１２は、ビームＯＮとビームＯＦＦとを切り替えるブランキング制御を行う場合に、電子ビームを偏向する。光軸方向に対してブランキング偏向器２１２よりも後側に配置されたブランキングアパーチャ２１４（ブランキングアパーチャ部材）によって、ビームＯＦＦの状態になるように偏向された電子ビームは遮蔽される。すなわち、ビームＯＮの状態では、ブランキングアパーチャ２１４を通過するように制御され、ビームＯＦＦの状態では、ビーム全体がブランキングアパーチャ２１４で遮へいされるように偏向される。ビームＯＦＦの状態からビームＯＮとなり、その後ビームＯＦＦになるまでにブランキングアパーチャ２１４を通過した電子ビーム２００が１回の電子ビームのショットとなる。ブランキング偏向器２１２は、通過する電子ビーム２００の向きを制御して、ビームＯＮの状態とビームＯＦＦの状態とを交互に生成する。例えば、ビームＯＮの状態では電圧０Ｖを印加し（或いは電圧を印加せず）、ビームＯＦＦの際にブランキング偏向器２１２に数Ｖの電圧を印加すればよい。かかる各ショットの照射時間ｔで試料１０１に照射される電子ビーム２００のショットあたりの照射量が調整されることになる。

以上のようにブランキング偏向器２１２とブランキングアパーチャ２１４を通過することによって生成された各ショットの電子ビーム２００は、照明レンズ２０２により矩形の穴を持つ第１の成形アパーチャ２０３全体を照明する。ここで、電子ビーム２００をまず矩形に成形する。そして、第１の成形アパーチャ２０３を通過した第１のアパーチャ像の電子ビーム２００は、投影レンズ２０４により第２の成形アパーチャ２０６上に投影される。偏向器２０５によって、かかる第２の成形アパーチャ２０６上での第１のアパーチャ像は偏向制御され、ビーム形状と寸法を変化させる（可変成形を行なう）ことができる。かかる可変成形はショット毎に行なわれ、通常ショット毎に異なるビーム形状と寸法に成形される。そして、第２の成形アパーチャ２０６を通過した第２のアパーチャ像の電子ビーム２００は、対物レンズ２０７により焦点を合わせ、主偏向器２０８及び副偏向器２０９によって偏向され、連続的に移動するＸＹステージ１０５に配置された試料１０１の所望する位置に照射される。言い換えれば、光軸方向に対してブランキングアパーチャ２１４よりも後側に配置された対物レンズ２０７により、ビームＯＮの電子ビームを試料１０１上に結像する。図１では、位置偏向に、主副２段の多段偏向を用いた場合を示している。かかる場合には、主偏向器２０８でＳＦ３０の基準位置にステージ移動に追従しながら該当ショットの電子ビーム２００を偏向し、副偏向器２０９でＳＦ内の各照射位置にかかる該当ショットのビームを偏向すればよい。かかる動作を繰り返し、各ショットのショット図形を繋ぎ合わせることで、描画データに定義された図形パターンを描画する。

図３は、実施の形態１におけるクロスオーバー系光学軌道と収束半角とを説明するための図である。図３（ａ）は、スループット重視の描画モード１（第１の描画モード）でのクロスオーバー系光学軌道を示している。図３（ｂ）では、分解能重視の描画モード２（第２の描画モード）でのクロスオーバー系光学軌道を示している。図３（ａ）に示す描画モード１と図３（ｂ）に示す描画モード２は、電子銃２０１の高さ位置が異なる。その他の構成の配置関係は同じである。図３（ａ）と図３（ｂ）では、ブランキング制御において、いずれもビームＯＮの状態を示している。

図３（ａ）において、電子銃２０１（放出部）にてカソードクロスオーバー（Ｃ．Ｏ．半径ｒ_０）形成後の電子ビーム２００は、電子鏡筒２０１内に進行し、電子レンズ２１１によりブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置に収束させられ、第１のクロスオーバー（Ｃ．Ｏ．半径ｒ_１）を形成する。第１のクロスオーバー形成後の電子ビーム２００は、照明レンズ２０２により第１の成形アパーチャ２０３を通過後の高さ位置に収束させられ、第２のクロスオーバー（Ｃ．Ｏ．半径ｒ_２）を形成する。第２のクロスオーバー形成後の電子ビーム２００は、投影レンズ２０４と対物レンズ２０７による縮小光学系により縮小され、対物レンズ２０７と試料１０１面との間の高さ位置（試料１０１面から高さｚの位置）に収束させられ、第３のクロスオーバー（Ｃ．Ｏ．半径ｒ_３）を形成する。そして、第３のクロスオーバー形成後の電子ビーム２００は、試料１０１面に照射される。かかる場合の各クロスオーバーにおけるクロスオーバー半径は、次のように定義することができる。

第１のクロスオーバーにおけるクロスオーバー半径ｒ_１は、電子レンズ２１１による収束倍率Ｍ１を用いて、次の式（１）で定義することができる。
（１） ｒ_１＝ｒ_０・Ｍ１

ここで、倍率Ｍ１は、カソードクロスオーバー位置と電子レンズ２１１の磁場中心高さ位置との距離ａと、電子レンズ２１１の磁場中心高さ位置と第１のクロスオーバー高さ位置との距離ｂと、を用いて、次の式（２）で定義することができる。
（２） Ｍ１＝ｂ／ａ

そして、第２のクロスオーバーにおけるクロスオーバー半径ｒ_２は、照明レンズ２０２による収束倍率Ｍ２を用いて、ｒ_２＝ｒ_１・Ｍ２で定義することができる。同様に、第３のクロスオーバーにおけるクロスオーバー半径ｒ_３は、投影レンズ２０４と対物レンズ２０７による縮小光学系による収束倍率Ｍ３を用いて、ｒ_３＝ｒ_２・Ｍ３で定義することができる。よって、試料１０１面の直近の第３のクロスオーバーにおけるクロスオーバー半径ｒ_３は、次の式（３）で定義することができる。
（３） ｒ_３＝ｒ_０・Ｍ１・Ｍ２・Ｍ３＝ｒ_０・（ｂ／ａ）・Ｍ２・Ｍ３

よって、試料１０１面と光軸が交差する１点から直近の第３のクロスオーバーの端を見た際の光軸からの角度（収束半角）α、言い換えれば、光軸線と、試料１０１面と光軸が交差する１点と試料１０１面の直近の第３のクロスオーバー端とを結ぶ線との間の角度（収束半角）αは、次の式（４）で定義することができる。
（４） α＝ｔａｎ^−１（ｒ_３／ｚ）

分解能は電子光学系収差に依存し、電子光学系収差は収束半角αの累乗に比例する。そして、収束半角αは、式（４）に示すように、電子ビームのクロスオーバー径ｒ_３に依存する。よって、分解能を重要視する観点からは、収束半角を小さくするためにはクロスオーバー径を小さくすることが重要であることがわかる。そのためには、式（３）に基づいて、距離ｂに対して距離ａを大きくすればよい。

そこで、実施の形態１では、高さ調整機構２１６によって、電子銃機構２３０の高さ位置を可変に調整する。すなわち、分解能を重要視する描画モード２では、図３（ｂ）に示すように、高さ調整機構２１６によって、図３（ａ）に示す描画モード１における電子銃２０１の高さ位置よりも高さＬだけ高くなるように調整する。但し、実施の形態１では、その他の光学条件を変えないようにするため、第１〜第３のクロスオーバー高さ位置は、図３（ａ）と図３（ｂ）とで同じ位置になるように調整する。具体的には、レンズ制御回路１３０（レンズ制御部）が、電子銃機構２３０の高さ位置が可変に調整されて変化した高さ位置ごとに、ブランキング偏向器２２の中心高さ位置に電子ビームがクロスオーバーを形成するように電子レンズ２１１を制御する。これにより、電子レンズ２１１以降のレンズの調整が同一条件にできる。

図３（ｂ）において、電子銃２０１（放出部）にてカソードクロスオーバー（Ｃ．Ｏ．半径ｒ_０）形成後の電子ビーム２００は、電子鏡筒２０１内に進行し、電子レンズ２１１によりブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置に収束させられ、第１のクロスオーバー（Ｃ．Ｏ．半径ｒ_１’）を形成する。第１のクロスオーバー形成後の電子ビーム２００は、照明レンズ２０２により第１の成形アパーチャ２０３を通過後の高さ位置に収束させられ、第２のクロスオーバー（Ｃ．Ｏ．半径ｒ_２’）を形成する。第２のクロスオーバー形成後の電子ビーム２００は、投影レンズ２０４と対物レンズ２０７による縮小光学系により縮小され、対物レンズ２０７と試料１０１面との間の高さ位置（試料１０１面から高さｚの位置）に収束させられ、第３のクロスオーバー（Ｃ．Ｏ．半径ｒ_３’）を形成する。そして、第３のクロスオーバー形成後の電子ビーム２００は、試料１０１面に照射される。かかる場合の各クロスオーバーにおけるクロスオーバー半径は、次のように定義することができる。

第１のクロスオーバーにおけるクロスオーバー半径ｒ_１は、電子レンズ２１１による収束倍率Ｍ１を用いて、次の式（１）で定義することができる。
（１） ｒ_１’＝ｒ_０・Ｍ１’

ここで、倍率Ｍ１は、カソードクロスオーバー位置と電子レンズ２１１の磁場中心高さ位置との距離ａと、電子レンズ２１１の磁場中心高さ位置と第１のクロスオーバー高さ位置との距離ｂと、を用いて、次の式（２）で定義することができる。
（２） Ｍ１’＝ｂ／ａ’

そして、第２のクロスオーバーにおけるクロスオーバー半径ｒ_２は、照明レンズ２０２による収束倍率Ｍ２を用いて、ｒ_２’＝ｒ_１’・Ｍ２で定義することができる。同様に、第３のクロスオーバーにおけるクロスオーバー半径ｒ_３は、投影レンズ２０４と対物レンズ２０７による縮小光学系による収束倍率Ｍ３を用いて、ｒ_３’＝ｒ_２’・Ｍ３で定義することができる。よって、試料１０１面の直近の第３のクロスオーバーにおけるクロスオーバー半径ｒ_３’は、次の式（３）で定義することができる。
（３） ｒ_３’＝ｒ_０・Ｍ１’・Ｍ２・Ｍ３＝ｒ_０・（ｂ／ａ’）・Ｍ２・Ｍ３

よって、試料１０１面と光軸が交差する１点から直近の第３のクロスオーバーの端を見た際の光軸からの角度（収束半角）α’、言い換えれば、光軸線と、試料１０１面と光軸が交差する１点と試料１０１面の直近の第３のクロスオーバー端とを結ぶ線との間の角度（収束半角）α’は、次の式（４）で定義することができる。
（４） α’＝ｔａｎ^−１（ｒ_３’／ｚ）

よって、距離ａ＜距離ａ’にすることにより、収束半角α’＜収束半角αとなり、電子銃２０１の高さ位置を高くすることで収束半角を小さくできる。その結果、電子光学系収差を小さくできると共に、分解能を高めることができる。

図４は、実施の形態１における高さ調整機構の一例を示す構成図である。図４において、高さ調整機構２１６は、複数のスペーサ部材３０２，３０４，３０６を有する。複数のスペーサ部材３０２，３０４，３０６は、中央部を電子ビームが通過可能なように中央部が開口されている。そして、外径寸法は、電子鏡筒１０２の外径寸法に合わせたサイズにすると好適である。また、複数のスペーサ部材３０２，３０４，３０６間、およびスペーサ部材３０２と電子銃機構２３０の間、およびスペーサ部材３０６と電子鏡筒１０２の間、例えば、図示しないＯ−リング等で気密性が確保されている（シールされている）。例えば、描画モード１では、図４（ａ）に示すように、電子銃機構２３０と電子鏡筒１０２とが直接接続されている。或いは、複数のスペーサ部材３０２，３０４，３０６のうちの１つを挟んで電子銃機構２３０と電子鏡筒１０２とが接続されている。描画モード２では、図４（ｂ）に示すように、電子銃機構２３０と電子鏡筒１０２とが複数のスペーサ部材３０２，３０４，３０６を挟んで接続されている。複数のスペーサ部材は、複数のスペーサ部材３０２，３０６のように、互いに高さ方向の厚さが異なる。高さ調整機構２１６は、例えば、高さ方向の厚さサイズが大きい（高い）スペーサ３０６で電子銃機構２３０の高さ位置の粗調整を行い、高さ方向の厚さサイズが小さい（低い）スペーサ３０２，３０４で電子銃機構２３０の高さ位置の微調整を行う。高さ調整機構２１６の構成は、これに限るものではない。

図５は、実施の形態１における高さ調整機構の他の一例を示す構成図である。図５において、高さ調整機構２１６は、伸縮自在な配管３１４と、電子銃機構２３０を昇降する昇降機構３１２と、を有する。配管３１４は、ベローズ配管等が好適である。かかる配管３１４で電子銃機構２３０と電子鏡筒１０２とを繋ぐことで、電子銃機構２３０と電子鏡筒１０２内の気密性を維持し、真空状態を維持できる。昇降機構３１２は、配管３１４の外側に例えば３台配置され、電子銃機構２３０を３点支持する。描画モード１では、図５（ａ）に示すように、昇降機構３１２で電子銃機構２３０の高さ位置を下げた状態にし、描画モード２では、図５（ｂ）に示すように、昇降機構３１２で電子銃機構２３０の高さ位置を上げた状態にすればよい。

よって、実施の形態１における描画方法は、モード選択工程と、電子銃機構の高さ調整工程と、クロスオーバー高さ調整工程と、モード切替工程と、電子銃機構の高さ調整工程と、クロスオーバー高さ調整工程と、を実施する。

モード選択工程として、スループット重視の描画モード１と、分解能重視の描画モード２との１つを選択する。ここでは、例えば、描画モード１を選択する。

電子銃機構の高さ調整工程として、高さ調整機構２１６は、描画モード１が選択された場合に、電子ビーム２００を放出する電子銃機構２３０の高さ位置を高さ位置Ｚ_０（第１の位置）に調整する。例えば、電子銃機構２３０の底面の高さ位置を高さ位置Ｚ_０に調整する。

クロスオーバー高さ調整工程として、描画モード１が選択された場合に、レンズ制御回路１３０は、電子レンズ２１１を用いて、電子銃機構２３０から放出された電子ビーム２００が電子レンズ２１１を通過した後の電子ビーム２００のクロスオーバー高さ位置をブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置（第２の位置）に調整する。

そして、かかる状態で、例えば、スループットが重視される製品マスクの描画を行う。続いて、例えば、分解能が重視される開発用の評価マスクの描画を行うため、描画モードを切り替える。

モード切替工程として、スループット重視の描画モード１と、分解能重視の描画モード２とのモードを切り替える。ここでは、例えば、描画モード１から描画モード２へと設定を切り替える。

電子銃機構の高さ調整工程として、高さ調整機構２１６は、描画モード１を切り替えて描画モード２が選択された場合に、電子銃機構２３０の高さ位置を光軸方向に対して高さ位置Ｚ_０よりも高い高さ位置Ｚ_１（第３の位置）に調整する。例えば、電子銃機構２３０の底面の高さ位置を高さ位置Ｚ_１に調整する。言い換えれば、電子ビームを放出する電子銃機構２３０の高さ位置を高さ位置Ｚ_０から高さ位置Ｚ_１に変更する。

クロスオーバー高さ調整工程として、描画モード２が選択された場合に、レンズ制御回路１３０は、電子レンズ２１１を用いて、電子銃機構２３０から放出された電子ビーム２００が電子レンズ２１１を通過した後の電子ビーム２００のクロスオーバー高さ位置をブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置（第２の位置）に維持するように調整する。言い換えれば、電子銃機構２３０から放出された電子ビーム２００が電子レンズ２１１を通過した後の電子ビーム２００のクロスオーバー高さ位置を電子銃機構２３０の高さ位置を変更する前の位置に調整する。

なお、描画モード２から描画モード１へと切り替える場合には、描画モード２の電子銃機構の高さ位置から描画モード１の電子銃機構の高さ位置へと調整する。そして、電子レンズ２１１を通過した後の電子ビーム２００のクロスオーバー高さ位置をブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置（第２の位置）に維持するように調整すればよい。

図６は、実施の形態１におけるクロスオーバー半径と電子レンズの励磁との関係の一例を説明するための図である。図６（ａ）では、電子レンズ２１１の励磁を高めることが可能な状態の一例を示している。図６（ａ）では、電子銃２０１にてカソードクロスオーバー形成後の電子ビーム２００は、電子鏡筒２０１内に進行し、ある高さ位置に収束させられ、第１のクロスオーバーを形成する。第１のクロスオーバー形成後の電子ビーム２００は、照明レンズ２０２によりある高さ位置に収束させられ、第２のクロスオーバーを形成する。ここで、収束半角を小さくするには電子レンズ２１１の励磁（励磁１）をできるだけ大きくする必要がある。そこで、電子レンズ２１１の励磁（励磁１）をできるだけ大きくする。かかる場合、励磁を高めたことで図６（ｂ）に示すように、電子レンズ２１１通過後の第１のクロスオーバー位置が高さ方向に高くなる位置に高さＬ’だけ移動する。これにより第１のクロスオーバー径を図６（ａ）の状態よりも小さくでき、ひいては第２のクロスオーバー以降のクロスオーバー径を図６（ａ）の状態よりも小さくできる。その結果、収束半角を図６（ａ）の状態よりも小さくできる。第２のクロスオーバー高さ位置を変えない場合、かかる動作により、照明レンズ２０２の励磁（励磁２）は逆に下げることができる。

しかし、電子レンズ２１１に使用するポールピース材料の磁気飽和等により磁束密度を上げるにも限界がある。そのため、磁束密度の限界に応じて電子レンズ２１１の励磁を大きくすることにも限界があった。そのため、照明レンズの制御により電子ビームを絞るにも限界があり、収束半角を小さくするにも限界があった。

これに対して、実施の形態１では、電子銃２０１の高さ位置を図６（ｂ）よりも高さＬだけ高くする。第１のクロスオーバー位置を変えない場合、かかる動作により、図６（ｃ）に示すように、電子レンズ２１１の励磁（励磁１）を下げることができる。これにより第１のクロスオーバー径を図６（ｂ）の状態よりも小さくでき、ひいては第２のクロスオーバー以降のクロスオーバー径を図６（ｂ）の状態よりも小さくできる。その結果、収束半角を図６（ｂ）の状態よりも小さくできる。また、第２のクロスオーバー高さ位置を変えない場合、かかる動作により、照明レンズ２０２の励磁（励磁２）は図６（ｂ）の状態と同じ状態（下げた状態）のままにできる。よって、実施の形態１によれば、磁気飽和等による限界点を超えて収束半角を小さくできる。

次に、第１のクロスオーバー位置をブランキング偏向器２１２の中心高さ位置にする理由を説明する。

ブランキング制御用のＤＡＣアンプ１２２が不安定である場合等に、ビームＯＮ時の電圧が変動する場合がある。例えば、数ｍＶの電圧変動（例えば±５ｍＶ）が生じる。あるいはもっと大きい電圧変動が生じる場合も想定される。かかる変動によって、ブランキング偏向器２１２を通過する電子ビーム２００が偏向されることになる。

図７は、実施の形態１におけるクロスオーバー位置がブランキング偏向器の中心高さ位置に制御されている場合のブランキング電圧変動の有無を比較した概念図である。図７（ａ）では、ブランキング偏向器２１２にビームＯＮ時のブランキング電圧（例えば０Ｖ）が印加され、かかるブランキング電圧に電圧変動が生じていない（或いは無視できる程度の変動である）場合を示している。また、図７（ａ）では、ブランキング動作以外のビーム偏向を成形用の偏向器２０５、副偏向器２０９、及び主偏向器２０８等によっておこなわず、例えば光軸上をビームが通過する場合を示している。図７（ａ）において、電子銃２０１（放出部）から放出された電子ビーム２００は、電子レンズ２１１によりブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置Ｈに収束点（クロスオーバー：Ｃ．Ｏ．）を形成するように制御されている。ここでは、ビームＯＮの状態なので、電子ビーム２００は、ブランキング偏向器２１２によって偏向されずに通過する。図７（ａ）では、クロスオーバー系の光路を示している。ブランキング偏向器２１２を通過した電子ビームは、照明レンズ２０２により第１の成形アパーチャ２０３全体を照明する。そして、第１の成形アパーチャ２０３を通過した第１のアパーチャ像の電子ビーム２００は、投影レンズ２０４により第２の成形アパーチャ２０６に形成された開口部上に投影される。そして、第２の成形アパーチャ２０６を通過した第２のアパーチャ像の電子ビーム２００は、対物レンズ２０７により試料１０１面上に焦点を合わせて結像する。かかる構成では、電子ビーム２００は、試料１０１面に垂直入射する。言い換えれば、ビーム入射角θが０°になる。

図７（ａ）に示した状態からブランキング偏向器２１２に印加されるブランキング電圧にビームＯＦＦにならない程度に電圧変動が生じた場合を図７（ｂ）に示している。図７（ｂ）に示すように、ブランキング電圧の電圧変動によりブランキング偏向器２１２の中心高さ位置Ｈでビームが偏向される。しかし、クロスオーバー位置がブランキング偏向器２１２の中心高さ位置に制御されている場合、ブランキング電圧の電圧変動が生じても、電子ビーム２００は、試料１０１面に垂直入射と実質的に同等の角度で入射する。言い換えれば、ビーム入射角θを略０°にできる。かかる構成では、後述するようにクロスオーバー位置が光軸上からずれないために、電子ビーム２００は、試料１０１面に垂直入射することができる。

図８は、実施の形態１におけるクロスオーバー位置がブランキング偏向器の中心高さ位置からずれた位置に制御されている場合のブランキング電圧変動の有無を比較した概念図である。図８（ａ）では、ブランキング偏向器２１２にビームＯＮ時のブランキング電圧（例えば０Ｖ）が印加され、かかるブランキング電圧に電圧変動が生じていない（或いは無視できる程度の変動である）場合を示している。また、図８（ａ）では、ブランキング動作以外のビーム偏向、例えば、成形用の偏向器２０５、副偏向器２０９、及び主偏向器２０８等による偏向動作をおこなわず、例えば光軸上をビームが通過する場合を示している。図８（ａ）において、電子銃２０１（放出部）から放出された電子ビーム２００は、電子レンズ２１１によりブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置Ｈより例えば上方に収束点（クロスオーバー：Ｃ．Ｏ．）を形成するように調整されている。ここでは、ビームＯＮの状態なので、電子ビーム２００は、ブランキング偏向器２１２によって偏向されずに通過する。図８（ａ）では、クロスオーバー系の光路を示している。ブランキング偏向器２１２を通過した電子ビームは、照明レンズ２０２により第１の成形アパーチャ２０３全体を照明する。そして、第１の成形アパーチャ２０３を通過した第１のアパーチャ像の電子ビーム２００は、投影レンズ２０４により第２の成形アパーチャ２０６に形成された開口部上に投影される。そして、第２の成形アパーチャ２０６を通過した第２のアパーチャ像の電子ビーム２００は、対物レンズ２０７により試料１０１面上に焦点を合わせて結像する。かかる状態では、後述するようにクロスオーバー位置が光軸上からずれないために、電子ビーム２００は、試料１０１面に垂直入射する。言い換えれば、ビーム入射角θが０°になる。

図８（ａ）に示した状態からブランキング偏向器２１２に印加されるブランキング電圧にビームＯＦＦにならない程度に電圧変動が生じた場合を図８（ｂ）に示している。図８（ｂ）に示すように、ブランキング電圧の電圧変動によりブランキング偏向器２１２の中心高さ位置Ｈでビームが偏向される。しかし、クロスオーバー位置がブランキング偏向器２１２の中心高さ位置Ｈよりも上方に制御されている場合、ブランキング電圧の電圧変動が生じると、電子ビーム２００は、試料１０１面に垂直方向からずれた方向から入射する。言い換えれば、ビーム入射角θが０°ではなくなる。その結果、デフォーカスされた状態では試料１０１上に照射されたビーム位置が設計上の所望の位置から位置ずれを生じる。図８（ｂ）において、ブランキング偏向器２１２中の破線部分は、後述するように、偏向後のビームにとって、見かけ上、クロスオーバー位置は、光軸上の位置から破線の位置へ移動したことになる。

図９は、実施の形態１におけるブランキング動作時の偏向支点位置とクロスオーバー位置との関係を示す図である。図９（ａ）では、電子レンズ２１１によりブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置Ｈに収束点（クロスオーバー：Ｃ．Ｏ．）を形成するように調整されている場合を示している。ブランキング偏向器２１２に電圧が印加され、電子ビーム２００が偏向される場合、その偏向支点はブランキング偏向器２１２の中心高さ位置Ｈとなる。クロスオーバー位置がブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置Ｈにある場合、偏向支点と位置が一致するので、クロスオーバー位置は光軸上に存在することになる。そのため、図９（ｃ）に示すように、最終のクロスオーバー位置も光軸上の位置に形成される。これに対して、図９（ｂ）に示したように、クロスオーバー位置がブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置Ｈからずれている場合、図９（ｂ）に示すようにクロスオーバー位置と偏向支点の位置が不一致となる。上述したように、偏向支点はブランキング偏向器２１２の中心高さ位置Ｈとなるので、偏向後のビームにとって、見かけ上、クロスオーバー位置は、偏向後のビームの軌道と偏向支点との延長線上となる。そのため、クロスオーバー位置は、光軸上の点Ａの位置から点Ｂの位置へ移動したことになる。言い換えれば、クロスオーバー位置が光軸上から外れた位置に形成されていることになる。かかるビームは、図９（ｄ）に示すように、最終のクロスオーバー位置も光軸上からΔＬだけ外れた位置に形成される。そのため、ブランキング電圧の電圧変動により偏向されたビームは、垂直入射（θ＝０）ではないビーム入射角θをもって試料１０１上に照射される。その結果、焦点位置がずれた場合（デフォーカスされた場合）、照射されたビームの中心位置が設計上の所望の位置から位置ずれを生じる。他方、図８（ａ）に示したように、ブランキング電圧の電圧変動がない状態では、ブランキング偏向器２１２内での偏向支点がそもそも生じないので、クロスオーバー位置は光軸上に存在できる。よって、かかる場合にはビームは、垂直入射（θ＝０）をもって試料１０１上に照射される。なお、上述した例では、クロスオーバー位置が、ブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置Ｈよりも上方にずれた場合について説明したが、下方にずれても、最終のクロスオーバーが軸からはずれるという効果は同様である。

そこで、実施の形態１では、ビーム入射角を調整するために、クロスオーバー位置がブランキング偏向器２１２の中心高さ位置になるように、電子レンズ２１１を調整する。

以上のように、実施の形態１によれば、従来よりもさらに分解能を向上させることができる。また、さらに、スループット重視の描画処理と、分解能重視の描画処理とを行うことができる。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。上述した例では、電子レンズ２１１通過後の最初のクロスオーバー位置を、電子銃高さ調整の前後で同じ位置となるブランキング偏向器２１２の中心高さ位置にすることによって、それ以降の光学条件を変えないようにできる場合について説明した。しかし、これに限るものではない。クロスオーバー位置をブランキング偏向器中心にもつ装置に限定する必要はない。光学条件・クロスオーバー位置を変えても構わない。かかる場合、ブランキング偏向器の位置も気にしないし、クロスオーバー位置以降の光学系の調整にマージンがある状況であれば、図６に示すように電子レンズ２１１の励磁を上げると同時に電子銃機構の高さ調整も行って、クロスオーバー位置を固定するときよりもさらに小さな収束半角にすることもできる。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。例えば、描画装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての荷電粒子ビーム描画装置、試料面へのビーム入射角調整方法、および荷電粒子ビーム描画方法は、本発明の範囲に包含される。

１０ 描画領域
２０ ストライプ領域
３０ ＳＦ
５２，５４，５６ ショット図形
１００ 描画装置
１０１，３４０ 試料
１０２ 電子鏡筒
１０３ 描画室
１０５ ＸＹステージ
１２０ 制御回路
１２２ ＤＡＣアンプ
１３０ レンズ制御回路
１５０ 描画部
１６０ 制御部
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２ 照明レンズ
２０３，４１０ 第１のアパーチャ
２０４ 投影レンズ
２０５ 偏向器
２０６，４２０ 第２のアパーチャ
２０７ 対物レンズ
２０８ 主偏向器
２０９ 副偏向器
２１１ 電子レンズ
２１２ ブランキング偏向器
２１４ ブランキングアパーチャ
２１６ 高さ調整機構
２３０ 電子銃機構
３０２，３０４，３０６ スペーサ部材
３１２ 昇降装置
３１４ 配管
３２０ カソード
３２２ ウェネルト
３２４ アノード
３３０ 電子線
４１１ 開口
４２１ 可変成形開口
４３０ 荷電粒子ソース

Claims (6)

1. 電子ビームを放出する電子銃機構と、
   光軸方向に対して前記電子銃機構よりも後側に配置され、前記電子銃機構の高さ位置を可変に調整可能な高さ調整部と、
   光軸方向に対して前記高さ調整部よりも後側に配置され、前記電子ビームを収束させる電子レンズと、
   前記電子銃機構の高さ位置が可変に調整されて変化した高さ位置ごとに、所定の位置に前記電子ビームがクロスオーバーを形成するように前記電子レンズを制御するレンズ制御部と、
   光軸方向に対して前記電子レンズよりも後側に配置され、前記電子レンズを通過した前記電子ビームを試料上に結像する対物レンズと、
   を備えたことを特徴とする電子ビーム描画装置。
2. 前記高さ調整部は、複数のスペーサ部材を有することを特徴とする請求項１記載の電子ビーム描画装置。
3. 前記複数のスペーサ部材は、互いに高さ方向の厚さが異なることを特徴とする請求項２記載の電子ビーム描画装置。
4. 前記高さ調整部は、
   伸縮自在な配管と、
   前記電子銃機構を昇降する昇降機構と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の電子ビーム描画装置。
5. 電子ビームを放出する電子銃機構の高さ位置を変更する工程と、
   前記電子銃機構から放出された電子ビームが電子レンズを通過した後の前記電子ビームのクロスオーバー高さ位置を前記電子銃機構の高さ位置を変更する前の位置に調整する工程と、
   を備えたことを特徴とする電子ビームの収束半角調整方法。
6. 第１の描画モードが選択された場合に、電子ビームを放出する電子銃機構の高さ位置を第１の位置に調整する工程と、
   前記第１の描画モードが選択された場合に、前記電子銃機構から放出された電子ビームが電子レンズを通過した後の前記電子ビームのクロスオーバー高さ位置を第２の位置に調整する工程と、
   前記第１の描画モードを切り替えて第２の描画モードが選択された場合に、前記電子銃機構の高さ位置を光軸方向に対して前記第１の位置よりも高い第３の位置に調整する工程と、
   前記第２の描画モードが選択された場合に、前記電子銃機構から放出された電子ビームが電子レンズを通過した後の前記電子ビームのクロスオーバー高さ位置を前記第２の位置に維持するように調整する工程と、
   を備えたことを特徴とする電子ビームの収束半角調整方法。

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