JP2017139339A - 露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】露光装置において、アパーチャアレイ上の細長い被照明領域を、強い強度で照明する電子ビームを形成する手段を提供する。【解決手段】試料上で照射位置が異なる複数の荷電粒子ビームを形成する形成部１２２を有する露光装置１００であって、形成部１２２は、長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する放出領域２１から、荷電粒子ビームを放出する粒子源２０と、長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する被照明領域６１に、複数の開口６２が配置されたアパーチャアレイ素子６０と、粒子源２０とアパーチャアレイ素子６０との間に設けられた照明レンズ３０、５０と、粒子源２０とアパーチャアレイ素子６０との間に設けられ、磁場または電場の作用により、荷電粒子ビームの断面形状を非等方な形状に変形させるビーム断面変形素子４０と、を備える露光装置１００による。【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子ビームを用いる露光装置に関する。

従来、線幅十数ｎｍ程度の光露光技術で形成した単純なラインパターンに、電子ビーム等の荷電粒子ビームを用いた露光技術により加工することで、微細な回路パターンを形成するコンプリメンタリ・リソグラフィが知られている（特許文献１）。

また、一次元方向に配置されたアレイビームを用いたマルチビーム露光技術も知られている（特許文献２）。

特開２０１３−１６７４４号公報 特開２０１５−１３３４００号公報

露光装置の処理能力（スループット）を更に上げるためには、アレイビームを構成するビームそれぞれの電流値を増加させることが好ましい。

しかしながら、従来の露光装置を用いて一次元方向に配置されたアレイビーム（特許文献２参照）を形成すると、アレイビームを構成するビームそれぞれの電流値が、実用的な速度で露光を行うには十分ではないことが判明した。

そこで、アレイビームを構成するビームそれぞれの電流値を増加させることができるビーム形成手段を備えた露光装置を提供することを目的とする。

以下の開示の一様態においては、試料上で照射位置が異なる複数の荷電粒子ビームを形成する形成部を有する露光装置であって、形成部は、長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する放出領域から荷電粒子ビームを放出する粒子源と、長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する被照明領域に、複数の開口が配置されたアパーチャアレイ素子と、粒子源とアパーチャアレイ素子との間に設けられた照明レンズと、粒子源とアパーチャアレイ素子との間に設けられ、磁場または電場の作用により、荷電粒子ビームの断面形状を前記放出領域を更に細長く引き伸ばした形状に変形させるビーム断面変形素子と、を備える露光装置が提供される。

また、上記の露光装置において、粒子源は、長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する荷電粒子の発生部を先端に有するカソード部と、長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅の開口を有する制御電極とを、備えるとともに、照明レンズは、配置位置が異なる少なくとも２つの軸対称の荷電粒子ビームレンズから構成されており、ビーム断面変形素子は、放出領域の像が照明レンズによって結像される位置に設置されていてもよい。

上記の露光装置によれば、アレイビームを構成するビームそれぞれの電流値が増加するため、その処理能力が向上する。

なお、上記の発明の概要は、以下の開示内容に含まれる特徴の全てを列挙したものではない。また、以下の開示内容に含まれる特徴群とのサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

図１は、第１実施形態に係る露光装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１の露光装置がアレイビームを走査して試料の表面に形成する照射可能領域を示す平面図である。 図３は、図１の露光装置のアパーチャアレイ素子の一部を拡大して示す図である。 図４（Ａ）は、図１の形成部のＹＺ面内方向における電子ビームの軌道を示す図であり、図４（Ｂ）は図１の形成部のＸＺ面内方向における構成例と電子ビームの軌道を示す図である。 図５は、図１の電子源および電子源制御部を示す図である。 図６（Ａ）は、図５のカソード部及び加熱部の正面図であり、図６（Ｂ）は図５のカソード部及び加熱部の斜視図であり、図６（Ｃ）は図５のカソード部及び加熱部の底面図である。 図７は、図５の制御電極の底面図である。 図８（Ａ）は、図１の電子源側照明レンズの断面斜視図であり、図８（Ｂ）はその電子源側照明レンズの光学軸上の磁場強度を表すグラフである。 図９（Ａ）は、図１のビーム断面変形素子の平面図であり、図９（Ｂ）はビーム断面変形素子によるＸＹ面内の磁場方向を表す図である。 図１０は、図１のアパーチャアレイ素子６０の被照明領域６１と、そのビーム強度分布とを表す図である。 図１１は、第２実施形態に係る露光装置３００を示す図である。 図１２は、図１１の露光装置３００のステージ走査速度（ｍｍ／ｓｅｃ）と露光スループット（ウェハ枚数／時間）との関係を示すグラフである。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る露光装置１００の構成例を示す。

露光装置１００は、予め定められたグリッドに基づいて形成された試料上のラインパターンに対して、当該グリッドに応じた照射位置および照射範囲を有する荷電粒子ビームを照射して、カットパターンまたはビアパターンを露光する。

この露光装置１００は、ステージ部１１０と、カラム部１２０と、ＣＰＵ１３０と、露光制御部１４０とを備える。

露光対象となる試料１０は、半導体、ガラス、および／またはセラミック等で形成された基板でよく、一例として、シリコン等で形成された半導体ウエハである。その試料１０には、金属等の導電体でラインパターンが表面に形成されていてもよい。

露光装置１００は、試料１０のラインパターンを切断して微細な加工（電極、配線、および／またはビア等の形成）をすべく、そのラインパターン上に形成されたレジストを露光する目的に好適である。

その試料１０は、ステージ１１０に載置される。

ステージ部１１０は、試料１０を載置して図１に示したＸＹ平面上で移動させる。ステージ部１１０は、ＸＹステージであってよく、また、ＸＹステージに加えて、Ｚステージ、回転ステージ、およびチルトステージのうちの１つ以上と組み合わされてもよい。

ステージ部１１０は、試料１０に形成されたラインパターンの長手方向がＸ方向またはＹ方向といったステージの移動方向と略平行となるように試料１０を搭載する。

以下の説明では、ステージ部１１０は、図１において、Ｘ方向およびＹ方向に移動するＸＹステージであり、ラインパターンの長手方向がＸ方向と略平行となるように試料１０を搭載する例で説明する。

カラム部１２０は、ステージ部１１０に載置された試料１０に、電子又はイオン等の荷電粒子を含む荷電粒子ビームを照射する。なお、本実施形態では、カラム部１２０が電子ビームを照射する例を説明する。

カラム部１２０は、試料１０上で照射位置が異なる、複数の電子ビームを形成する形成部１２２、ならびに、ストッピングプレート７０、および縮小投影レンズ８０を備える。

このうち、形成部１２２は、電子源２０、電子源側照明レンズ３０、ビーム断面変形素子４０、アパーチャアレイ側照明レンズ５０、アパーチャアレイ素子６０を備える。

電子源２０は、熱または電界を印加することによって電子を発生する発生部を有する。その電子の発生部は、長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する。

発生部から発生した電子には、電子源２０において予め定められた加速電圧（一例として、５０ＫＶ）が印加される。これにより、電子は図１の−Ｚ方向となる試料１０の方向に加速され、電子ビームＥＢとなる。

電子源２０は、ＸＹ平面と平行な試料１０の表面に垂直で、Ｚ軸と平行な垂線である、電子ビームの光学軸（図１の一点鎖線）上に設けられてよい。

電子源２０から放出された電子ビームＥＢは、照明レンズにより収束される。

照明レンズは、配置位置が異なる少なくとも２つの照明レンズ、即ち、電子源側照明レンズ３０およびアパーチャアレイ側照明レンズ５０から構成される。これらの照明レンズは、電子ビームが通過する光学軸に関して軸対称な電子ビームレンズである。

このうち、電子源側照明レンズ３０は、電子源２０およびアパーチャアレイ側照明レンズ５０の間に設けられ、電子源２０から放出された電子ビームを、電子源側照明レンズ３０の−Ｚ方向側に結像する。

ビーム断面変形素子４０は、電子源側照明レンズ３０およびアパーチャアレイ側照明レンズ５０の間に設けられ、電子源側照明レンズ３０を通過した、長手方向とそれに直交する短手方向とで異なる幅を有する電子ビームの断面を、更に長手方向に引き伸ばして変形させる。

ここで、電子ビームの断面とは、電子ビームを、電子ビームの進行方向と直交する面（ＸＹ平面と平行な面）で切断したとき、電子ビームの切断面における形状を表す。

ビーム断面変形素子４０は、図１の例では、電子ビームの断面の長手方向であるＹ方向に、引き伸ばされた電子ビームを形成する。

ビーム断面変形素子４０は、一例として四重極子であり、磁場または電場を発生して、電子ビームに断面内方向の力を加えることにより、電子ビームの断面を変形させる。

アパーチャアレイ側照明レンズ５０は、ビーム断面変形素子４０およびアパーチャアレイ素子６０の間に設けられ、ビーム断面変形素子４０を通過した電子ビームを、試料１０方向に向かう略平行な電子ビームに変換する。

アパーチャアレイ素子６０は、アパーチャアレイ側照明レンズ５０および試料１０の間に設けられ、図１の例では、電子ビームの断面の長手方向であるＹ方向とそれに直交する短手方向であるＸ方向とで異なる幅を有する電子ビームにより照明される。

そのアパーチャアレイ素子６０には、長手方向であるＹ方向に沿って並んだ複数の開口６２が設けられている。これらの開口６２は、すべて同じ大きさであり、Ｙ方向に予め定められた間隔を開けて配置される。

アパーチャアレイ素子６０は、アパーチャアレイ素子６０を照明する電子ビームから、開口６２を通過する電子ビームから構成されるアレイ状の電子ビーム群を切り出し、アレイビームを形成する。

アパーチャアレイ素子６０には、さらに複数のブランキング電極６４が設けられている。これらのブランキング電極６４はＹ方向に並ぶ複数の開口６２の横にそれぞれ配置されている。

ブランキング電極６４に電圧を供給すると、対応する開口６２内に電子ビームが進行する方向とは直交する方向に電界を発生する。

すなわち、ブランキング電極６４に電圧が供給される場合、対応する開口６２内に電界が発生するので、当該開口６２に入射する電子ビームは試料１０の方向に通過する方向とは異なる向きへと偏向される。

一方、ブランキング電極６４に電圧が供給されない場合、対応する開口６２内には電界が発生しないので、当該開口６２に入射する電子ビームは偏向されずに試料１０の方向に向けて通過する。

ストッピングプレート７０は、アパーチャアレイ素子６０および試料１０の間に設けられ、アパーチャアレイ素子６０のブランキング電極６４が偏向した電子ビームを遮蔽する。

ストッピングプレート７０には、開口７２が設けられている。その開口７２は一方向に伸びる略長円または略長方形の形状を有してよく、開口７２の中心が電子源２０と試料１０を結ぶ直線と交わるように形成されてよい。図１の例では、開口７２はＹ軸と平行な方向に伸びる形状を有する。

ストッピングプレート７０の開口７２は、アパーチャアレイ素子６０を偏向されずに通過した電子ビームを通過させる。一方、アパーチャアレイ素子６０で偏向された電子ビームは、ストッピングプレート７０の開口７２の外側に導かれて進行が阻止される。

即ち、カラム部１２０は、アパーチャアレイ素子６０およびストッピングプレート７０を組み合わせて、ブランキング電極６４に供給される電圧を制御することで、アレイビームに含まれる個々の電子ビームを試料１０に照射するか（ビームＯＮ状態）否か（ビームＯＦＦ状態）を切り換える。

縮小投影レンズ８０は、ストッピングプレート７０および試料１０の間に設けられ、アパーチャアレイ素子６０の開口６２を通過した電子ビームのうちビームＯＮ状態にあるものに対して、電子ビームによる開口６２の縮小像を試料１０の表面上に結像する。

このような縮小投影レンズ８０は、電子ビームが通過する光学軸に関して軸対称な電磁レンズであってよい。

また、縮小投影レンズ８０は、電子ビームの断面の大きさを縮小する機能を主に有する電子ビームレンズと、電子ビームを試料１０上に結像させる機能を主に有する電子ビームレンズとに分かれていてよい。

以上の本実施形態に係るカラム部１２０において、形成部１２２は、予め定められた方向に配列された複数の電子ビーム（アレイビーム）を形成する。

アパーチャアレイ素子６０のブランキング電極６４は、ストッピングプレート７０とともに、それぞれの電子ビームを試料１０に照射するか否かを切り換える。

形成部１２２における複数の電子ビームの配列方向は、電子源２０が放出する電子ビーム断面の長手方向、ビーム断面変形素子４０がビーム断面を引き伸ばして変形させる方向、アパーチャアレイ素子６０を照明する電子ビームの長手方向、およびアパーチャアレイ素子６０上で複数の開口６２の配列する方向等により決まる。

カラム部１２０は、これらの方向をステージ部１１０の移動方向と直交する方向に略一致させると、ステージ部１１０が当該移動方向と試料１０上のラインパターンの長手方向とを略一致させるように試料１０を搭載するので、当該ラインパターンの幅方向に照射位置が異なる複数の電子ビームを発生させることになる。

本実施形態において、カラム部１２０が、Ｘ方向に略平行なラインパターンに対して垂直な方向であるＹ方向に配列するアレイビームを照射する例を示す。

以下、露光装置１００の制御系について説明する。

ＣＰＵ１３０は、露光装置１００の全体の動作を制御する。

ＣＰＵ１３０は、コンピュータまたはワークステーション等よりなり、ユーザからの操作指示を入力する入力端末の機能を有している。また、ＣＰＵ１３０は、露光制御部１４０に接続されており、ユーザの入力に応じて、露光装置１００の露光動作を制御する。

そのＣＰＵ１３０は、一例として、バス１３２を介して露光制御部１４０が有する各部とそれぞれ接続されており、それらとの間で制御信号等を授受する。

露光制御部１４０は、ステージ部１１０およびカラム部１２０に接続され、ＣＰＵ１３０から受けとる制御信号等に応じて、ステージ部１１０およびカラム部１２０を制御して試料１０の露光動作を実行する。

また、露光制御部１４０は、バス１３２を介して外部記憶部９０と接続され、外部記憶部９０に記憶されたパターンのデータ等を授受する。

このような露光制御部１４０は、更に電子源制御部１５０と、レンズ制御部１６０と、変形素子制御部１７０と、アパーチャアレイ制御部１８０と、走査制御部１９０とを有している。

電子源制御部１５０は、形成部１２２の一部である電子源２０に接続される。電子源制御部１５０は、電子源２０を加熱するヒータ電流を出力し、電子源２０から熱電子を放出させる。また、電子源制御部１５０は、電子源２０に加速電圧（例えば５０ＫＶ）を印加して、電子源２０から放出された熱電子を試料１０の方向に加速する。

レンズ制御部１６０は、カラム部１２０を構成する電子源側照明レンズ３０、アパーチャアレイ側照明レンズ５０、および縮小投影レンズ８０などに接続される。レンズ制御部１６０は、これらの電磁レンズのレンズコイルに電流を出力して、レンズ磁場を発生させる。

またレンズ制御部１６０は、レンズコイルに流す電流を制御することにより、電子源側照明レンズ３０、アパーチャアレイ側照明レンズ５０、および縮小投影レンズ８０などのレンズ強度を設定する。

変形素子制御部１７０は、変形素子駆動回路１７２を経由して、形成部１２２の一部であるビーム断面変形素子４０に接続される。そして、変形素子制御部１７０は、変形素子駆動回路１７２に対して、ビーム断面変形素子４０のビーム断面の変形量に対応する値を設定する。

変形素子駆動回路１７２は、変形素子制御部１７０からの設定値を受けて、例えば磁界四重極子からなるビーム断面変形素子４０を駆動する駆動電流を出力する。これに代えて、変形素子駆動回路１７２は、変形素子制御部１７０からの設定値を受けて、電界四重極子からなるビーム断面変形素子４０を駆動する駆動電圧を出力してもよい。

アパーチャアレイ制御部１８０は、ブランキング駆動回路１８２を経由して、アパーチャアレイ素子６０に配置されたブランキング電極６４に接続される。このアパーチャアレイ制御部１８０は、アレイビームを構成する複数の電子ビームそれぞれに対して、ＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り換える信号を発生し、対応するブランキング駆動回路１８２に設定する。

ブランキング駆動回路１８２のそれぞれは、アパーチャアレイ制御部１８０からの切換え信号を受けて、アパーチャアレイ素子６０の対応するブランキング電極６４に、ビームブランキングのための偏向電圧（ブランキング電圧）を供給する。

アパーチャアレイ制御部１８０は、試料１０に形成されたラインパターンを切断すべく、露光装置１００が露光するパターンであるカットパターンのパターンデータを、また、試料１０にビアを形成すべく、露光装置１００が露光するパターンであるビアパターンのパターンデータを、例えば、外部記憶部９０から受けとる。

そして、アパーチャアレイ制御部１８０は、これらのパターンデータをもとに、アレイビームを構成する複数の電子ビームそれぞれに対して、ＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り換える信号を発生する。

走査制御部１９０は、ステージ部１１０に接続され、アレイビームを構成する複数の電子ビームの照射位置をラインパターンの長手方向に沿って走査させるための、ステージ動作信号を発生する。本実施形態における走査制御部１９０は、試料１０を搭載するステージ部１１０をＸ方向に略平行に移動させることにより、アレイビームをラインパターンの長手方向に沿って走査させる。

また、走査制御部１９０は、ステージ部１１０に接続され、ステージ部１１０のステージ位置の検出結果を受け取る。走査制御部１９０は、ステージ位置の検出結果に基づき、ステージ部１１０が実際に移動した移動量およびステージの位置誤差等を取得して、ステージ部１１０の移動制御にフィードバックさせてよい。

さらに、走査制御部１９０は、アパーチャアレイ制御部１８０に接続され、ステージ部１１０の位置情報をアパーチャアレイ制御部１８０に供給する。

アパーチャアレイ制御部１８０は、ステージ部１１０の位置情報に基づき、試料１０のラインパターンにアレイビームを構成する複数の電子ビームのそれぞれを照射するタイミング、即ち、電子ビームそれぞれに対するＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り換える信号の出力タイミングを決定する。

図２は、本実施形態に係る露光装置１００がアレイビームを走査して、試料１０の表面の一部に形成する照射可能領域２００を示す。なお、図２は、ＸＹ面と略平行な試料１０の表面を示し、露光装置１００が照射するアレイビームの長手方向であるＹ方向（ラインパターンではラインの幅方向）に並ぶ複数の電子ビームの全体のビーム幅をｆｗで示す。ここで、ビーム幅ｆｗは、一例として略６０μｍである。

走査制御部１９０は、複数の電子ビームそれぞれの通過経路を維持した状態でステージ部１１０によって試料１０をラインパターンの長手方向（Ｘ方向）へと移動させる。

図２の例では、最初に、走査制御部１９０がステージ部１１０を−Ｘ方向に移動させる。これにより、試料１０を基準にして見ると、アレイビームの照射位置２１０は試料１０の表面上を＋Ｘ方向に移動したことになる。そして、当該アレイビームは、帯状の領域２２０を電子ビームで照射する。

即ち、走査制御部１９０は、ステージ部１１０を予め定められた距離だけＸ方向に移動させ、第１フレーム２３２を照射可能領域とする。ここで、第１フレーム２３２は、一例として、３０ｍｍ×６０μｍの面積を有する。

次に、走査制御部１９０は、−Ｙ方向にステージ部１１０をアレイビームのビーム幅ｆｗだけ移動させ、次に、前回−Ｘ方向に移動した予め定められた距離だけステージ部１１０を戻すように＋Ｘ方向に移動させる。

これにより、アレイビームの照射位置２１０は、第１フレーム２３２とは異なる試料１０の表面上を−Ｘ方向に移動し、第１フレーム２３２と略同一面積で＋Ｙ方向に隣り合う第２フレーム２３４を照射可能領域とする。同様に、走査制御部１９０は、−Ｙ方向にステージ部１１０をアレイビームのビーム幅ｆｗだけ移動させ、再び、当該予め定められた距離だけ−Ｘ方向にステージ部１１０を移動させて第３フレーム２３６を照射可能領域とする。

このように、走査制御部１９０は、ラインパターンの長手方向であるＸ方向において、ステージ部１１０を往復動作させ、試料１０の表面における予め定められた領域をアレイビームの照射可能領域２００とする。ここで、走査制御部１９０は、一例として、３０×３０ｍｍの正方形領域を照射可能領域２００とする。

なお、照射可能領域２００は正方形領域に限定されるものではなく、試料１０の形に応じて様々な形状に設定され得る。

以上の本実施形態に係る露光装置１００は、ラインパターンの長手方向であるＸ方向において、ステージ部１１０を往復動作させつつ、ラインパターンの上の照射位置に対応するアレイビームを照射して、試料１０を露光する。

即ち、露光装置１００は、アレイビームの照射可能領域２００内のラインパターンに対して、形成すべきカットパターンおよびビアパターンに対応する位置で、アレイビームを構成する複数の電子ビームそれぞれのＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り替えて、パターンを露光する。

図３は、図１の露光装置のアパーチャアレイ素子の一部を拡大して示す図である。

露光装置１００は、アパーチャアレイ素子６０において、ブランキング電極６４に供給される電圧に応じて電子ビームを偏向するか否かを切り替えることにより、アレイビームを構成する複数の電子ビームそれぞれのＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り替える。このため、アパーチャアレイ素子６０は、複数の開口６２と、第１のブランキング電極６４ａと、第２のブランキング電極６４ｂと、共通電極６６と、電極配線６８とを有する。

ビーム断面変形素子４０によって電子ビームの断面が細長い形状に変形され、アパーチャアレイ側照明レンズ５０によって略平行ビームに変換された電子ビームは、アパーチャアレイ素子６０上の複数の開口６２を含む領域を照明する。

複数の開口６２は、当該領域を照明する電子ビームから、開口６２部分を照明する電子ビームを切り出して、個別に通過させる。複数の開口６２を通過した電子ビームは、複数の電子ビームからなるアレイビームを形成する。複数の開口６２は、アレイビームとして出力する複数の電子ビームに対応した数がアパーチャアレイ素子６０に設けられる。

図３の例において、複数の開口６２は、ラインパターンの長手方向に対応する向きであるＸ方向において、第１の開口６２ａと第２の開口６２ｂに分けて設けられる。第１の開口６２ａは、−Ｘ方向側において、Ｙ方向に並ぶ複数の開口６２である。第２の開口６２ｂは、＋Ｘ方向側において、Ｙ方向に並ぶ複数の開口６２である。

第１のブランキング電極６４ａは、第１の開口６２ａにおける共通電極６６とは反対側の壁面に設けられる。第２のブランキング電極６４ｂは、第２の開口６２ｂにおける共通電極６６とは反対側の壁面に設けられる。

共通電極６６は、Ｘ方向において、第１の開口６２ａおよび第２の開口６２ｂの間の壁面に設けられた、第１の開口６２ａおよび第２の開口６２ｂに共通の電極であり、例えば接地電位等の一定の電圧に設定される。

また、共通電極６６は、Ｙ方向に並ぶ複数の開口６２のうち隣り合う開口６２の間にそれぞれ設けられてよい。

このように、隣り合う開口６２を共通電極６６で隔てることにより、隣接するブランキング電極６４からの電場の漏れを遮蔽することができ、意図しない電子ビームの軌道のずれを防ぐことができる。

電極配線６８は、第１のブランキング電極６４ａおよび第２のブランキング電極６４ｂのそれぞれと、対応するブランキング駆動回路１８２（図１参照）とを接続する。

アパーチャアレイ制御部１８０およびブランキング駆動回路１８２は、第１のブランキング電極６４ａまたは第２のブランキング電極６４ｂにブランキング電圧を供給し、電子ビームのＯＮ状態およびＯＦＦ状態をそれぞれ切り換える。

図３の例において、アパーチャアレイ素子６０は、Ｙ方向に２列に並ぶ複数の開口６２を有するので、共通電極６６で複数の開口６２のそれぞれを分離しつつ、当該複数の開口６２のＹ座標における配置を連続して配置させることができる。

これにより、アパーチャアレイ制御部１８０およびブランキング駆動回路１８２は、複数の開口６２のそれぞれに対応するブランキング電極６４に、電子ビームのＯＮ状態およびＯＦＦ状態をそれぞれ切り換える信号を個別に供給して、個別に制御することができる。

また、複数の開口６２を通過する複数の電子ビームは、試料１０上の照射領域がＹ座標の方向に連続したアレイビームにすることができる。即ち、当該アレイビームの１回の走査により、Ｙ座標における連続した電子ビーム照射の範囲をフレーム幅とするＸ軸方向に延伸するフレームを、当該アレイビームの照射可能領域とすることができる。

ここで、アパーチャアレイ素子６０は、Ｙ方向に２列に並ぶ複数の開口６２を有することを説明したが、これに代えて、アパーチャアレイ素子６０は、Ｙ方向に３列以上に並ぶ複数の開口６２を有してもよい。

この場合においても、共通電極６６で複数の開口６２のそれぞれを分離しつつ、当該複数の開口６２のＹ座標における配置を連続して配置させることができるので、カラム部１２０は、フレーム毎にアレイビームを走査して試料１０の表面を露光することができる。

いずれの場合においても、複数の開口６２は、アパーチャアレイ素子６０において、電子ビームによって照明されるＹ方向とＸ方向とで異なる幅を有する領域（被照明領域と呼ぶ）内に、Ｙ方向に並んで配置される。

露光装置１００は、当該被照明領域を照明する電子ビームのうち、開口６２を通過して形成されるアレイビームで試料１０上のラインパターンを露光する。このような露光装置１００で１時間当たり１０枚程度の処理能力（スループット）を得るために、アパーチャアレイ素子６０上を照明する電子ビームは、例えば、以下の条件１、条件２、および条件３の条件をすべて満足することが望ましい。

条件１；アパーチャアレイ素子６０を照明する電子ビーム電流値は、１０μＡ以上であること。

条件２；アパーチャアレイ素子６０上の被照明領域の大きさは、長手方向の幅が略４ｍｍ、短手方向の幅が略５μｍであり、長手方向幅／短手方向幅の比は略８００であること。

条件３；アパーチャアレイ素子６０を照明する電子ビームは、被照明領域内で５％以内の強度均一性を有すること。

条件１および条件２は、露光装置１００が、レジスト感度から決まる所定の露光量で試料１０を照射しながら、図２に示す照射可能領域２００を、例えば、１時間あたり１０回程度繰り返して走査するための条件である。

後程述べるように、この条件は、複数のカラム部１２０を有する露光装置３００において、直径３００ｍｍの試料１０を１時間当たり１０枚程度処理する条件に対応する。

条件３は、アレイビームに含まれるそれぞれの電子ビームのビーム電流値を、略一致させるための条件である。

アレイビームに含まれるそれぞれの電子ビームのビーム電流に差がある場合、アレイビームの全体を走査しながら、それぞれの電子ビームで、試料１０上に所定の露光量（電荷量）を与えるためには、ビーム電流値が低い電子ビームに合わせて、ステージ部１１０の移動速度を遅くしなければならない。

即ち、アレイビーム全体の電流値が決まっているとき、露光装置１００の処理能力を極大にするためには、アレイビームを構成するそれぞれの電子ビームのビーム電流値を一致させることが望ましい。

図４は、本実施形態に係るカラム部１２０において、照射位置が異なる複数の電子ビームを形成する形成部１２２と、電子ビーム軌道の概要とを示す。図１に示す露光装置１００の構成要素と同じ構成要素には、図４においても同じ番号を付す。

図４（Ａ）は、電子ビームの進行方向である−Ｚ方向と、電子ビームの断面の長手方向であるＹ方向と、からなるＹＺ面内の形成部１２２を示す。また、図４（Ｂ）は、電子ビームの進行方向である−Ｚ方向と、電子ビーム断面の短手方向であるＸ方向と、からなるＸＺ面内の形成部１２２を示す。

形成部１２２は、電子ビームの進行方向に沿って、放出領域２１、電子源側照明レンズ３０、ビーム断面変形素子４０、アパーチャアレイ側照明レンズ５０、アパーチャアレイ素子６０、および被照明領域６１などを有する。

ここで、放出領域２１とは、電子源２０が、この領域から電子ビームを放出しているとして扱うことができる領域であり、通常クロスオーバと呼ばれている領域を示す。放出領域２１は、長手方向であるＹ方向と、それに直交する短手方向であるＸ方向とで、異なる幅を有する。 このような放出領域２１を形成するための電子源２０の構成例については、後程説明する。

放出領域２１の中心から−Ｚ方向に延びる一点鎖線は、電子ビームの光学軸を表す。電子源側照明レンズ３０、ビーム断面変形素子４０、およびアパーチャアレイ側照明レンズ５０などの光学素子は、一点鎖線の光学軸を中心に配置される。

放出領域２１の両端から−Ｚ方向に延びる実線は、放出領域２１の両端から、光学軸に平行に放出された電子が、アパーチャアレイ素子６０に至るまでの電子ビーム軌道を模式的に示す。

電子源側照明レンズ３０およびアパーチャアレイ側照明レンズ５０は、ともに軸対称電子レンズである。放出領域２１から放出され、断面形状が長手方向と短手方向とで異なる幅を有する電子ビームは、これらの軸対称電子レンズで収束されて、アパーチャアレイ素子６０を照明する。

電子源２０が放出するビーム電流の総量は、例えば、１５０μＡ〜２００μＡ程度である。

形成部１２２は、このビーム電流の一部を電子源側照明レンズ３０およびアパーチャアレイ側照明レンズ５０で収束することにより、放出領域２１から放出され、アパーチャアレイ素子６０を照明する電子ビームを形成する。

形成部１２２は、電子源２０が放出するビーム電流の総量の５％〜７％のビーム電流を、アパーチャアレイ素子６０を照明する電子ビームとして使用する。このとき、アパーチャアレイ素子６０を照明する電子ビーム電流値は略１０μＡである。これにより、上記条件１を満足する。

一例として、放出領域２１の長手方向の幅は略３００μｍ、および短手方向の幅は略６μｍである。この放出領域２１の長手方向幅／短手方向幅の比は略５０である。

電子源側照明レンズ３０は、放出領域２１から放出された電子ビームを等方的に収束する。電子ビームの断面は、放出領域２１の像が、電子源側照明レンズ３０によって結像される位置付近までは、放出領域２１と略相似な形状を持ち、電子ビームの断面の長手方向幅／短手方向幅の比は略５０である。

ビーム断面変形素子４０は、電子源側照明レンズ３０とアパーチャアレイ側照明レンズ５０との間に設置される。

ビーム断面変形素子４０は、図４（Ａ）のＹＺ面内では、図の矢印で示すように、ビーム断面変形素子４０を通過する電子ビームの開き角を更に広げるように動作する。

また、ビーム断面変形素子４０は、図４（Ｂ）のＸＺ面内では、図の矢印で示すように、ビーム断面変形素子４０を通過する電子ビームの開き角を狭めるように動作する。

このようにして、ビーム断面変形素子４０は、電子ビームの断面の長手方向の幅を更に拡大し、短手方向の幅を縮小する。即ち、電子ビームの断面の長手方向幅／短手方向幅の比は、ビーム断面変形素子４０によって更に非等方に変形される。ビーム断面変形素子４０は、電子ビームの断面の形状を、電子ビームを放出する放出領域の形状よりも、更に細長く引き伸ばした形状に変形する。

ビーム断面変形素子４０の出力強度を適切に設定することにより、形成部１２２は、アパーチャアレイ素子６０上を、長手方向の幅が略４ｍｍ、短手方向の幅が略５μｍであり、長手方向幅／短手方向幅の比が略８００のビーム断面をもつ電子ビームで照明する。

これにより、上記条件２を満足する。図４では、電子ビームが、アパーチャアレイ素子６０上を照明する細長い領域を被照明領域６１で示す。

電子の発生部の温度分布や形状のばらつき等を含む様々な要因により、放出領域２１の異なる位置から放出された電子ビームＥＢの強度が変動していることがある。

放出領域２１の像をそのままアパーチャアレイ素子６０に結合させる光学系を採用すると、放出領域２１から放出される電子ビームＥＢの強度分布がそのまま被照明領域６１を証明する電子ビームの強度分布に反映されてしまい、被照明領域６１における電子ビームの強度分布が十分に均一とはならない。

これでは、上記の条件３を満足させることが難しい。

そこで、本実施形態においては、ビーム断面変形素子４０は、電子源側照明レンズ３０によって、放出領域２１の像が結像される位置に設置する。

このとき、ビーム断面変形素子４０は、放出領域２１の像の各点を通過する電子ビームの開き角を、放出領域２１の結像位置で変えていることになる。

これにより、ビーム断面変形素子４０は、ビーム断面変形素子４０を通過した後の電子ビームにおいて、軸対称な電子ビームレンズによる結像位置にはほとんど影響を与えることなく、電子ビームの断面を変形させることができる。

さらに、本実施形態では、アパーチャアレイ素子６０上の被照明領域６１は、放出領域２１が軸対称な電子源側照明レンズ３０およびアパーチャアレイ側照明レンズ５０によっての結像される位置とは異なる位置に設ける。

これにより、電子側照明レンズ３０とアパーチャアレイ側照明レンズ５０との間にビーム断面変形素子４０が挿入されても、被照明領域６１には、放出領域２１の像が直接結ばれることはなく、放出領域２１の像における異なる位置を通過した電子ビームが、ビーム断面変形素子４０によって主に長辺方向に広げられたあと、重畳されて、被照明領域６１を照明することになる。

即ち、放出領域２１内の異なる位置から放出されるビーム強度に変動がある場合でも、被照明領域６１に配置された開口６２部分では、その変動が平均化された電子ビームによって照明されることになる。

その結果、アパーチャアレイ６０上の被照明領域６１を照明する電子ビームのビーム強度の均一性が向上する。これにより、上記条件３を満足する。

形成部１２２を構成する電子源２０、照明レンズ３０および５０、ならびにビーム断面変形素子４０の実施形態を、更に詳しく説明する。

図５は、本実施形態に係る電子源２０および電子源制御部１５０の構成例を示す。図の左半分は、電子源２０の構成例を示し、図の右半分は、電子源２０を制御する電子源制御部１５０の構成例を示す。

電子源２０は、カソード部２２と、カソード部２２の先端に電子を発生する発生部２３と、発生部２３から電子を発生させるための加熱部２６と、を有する。

このうち、加熱部２６は、カソード部２２全体を加熱し、放出部２３から熱電子を発生させる。発生部２３の近傍には、電子を通過させるための開口２５を備えた制御電極２４が設けられている。この制御電極２４は、発生部２３で発生して開口２５を通過する電子ビームの量（電流値）を制御する。

電子源２０のこれらの構成要素は、接地部２７から、絶縁部２９によって絶縁される。カソード部２２と接地部２７との間には、電子ビームを加速するための加速電圧が印加される。

接地部２７は、電子ビームを通過させるための開口２８を有する。その開口２８は、制御電極２４の開口２５を通過後、接地部２７に向けて加速された電子ビームのうち、放射角度が所定の範囲内にある電子ビームを通過させる。

このようにして、電子源２０は、接地部２７の開口２８を通過した電子ビームを、電子源２０以降のカラム部１２０に出力する。

電子源制御部１５０は、絶縁部２９で絶縁されたカソード部２２、制御電極２４、および加熱部２６の全体に加速電圧を印加する加速電圧電源１５１を有する。電子源制御部１５０のうち、加速電圧電源１５１以外のすべての回路は、加速電圧電源１５１が出力する加速電圧の上で動作する。本実施形態における加速電圧は、例えば５０ＫＶとすることができる。

加熱電源１５２は、電子源２０のカソード部２２を加熱する加熱部２６に加熱電流を出力する電源である。

加熱電流計１５３は、加熱電源１５２が出力する加熱電流値Ｉｆを常時検出する。

また、加熱電圧計１５４は、加熱電源１５２が加熱電流を出力することによって、加熱部２６の両端に発生する電圧値Ｖｆを常時検出する。

加熱電源１５２は、ＩｆおよびＶｆのフィードバックをうけて、電流値Ｉｆまたは消費電力値Ｖｆ×Ｉｆが一定になるように、加熱電源１５２の加熱電流を常時制御してよい。

制御電極電源１５５は、電子源２０の制御電極２４に制御電圧Ｖｇを出力する電源である。制御電極電源１５５は、発生部２３で発生され、制御電極２４の開口２５を通過して、接地側に流れる電子ビームの電流値の総量が一定になるように、制御電極２４の制御電圧Ｖｇを常時制御する。

この電子ビーム電流値の総量は、電流計１５６で検出することができる。ビーム電流値の総量は、加速電圧電源１５１が、加速電圧印加部分に流し込む電流値Ｉｂと略等しいからである。

コントロール回路１５７は、制御電極電源１５５の制御電圧Ｖｇをもとに、加熱電源１５２をコントロールする回路である。コントロール回路１５７は、制御電極電源１５５の出力電圧値Ｖｇを定期的に読み取り、加熱電源１５２の出力を定期的にコントロールする。

電子源２０が、動作開始から時間が経過すると、消耗等に起因するカソード部２２の形状変化等に起因して、ビーム電流計１５６の検出値Ｉｂを一定に制御する制御電極電源１５５の出力電圧値Ｖｇは、初期値から変化する。

この場合、ビーム電流計１５６の検出値Ｉｂ、即ち、ビーム電流値の総量を一定に制御していても、電子源２０以降のカラム部１２０から見た電子ビームの空間的な強度分布は変化する可能性がある。

このため、コントロール回路１５７は、制御電極電源１５５の出力電圧値が初期値から大きく変化しないように、定期的に加熱電源１５２の出力をコントロールしてよい。

図５に示す構成例の電子源２０および電子源駆動回路１５０により、電子源２０は、電子源２０以降のカラム部１２０に対して、所定の加速電圧、例えば５０ＫＶに加速され、時間的にも安定な電流値および強度分布を有する、電子ビームＥＢを出力する。

図６は、電子源２０のカソード部２２、発生部２３、および加熱部２６の構成例を示す。図６（Ａ）は、カソード部２２、発生部２３、および加熱部２６の一部を示す、ＸＺ面内の正面図である。図６（Ｂ）は、カソード部２２、発生部２３、および加熱部２６の一部を示す斜視図である。さらに、図６（Ｃ）は、電子ビームが進行する方向から見た、カソード部２２、発生部２３、および加熱部２６の底面図である。

カソード部２２は、例えば、六ほう化ランタン（ＬａＢ６）の結晶を円柱形に成形したものを材料とする。その円柱形のカソード部２２の先端側は、楔状に加工されており、楔の先端が発生部２３となっている。発生部２３は、図６（Ｃ）に示すように、長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する矩形に形成されている。

このような形状を有するカソード部２２を、加熱部２６を通して加熱したとき、長手方向とそれに直交する短手方向とで異なる幅を有する発生部２３は、その表面から、例えば熱電子を発生する。発生された電子は、制御電極２４で制御され、接地部２７との間に印加された加速電圧によって加速され、接地部２７の開口２８を通過して、電子源２０から放出される。

カソード部２２の円柱の直径は、例えば、２５０μｍ〜５００μｍであることが望ましい。加熱部２６を通して加熱したとき、カソード部２２の先端の発生部２３の温度を略一様に上昇させ、発生部２３の表面から略均一に電子を発生させるためである。これにより、発生部２３の長辺幅は、例えば２５０μｍ〜５００μｍである。

発生部２３の短辺幅は、欠けや剥がれなく鋭い楔状にカソード部２２の先端を加工できる条件に規定される。また、発生部２３の短辺幅は、電子を放出することによりカソード部２２の先端が消耗しても、所定の期間、発生部２３の形状を維持できる程度の幅を持つことが望ましい。発生部２３の短辺幅は、例えば５μｍ〜５０μｍである。

発生部２３の長辺幅および短辺幅をどのように設定するかは、これらの制限条件の範囲内で選択可能な設計事項である。発生部２３の長辺幅および短辺幅に関する上記の条件から、発生部２３は、略矩形であって、その長辺幅／短辺幅の比は５以上５０以下である。

加熱部２６は、円柱の側面を両側からはさんで、カソード部２２を力学的に支持する。カソード部２２はさむ左右の加熱部２６の間に電流を流すと、加熱部２６が発熱し、カソード部２２が加熱される。

なお、円柱形状を有するカソード部２２は、側面の２カ所を切り欠いて、加熱部２６と面接触するようにしていてもよい。この場合、加熱部２６は、発生部２３の短辺方向からカソード部２２をはさんでいてよい。また、これに代えて、加熱部２６は、発生部２３の長辺方向からカソード部２２をはさんでいてもよい。

なお、図６は、加熱部２６が、発生部２３の短辺方向からカソード部２２をはさんで、カソード部２２を力学的に支持している例を示す。

図７は、本実施形態に係るカソード部２２および制御電極２４の構成例を、電子ビームが放出される方向から見た底面図を示す。

カソード部２２の先端の発生部２３は、長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する略矩形形状であるが、これに対応して制御電極２４も長手方向とそれに直交する短手方向とで異なる幅の略矩形形状の開口２５を有する。

その開口２５の長手方向は、発生部２３の長手方向と略平行である。

破線ＡＢは、制御電極２４の開口２５の長手方向および発生部２３の長手方向のそれぞれと略平行であって、制御電極２４の開口２５の短手方向幅を二等分する線である。破線ＡＢは、また、発生部２３の短手方向幅を二等分する線でもある。

図示のように電子ビームが放出される方向から見ると、これらの二等分線は互いに略一致しており、制御電極２４の開口２５は、発生部２３と位置合わせして設置される。

図７において、発生部２３から発生した電子は、紙面の手前方向に向かって加速されながら、制御電極２４の開口２５を通過する。

制御電極２４には、制御電極電源１５５（図５参照）によって、制御電圧Ｖｇが印加される。制御電極２４に印加される制御電圧Ｖｇは、発生部２３と接地部２７との間の電位差を、制御電極２４の位置に応じて内分した電位とは異なっている。

図示のように、開口２５の長手方向の辺と発生部２３との距離が開口２５の短手方向の辺と発生部２３との距離よりも短く形成されている。

このため、電子ビームは開口２５を通過するとき、開口２５の長手方向の辺を形成する制御電極２４からより強く静電気力を受ける。電子ビームは、開口２５の長手方向の辺に近接して、開口２５を通過するからである。

一方、電子ビームは、短手方向の辺から離れて開口２５を通過するため、短手方向の辺を形成する制御電極２４から受ける静電気力は弱い。電子ビームは、制御電極２４から、ビーム断面の長手方向とそれに直交する短手方向とで非対称性な静電気力を受ける。

これにより電子ビームは、開口２５を通過した後も、発生部２３が有する非等方性、即ち、長辺幅と短辺幅が異なるビームの断面を有すること、を維持したまま、電子源２０から放出される。

即ち、電子源２０から放出される電子ビームは、電子源２０以降のカラム部１２０に対して、長手方向とそれに直交する短手方向とで異なる幅を有する放出領域２１（図４参照）から放出された電子ビームＥＢとしてふるまう。

放出領域２１の長手方向およびそれに直交する短手方向の幅は、略矩形の形状を有する発生部２３の形状、および制御電極２４の開口２５の形状に依存する。

図８（Ａ）は、本実施形態に係る電子源側照明レンズ３０の構成例を示す断面図である。図８（Ｂ）は、本実施形態に係る電子源側照明レンズ３０の光学軸上の磁場の強さを表すグラフである。アパーチャアレイ側照明レンズ５０も、図８（Ａ）と同様な構成、図８（Ｂ）と同様な磁場を有する。図８（Ａ）の一点鎖線は、Ｚ軸と略平行なレンズの光学軸である。

図８（Ａ）の構成例において、電子源側照明レンズ３０は、光学軸に関して軸対称な形状を持つコイル３１，３４、磁性体３２，３５、およびギャップ３３，３６を有する電子ビームレンズである。

レンズ制御部１６０（図１参照）が、コイル３１，３４に電流を流すと、ギャップ３３，３６を挟んで対向する磁性体３２，３５に、Ｎ極またはＳ極の磁極が励磁される。ＮＳ両極間のギャップ部分３３，３６に磁場が発生するため、ギャップ３３，３６近傍の光学軸上にも、局所的なＺ方向の磁場が発生する。

図８（Ｂ）のグラフは、グラフの縦軸である光学軸（Ｚ軸）上に励磁されるＺ方向磁場Ｂｚ（横軸）の分布を示す。電子源側照明レンズ３０は、図８（Ｂ）に示す局所的な磁場Ｂｚによりレンズ作用を持ち、光学軸方向に進行する電子ビームを収束させる。

電子源側照明レンズ３０は、Ｚ軸上に、ギャップ３３，３６に対応する２つの異なる磁場Ｂｚの構造を有する。磁場Ｂｚの構造のピーク高さは、必要なレンズ強度に依存して決められ、例えば０．１Ｔ〜０．３Ｔ程度の値をとる。

電子源側照明レンズ３０は、上側（＋Ｚ側）のコイル３１に流す電流の向きを、下側（‐Ｚ側）のコイル３４に流す電流の向きと逆向きにすることにより、上側の磁場Ｂｚの構造を、下側の磁場Ｂｚの構造とは逆符号に設定する。

電子源側照明レンズ３０は、コイル３１と３４の電流値を、逆符号でかつ適切な大きさに設定することにより、レンズを通過する電子ビームにレンズ作用を及ぼしながら、電子ビームをＺ軸まわりに回転させないように設定してよい。

即ち、Ｚ軸上のレンズ磁場Ｂｚは、その積算値が、上下の磁場Ｂｚの構造どうしで打消しあってゼロとなるように設定してよい。

これにより、電子源側照明レンズ３０は、レンズを通過する電子ビームの断面の長手方向および短手方向をＺ軸まわりに回転させない、無回転組み合わせレンズとして構成する。また、アパーチャアレイ側照明レンズ５０も同様な構成をとり、無回転組み合わせレンズとして構成する。

このとき、形成部１２２は、電子源２０、ビーム断面変形素子４０、およびアパーチャアレイ素子６０を、電子ビームの断面が略同一の長手方向を有するように配置することができる。

電子ビームの断面の長手方向およびそれに直交する短手方向は、電子源２０、ビーム断面変形素子４０、およびアパーチャアレイ素子６０の間に挟まっている無回転組み合わせレンズ３０および５０によって、変わらないからである。

レンズ３０および５０に無回転組み合わせレンズを用いることは、形成部１２２の構成要素である電子源２０、ビーム断面変形素子４０、およびアパーチャアレイ素子６０の配置関係を単純化し、形成部１２２の構成を簡略化するメリットがある。

図９（Ａ）は、図１のビーム断面変形素子４０の平面図である。

図９（Ａ）に示すように、ビーム断面変形素子４０は、磁場によってビーム断面を変形させる四重極子とすることができる。これに代えて、電場によってビーム断面を変形させる四重極子であってもよい。

図９（Ａ）のビーム断面変形素子４０は、電子ビームの進行方向であるＺ方向と垂直なＸＹ面内に配置された磁性体リング４２を有する。電子ビームは、磁性体リング４２の中心Ｐを通り、図の紙面に垂直方向にビーム断面変形素子４０を通過する。

磁性体リング４２には、リングの中心Ｐ方向に向かって、少なくとも４カ所の張り出し部分４３、４４、４５，および４６が設けられている。これらの張り出し部分４３、４４、４５，および４６も磁性体からなる。張り出し部分４３、４４、４５，および４６は、それぞれＸＹ面内で、（Ｘ＋Ｙ）、（−Ｘ＋Ｙ）、（−Ｘ−Ｙ）、（Ｘ−Ｙ）方向を向く。

また、磁性体リング４２の張り出し部分の間となる４カ所には、励磁用のコイル４８が巻き付けられている。

これらの磁性体４２、張り出し部分４３、４４、４５，および４６、ならびに励磁用のコイル４８は、大気中に設置される。真空隔壁４９はＺ軸方向に延伸した筒状の隔壁であり、電子ビームが通過する真空中と大気中とを分離する。

変形素子制御部１７０（図１参照）は、隣り合った励磁用のコイル４８に、互いに逆向きの励磁電流を流す。

図９（Ａ）の磁性体リング４２、ならびに張り出し部分４３、４４、４５，および４６に示す破線矢印は、励磁用コイル４８に流す電流によって、磁性体内部に励起される磁束の向きを示す。この磁束により、磁性体の張り出し端部には、例えば、図９（Ａ）に示すようなＮ極、Ｓ極の磁極が発生する。

図９（Ｂ）は、磁性体の張り出し部に発生した磁極によって、リング中心の電子ビーム通過部分に発生した四重極子に相当する磁場を示す。図の矢印は、それぞれの磁力線の向きを表す。磁場の強度は、リング中心から離れ、張り出し部分４３、４４、４５，および４６に近くなるほど強くなる。

紙面に垂直な−Ｚ方向に通過する電子ビームに働く磁場からの力は、図９（Ｂ）の＋Ｙ側の断面部分を通過するビームに対しては＋Ｙ方向に働き、図９（Ｂ）の−Ｙ側の断面部分を通過するビームに対しては−Ｙ方向に働く。即ち、図９（Ｂ）の磁場は、ビーム断面の長手方向を、より引き伸ばすように作用する。

一方、電子ビームの短手方向では、ビームはリング中心近くを通過するため磁場から受ける力は弱く、図９（Ｂ）の磁場は、ビーム断面の短手方向を、わずかに圧縮するように作用する。

変形素子制御部１７０は、変形素子駆動回路１７２を経由して、図９（Ｂ）に示すビーム断面変形素子４０の磁場を設定する。

ビーム断面変形素子４０を通過する前には、電子ビーム断面の長手方向幅／短手方向幅の比が５以上５０以下程度であったとしても、ビーム断面変形素子４０を通過することによって、電子ビームは、アパーチャアレイ素子６０上では、より細長い断面形状を有するビームに変形される。

ビーム断面変形素子４０の磁場の強度を適切に設定することにより、アパーチャアレイ素子６０上の被照明領域６１は、長手方向幅／短手方向幅の比を５００以上１０００以下に設定する。

以下、図１０を参照しつつ、本実施形態に係る形成部１２２について、アパーチャアレイ素子６０を照明する電子ビームの強度分布をシミュレーションした例について説明する。

電子源２０のカソード部２２の先端に、長辺幅／短辺幅の比が略５０の発生部２３を設定し、発生部２３の各点から放出された電子が、アパーチャアレイ素子６０を照明するまでのビーム軌道を追跡して求めた結果である。

ここでは、加速電圧は５０ＫＶに設定した。また、ビーム断面変形素子４０の出力は、アパーチャアレイ素子６０の被照明領域６１の長手方向の長さが、略４ｍｍになるように設定した。

図１０の中央の符号６１を付した領域は、シミュレーションによって得られた、電子ビームがアパーチャアレイ素子６０を照明する被照明領域６１を示す。

図１０の右のグラフは長手方向（Ｙ方向；縦軸）に沿ったビームの強度分布（横軸）を示す。また、図１０の上のグラフは、短手方向（Ｘ方向；横軸）に拡大したビームの強度分布（縦軸）を示す。

図１０は、電子ビームがアパーチャアレイ素子６０上で、長手方向に略４ｍｍの範囲、および短手方向に略５μｍの範囲を照明できることを示す。即ち、ビーム断面の長手方向幅／短手方向幅の比が略８００の電子ビームによりアパーチャアレイ素子６０が照明されることを示す。

また、図１０のグラフは、アパーチャアレイ素子６０を照明する被照明領域６１内において電子ビームの強度分布は５％以内のほぼ均一であることを示す。

さらに、アパーチャアレイ素子６０を照明する電子ビームの電流値は、全体で略１０μＡという結果が得られた。

この図１０に示すように、シミュレーション結果によれば、本実施形態に係る形成部１２２は、上記の条件１、条件２、および条件３の条件をすべて満足する電子ビームでアパーチャアレイ素子６０を照明できることが確認できた。

アパーチャアレイ素子６０において、電子ビームを切り出すための複数の開口６２は、長手方向（Ｙ方向）には、略３．６ｍｍの範囲に配置され、短手方向（Ｘ方向）には、略４μｍの範囲に配置される。

被照明領域６１を照明する電子ビームのうち、開口６２を通過した電子ビームにより、露光装置１００はアレイビームを形成する。そのアレイビームは、アパーチャアレイ素子６０から試料１０までの間に縮小投影レンズ８０を通過し、ビーム断面が略１／６０に縮小される。

これによりカラム部１２０は、試料１０上でＹ方向に並ぶ複数の電子ビームから構成され、複数の電子ビーム全体の幅が略６０μｍのアレイビームを形成する。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態に係る露光装置１００は、１つのカラム部１２０を備えるシングルカラムタイプの電子ビーム露光装置として説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、複数のカラム部１２０を露光装置に設けてもよい。

以下、このような複数のカラム部１２０を備える第２実施形態に係る露光装置３００について、図１１を用いて説明する。

図１１は、本実施形態に係る露光装置１００の変形例を示す。図１１において、図１に示された実施形態に係る露光装置１００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。

図示のように、本実施形態の露光装置３００は、カラム部１２０と、露光制御部１４０とを複数備える。

露光装置３００において、ステージ部１１０を移動させてアレイビームの照射位置を走査する場合、露光制御部１４０のそれぞれは、走査制御部１９０を有さなくてもよい。

図１１の例では、１つのステージ部１１０と、８８個のカラム部１２０と、１つのＣＰＵ１３０と、走査制御部１９０を有さない８８個の露光制御部１４０と、１つの走査制御部１９０とを備える。

８８個のカラム部１２０は、ステージ部１１０に載置した直径３００ｍｍ程度の試料１０に対して、ＸＹ平面内に３０ｍｍピッチで配置してよい。

複数のカラム部１２０のそれぞれは、対応する露光制御部１４０に接続されている。それらの露光制御部１４０からの制御信号に基づいて、複数のカラム部１２０のそれぞれからアレイビームが照射され、図２で説明したように、それぞれのカラム部１２０に対応する照射可能領域２００を、フレーム毎に露光する。

即ち、走査制御部１９０は、試料１０を載置して移動させるステージ部１１０を制御して複数のカラム部１２０に対して一つの試料１０を移動させ、複数のカラム部１２０によって並列に試料１０に電子ビームを照射する。

電子ビーム露光装置３００は、複数本のカラム部１２０で並行して露光を行うことができるため、それぞれのカラム部１２０が露光を担当する照射可能領域２００を露光する時間で試料１０全体を露光できる。

これにより、電子ビーム露光装置３００によれば、露光のスループットを大幅に向上できる。また、試料１０が３００ｍｍを超える大口径の半導体ウエハ等であっても、対応してカラム部１２０の数を増加させることで、スループットが著しく低下することを防止できる。

以下、８８個のカラム部１２０を有する電子ビーム露光装置３００のスループットを検討した結果について説明する。

カラム部１２０のそれぞれは、アパーチャアレイ素子６０を細長い形状の電子ビームで照明する形成部１２２を有する。各形成部１２２は、アパーチャアレイ素子６０上の被照明領域６１に関して、条件１、条件２および条件３を満たすものとする。

また、各カラム部１２０は、複数の開口６２によって切り出された電子ビームを、１／６０に縮小して、試料１０の表面上で個別にＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り替え可能なアレイビームを形成する。

各カラム部１２０のそれぞれが露光を担当する照射可能領域２００の大きさは３０×３０ｍｍである。また、アレイビーム全体のフレーム幅ｆｗ（図２参照）は、６０μｍである。すなわち、露光装置３００は、照射可能領域２００を、幅６０μｍのフレームに分割して、ステージ部１１０で走査しながら露光するものとした。

図１２は、図１１の露光装置３００において、ステージの走査速度と露光スループットの関係を示すグラフである。ここに、横軸は、ステージ速度（ｍｍ／ｓｅｃ）を表す。縦軸は、直径３００ｍｍの試料１０を１時間当たり処理できる枚数（ウェハ枚数／時間）を表す。

また、縦軸の露光スループットは、試料１０の一枚当り６０秒のオーバヘッドを含めて求めたものである。オーバヘッドは、主に、試料１０上のラインパターンに対するアレイビームの位置合わせ動作等に起因する。

フレームを走査するステージ速度Ｖは、アレイビームを構成するそれぞれの電子ビームの電流密度Ｊおよびステージ走査方向のビーム幅ｄ、ならびにレジスト感度Ｄに依存する。

アパーチャアレイ素子６０上の被照明領域６１を照明する電子ビームの条件１および条件２と、縮小率１／６０とから、開口６２を通過して形成されるアレイビームを構成するそれぞれの電子ビームが、試料１０上を照射する電流密度Ｊは、次式で求められる。

Ｊ＝（１０μＡ／（４ｍｍ×５μｍ））×６０×６０＝１８０Ａ／ｃｍ²
試料１０の表面に塗布したレジストにパターンを形成するためには、ステージ走査方向のビーム幅ｄに相当する、例えば１２ｎｍの距離を、ステージが走査する時間内に、レジスト感度Ｄから決まる露光量をレジストに与えなければならない。

アレイビームの電流密度Ｊが１８０Ａ／ｃｍ²の場合、レジスト感度Ｄとステージ速度Ｖとの関係は、以下のようになる。

レジスト感度Ｄとステージ速度Ｖとの（表１）の関係、およびステージ速度Ｖとスループットとの図１２のグラフから、レジスト感度Ｄが４０μＣ／ｃｍ²、５０μＣ／ｃｍ²、および６０μＣ／ｃｍ²に対して、直径３００ｍｍの試料１０を処理するスループット（ウェハ枚数／時間）は、それぞれ、１０．６枚／時間、８．７枚／時間、および７．５枚／時間が得られる。

スループットは、試料１０上におけるアレイビーム全体の幅ｆｗに依存する。アレイビームの幅ｆｗは、照射可能領域２００を露光するためにステージを走査する総走行距離とフレーム端の折り返し回数とを決定するからである。スループットを得るためには、幅ｆｗを大きくすることが望ましい。これは、アパーチャアレイ素子６０上の被照明領域６１の長手方向の幅を大きくすることに対応する。

また、スループットを得るためには、アレイビームを構成するそれぞれの電子ビームの電流密度Ｊを上げる必要がある。

電流密度Ｊを上げるためには、電子源２０の放出領域２１から放出された電子ビームが、アパーチャアレイ素子６０上のすべての開口６２を照明し、かつ、開口６２以外のマージン部分をできるだけ照明しないようにすることが望ましい。

これは、アパーチャアレイ素子６０上の被照明領域６１の短手方向の幅を、開口６２のＸ方向の並び幅程度に小さくすることに対応する。

スループットの観点から、アパーチャアレイ素子６０上の被照明領域６１は、長手方向幅を大きく、短手方向幅を小さくして、長手方向幅／短手方向幅の比は、できるだけ大きくすることが望ましい。

一方、この比は、被照明領域６１を照明する電子ビーム電流値の総量を増やす、および被照明領域６１を照明する電子ビーム強度の均一性を得る、という目的のために制限を受ける。

本実施形態に係る露光装置１００及び露光装置３００は、アパーチャアレイ素子６０上の被照明領域６１の長手方向幅／短手方向幅の比が、例えば略８００で、アレイビームを構成するそれぞれの電子ビームの電流密度は１８０Ａ／ｃｍ²を有する。

複数のカラム部を備える露光装置３００において、レジスト感度Ｄが４０μＣ／ｃｍ²の場合に、直径３００ｍｍの試料１０を１時間当たり略１０枚処理する条件に対応する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０…試料、２０…電子源、２１…放出領域、２２…カソード部、２３…発生部、２４…制御電極、２５…開口、２６…加熱部、２７…接地部、２８…開口、２９…絶縁部、３０…電子源側照明レンズ、３１…コイル、３２…磁性体、３３…ギャップ、３４…コイル、３５…磁性体、３６…ギャップ、４０…ビーム断面変形素子、４２…磁性体リング、４３，４４，４５，４６…張り出し部分、４８…コイル、４９…真空隔壁、５０…アパーチャアレイ側照明レンズ、６０…アパーチャアレイ素子、６１…被照明領域、６２…開口、６２ａ…第１の開口、６２ｂ…第２の開口、６４…ブランキング電極、６４ａ…第１のブランキング電極、６４ｂ…第２のブランキング電極、６６…共通電極、６８…電極配線、７０…ストッピングプレート、７２…開口、８０…縮小投影レンズ、９０…外部記憶部、１００、３００…露光装置、１１０…ステージ部、１２０…カラム部、１２２…形成部、１３０…ＣＰＵ、１３２…バス、１４０…露光制御部、１５０…電子源制御部、１５１…加速電圧電源、１５２…加熱電源、１５３…加熱電流計、１５４…加熱電圧計、１５５…制御電極電源、１５６…ビーム電流計、１５７…コントロール回路、１６０…レンズ制御部、１７０…変形素子制御部、１７２…変形素子駆動回路、１８０…アパーチャアレイ制御部、１８２…ブランキング駆動回路、１９０…走査制御部、２００…照射可能領域、２１０…照射位置、２２０…照射領域、２３２…第１フレーム、２３４…第２フレーム、２３６…第３フレーム。

Claims (10)

1. 試料上で照射位置が異なる複数の荷電粒子ビームを形成する形成部を有する露光装置であって、
   前記形成部は、
   長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する放出領域から、荷電粒子ビームを放出する粒子源と、
   長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する被照明領域に、複数の開口が配置されたアパーチャアレイ素子と、
   前記粒子源と前記アパーチャアレイ素子との間に設けられた照明レンズと、
   前記粒子源と前記アパーチャアレイ素子との間に設けられ、磁場または電場の作用により、前記荷電粒子ビームの断面形状を、前記放出領域の形状よりも、更に細長く引き伸ばした形状に変形させるビーム断面変形素子と、
   を備えることを特徴とする露光装置。
2. 前記粒子源は、
   長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅を有する荷電粒子の発生部を、先端に有するカソード部と、
   長手方向とそれに直交する短手方向とで、異なる幅の開口を有する制御電極と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記制御電極の開口の長手方向は、前記発生部の長手方向と略平行であり、
   前記制御電極の開口の長手方向および前記発生部の長手方向と略平行であって、前記粒子源のビーム放出の方向から見て、前記制御電極の開口の短手方向の幅を二等分する線は、前記発生部の短手方向の幅を二等分する線と、略一致していることを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
4. 前記照明レンズは、配置位置が異なる少なくとも２つの照明レンズである、粒子源側照明レンズおよびアパーチャアレイ側照明レンズから構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の露光装置。
5. 前記照明レンズは、荷電粒子ビームが通過する光学軸に関して軸対称な荷電粒子ビームレンズであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の露光装置。
6. 前記照明レンズは、無回転組み合わせレンズであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の露光装置。
7. 前記ビーム断面変形素子は、前記粒子源側照明レンズと前記アパーチャアレイ側照明レンズとの間の、前記放出領域の像が前記粒子源側照明レンズによって結像される位置に配置されることを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
8. 前記アパーチャアレイ素子の前記被照明領域は、前記放出領域の像が前記照明レンズによって結像される位置とは異なる位置に設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の露光装置。
9. 前記発生部は、略矩形であり、その長辺幅／短辺幅の比が５以上５０以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の露光装置。
10. 前記アパーチャアレイ素子の前記被照明領域は、その長手方向幅／短手方向幅の比が５００以上１０００以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の露光装置。