JP2019511823A - チューナビリティ用非磁性金属部分が組み込まれた永久磁石粒子ビーム装置及び方法 - Google Patents

Abstract

チューナビリティ用非磁性部分が組み込まれた永久磁石粒子ビーム装置及び方法を提供する。本永久磁石粒子ビーム装置は、帯電粒子ビームを放射する粒子ビームエミッタを有すると共に、その帯電粒子ビームの凝縮を制御するための磁界を形成する一組の永久磁石を有する。本永久磁石粒子ビーム装置は、更に、上記磁界内で運動する帯電粒子ビームの運動エネルギを制御すべく上記一組の永久磁石と併置された非磁性導電体部材を有する。

Description

本発明は帯電粒子ビーム装置、より具体的には永久磁石を有する粒子ビーム装置に関する。

（関連出願）
本願は２０１６年４月１１日付米国仮特許出願第６２／３２１０７７号の利益を主張する出願であるので、同米国仮特許出願の全容をこの参照を以て本願に繰り入れることにする。

粒子ビーム装置は、様々な目的で粒子ビームを放出する電気的装置の一種である。電子ビームの場合、個別のビーム装置を電子銃／エミッタ（放出器）とすることができる。既存の電子銃の短所について以下記述するが、他種の個別ビーム装置（例．正又は負帯電イオンビーム）にもそれら短所が過不足なく当てはまることに注意されたい。

電子銃の場合、これらの装置は、通常、制御された電子ビームをもたらすよう、即ち電子ビームを加速及び／又は集束（凝縮；コンデンシング）させるよう、動作する。ある種の基本的形態では、永久磁石と協働して電子ビームを制御するよう電子銃が構成される。それらの磁石は、電子ビームを制御する磁界を整形すべく電子銃ハウジング内に常駐させる。

筆者の知識によれば、どのような電子銃にも、エミッタ領域内電界を制御する専用のエクストラクタ（抽出器）電極が備わっている。図１に、従来技術に係り放出（エミッション）電流制御用エクストラクタを有する永久磁石電子銃の一例構成を示す。図示の通り、図１においてはエクストラクタ１０７Ａ，１０７Ｂが電子エミッタ１０２付近に配置されている。エクストラクタ１０７Ａ，１０７Ｂは、電子エミッタ１０２により放出された電子ビーム１０６をその開口にて加速させ、そしてその電子ビーム１０６をより小さな開口を介し永久磁石１０４Ａ，１０４Ｂへと差し向ける。その永久磁石素子１０４Ａ，１０４Ｂは、電子ビーム１０６を凝縮させる磁気レンズを構成している。この種の永久磁石電子銃については、より詳細な記述が、２０１２年５月１０日付で提出されＮａｓｓｅｒ−Ｇｈｏｄｓｉ ｅｔ ａｌ．に付与された「電子源用非平坦エクストラクタ構造」(Non-planar extractor structure for electron source)と題する特許文献１中に記されている。最も理想的なのは、永久磁石レンズにより引き起こされる凝縮に影響を及ぼすことなくエクストラクタにより放出を制御することである。しかしながら、従来技術（例えばＮａｓｓｅｒ−Ｇｈｏｄｓｉ ｅｔ ａｌ．に付与された特許文献１）の現実的構成では、エクストラクタが電子銃における放出，凝縮双方に影響を及ぼすため、その動作が困難になる。更に、そこに示されているエクストラクタは、製造困難になりうる深い井戸を有しており、エミッタ所在個所では捕捉領域（トラップ容積）が生じ局所的に真空が貧弱になる。

永久磁石電子銃に由来する凝縮制御上の短所に対処するのに役立つ策の一つは、永久磁石に代え磁気コイルを採用することである。コイルなら可調磁界となるが、残念なことに、その磁界を発生させるための電力が必要になる。ひいては、コイル及び電源接続を担持するため電子銃ハウジングを対応する永久磁石電子銃、例えば上述のそれに比べ広くする必要がある。

米国特許第８５１３６１９号明細書

このように、従来技術の永久磁石式帯電粒子銃装置に係る上掲の及び／又はその他の問題に対処する必要がある。

永久磁石粒子ビーム装置及び方法であり、チューナビリティ（可調性）用非磁性部分が組み込まれたものが提供される。本永久磁石粒子ビーム装置は、帯電粒子ビームを放出する粒子ビームエミッタを備え、またその帯電粒子ビームの凝縮を制御するための磁界を形成する一組の永久磁石を備える。本永久磁石粒子ビーム装置は、更に、その磁界内で運動する帯電粒子ビームの運動エネルギを制御するため上記一組の永久磁石と併置された非磁性導電体部材を備える。

従来技術に係り放出電流制御用エクストラクタを有する永久磁石電子銃の一例構成を示す図である。 一実施形態に係りチューナビリティ用装着型非磁性金属部分を有する永久磁石粒子ビーム装置を示す図である。 一実施形態に係りチューナビリティ用非装着型非磁性金属部分を有する永久磁石粒子ビーム装置を示す図である。 図１の従来型構成に対する図２及び図３の構成の効果例を描いた図である。 一実施形態に係る永久磁石粒子ビーム装置内での粒子ビームの制御を示す図である。

図２に、一実施形態に係りチューナビリティ用装着型非磁性金属部分を有する永久磁石粒子ビーム装置を示す。具体的には、図２は、本来は三次元的な永久磁石粒子ビーム装置の断面である。

注記すべきことに、永久磁石粒子ビーム装置に備わる幾つかの部材について示してあるが、本永久磁石粒子ビーム装置には、図示されていないその他の部材をオプション的に具備させることができる。一例としては、図２には示されていないが本件技術分野では周知のハウジング及び電気的接続材を、通例通り本永久磁石粒子ビーム装置に具備させることができる。他の付加的でオプション的な部材については後述する。このように、図２は、永久磁石粒子ビーム装置の内部のうち一部又は全体を示すものとして解されるべきである。

更に、一貫して永久磁石粒子ビーム装置を参照することにする。これは、粒子ビームを放出するよう且つ一組の永久配置型磁石を備えそれを利用しその粒子ビームを制御するよう構成された電気デバイスが、参照されるということである。とはいえ、本願記載の諸実施形態はチューナビリティ用非磁性導電体（例．金属）部分をも有しており、そのことが同類の従来装置例えば図１に示したそれに対する改良点になっている。本永久磁石粒子ビーム装置は、例えば電子ビームリソグラフィ用マイクロ集束素子を含め、数多くの用途で利用することができる。

図２に示すように、本実施形態の永久磁石粒子ビーム装置は、粒子ビーム２０８を放出する粒子エミッタ２０２を備えている。粒子ビーム２０８は粒子流、例えば電子その他の帯電粒子によるそれで構成されている。本永久磁石粒子ビーム装置は、更に、エクストラクタ２０３Ａ，２０３Ｂと、粒子ビーム２０８の凝縮を制御するための磁界を形成する一組の永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂとを備えている。

更に、本永久磁石粒子ビーム装置は、磁界内を運動する粒子ビーム２０８の運動エネルギを制御するため一組の永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂと併置された、非磁性金属（或いはその他の非磁性導電体／半導電素材）部材２０６Ａ，２０６Ｂ（即ち電極）を備えている。この素子２０６Ａ，２０６Ｂは、磁気レンズの領域内で、その磁界分布に影響を及ぼすことなく粒子ビーム２０８の運動エネルギを制御する。この断面図では２個の部分２０６Ａ，２０６Ｂとして示されているが、注記すべきことに、実施形態によっては、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂが、粒子ビーム２０８がその中を進んでいくチャネルを有する単一の部材とされることがある。例えば、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂを、非磁性金属素材からなるリング状その他の円筒形状部材とすることができる。

非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂは、永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂ又はその付近に連結（装着）することで、一組の永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂと併置すればよい。図示実施形態では非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂが永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂに連結されている。具体的には、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂを永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂの前側（即ち粒子ビーム２０８が進入してくる開口を有する側）に連結させればよい。とはいえ、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂが一組の永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂから分離された別の実施形態も想定されているので、それについては図３に照らし後に詳述することにする。

この目的を達成するには、磁界が最強な場所又はその付近に非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂを配置すればよい。他方で、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂは非磁性金属素材であるので、その非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂにより粒子ビーム２０８の静電ポテンシャル、ひいてはその磁界内で運動する粒子ビーム２０８の運動エネルギを、一組の永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂにより形成された磁界と干渉することなく（その磁界を変化又は劣化させることなく）、非磁性金属に関し既知な科学的特性に従い制御することができる。注記すべきことに、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂの形状により、磁気レンズ領域内又はその付近で粒子ビーム２０８の運動エネルギが制御される度合に対し、影響を及ぼすことができる。従って、粒子ビーム２０８の速度に所望程度まで影響を及ぼす形状になるよう非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂを製造することで、本永久磁石粒子ビーム装置にチューナビリティを付与することができる。

（ビーム絞り目的が付加された非磁性部材２０６Ａ，２０６Ｂの具体例として）図示の通り、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂの第１開口、即ち粒子ビーム２０８をエミッタ２０２から入力として受け取る開口を、その非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂの第２開口、即ちそれを介しその粒子ビーム２０８が出て行く開口よりも、大きくすることができる。この構成の非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂによれば、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ内を通じ粒子ビーム２０８を集束させることができる。無論、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂのこうした開口構成はオプション的なものであり、所望の速度及びビーム電流の粒子ビーム２０８が出力にてもたらされるような個別開口サイズで以て構成してもよい。

図３には、一実施形態に係りチューナビリティ用非装着型非磁性金属部分を有する永久磁石粒子ビーム装置が描かれている。本永久磁石粒子ビーム装置は図２との関連で上述した通りであるが、図２に示す如く非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂが永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂに電気的に接続される代わりに、図３に示す実施形態では非磁性金属部材２０７Ａ，２０７Ｂが一組の永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂから電気的に分離されている。

図２及び図３に係る上述の実施形態では、それぞれ、ミニアチュアスケールの装置及び高真空と相性のよいアーキテクチャが開示されている。非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ又は２０７Ａ，２０７Ｂの組込により、磁界のピーク又はその付近における静電ポテンシャルの制御が実現され、ひいてはビーム凝縮チューナビリティの能力が最大化されると共に永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂ上での運動エネルギ変化が低減されている。

図２及び図３に示した実施形態では、本永久磁石粒子ビーム装置に別体のエクストラクタを必ずしも具備させる必要がない。そう言えるのは、永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂ付近にある非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ又は２０７Ａ，２０７Ｂ自体で上述の如くエクストラクタ，ビーム制限アパーチャ双方を構成可能だが、その機能がオプション的で使用事例によるからである。加えて、ビーム制限アパーチャの新たな在処、即ち非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ又は２０７Ａ，２０７Ｂにより実現したときの在処（即ちエクストラクタ使用時にそうであったのとは違い、エミッタ２０２付近ではなく磁石付近にあるそれ）はエミッタ２０２から見て遠く離れており、より粒子エミッタに近かった従前の在処でのそれに比べ、僅かに大きな直径にすること及び一群の公差を緩くすることができる。これは製造可能性上の長所となりうる。無論、既に上述した通り、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ又は２０７Ａ，２０７Ｂに係るこのビーム制限アパーチャはオプション的である。

とはいえ、オプションとして、図２及び図３に係る上述の永久磁石粒子ビーム装置に、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ又は２０７Ａ，２０７Ｂとは完全に別体なエクストラクタ（図示せず）を具備させると共に、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ又は２０７Ａ，２０７Ｂと永久磁石２０４Ａ，２０４Ｂとの組合せによりもたらされる電極真空から、エクストラクタによりもたらされるチップエクストラクタ真空領域が分離されるよう、その永久磁石粒子ビーム装置を構成してもよい。この場合、図１にて開示された従来技術でそうであったのとは違い、捕捉領域（トラップ容積）をもたらす半ば閉ざされた長い孔をエクストラクタに設ける必要がない。図２及び図３のアーキテクチャでありエクストラクタを備えるものであれば、今やそのエクストラクタを完全に別体の電極としビーム制限アパーチャを非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ又は２０７Ａ，２０７Ｂ上に所在させることができるため、永久磁石粒子ビーム装置の全域に亘るコンダクタンス及び真空アーキテクチャ上、より高い柔軟性を提供することができる。

永久磁石粒子ビーム装置にエクストラクタが備わっている場合、抽出場の変化と凝縮との間のクロストークの低減を実現することができる。例えば、エクストラクタ上での運動エネルギの変化は、従来型の永久磁石粒子ビーム装置アーキテクチャで観測されるそれに比べ、凝縮に対し弱めの効果を呈する。これは、図２及び図３に関し述べたアーキテクチャではエクストラクタが磁気レンズ磁界のピーク領域に所在していないためである。

更に、凝縮の個別制御を静電圧により実現することができる。以前は、更に下流に位置する別体の静電凝縮レンズを付加する必要があった。個別の永久磁石レンズ電圧制御及び非磁性金属部材により、その機能がかなり低い所要調整電圧域で以て実現される。

図２及び図３に係る上述の永久磁石粒子ビーム装置によれば、製造可能性も向上させることができる。個別の非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ又は２０７Ａ，２０７Ｂを、ビーム制限アパーチャ寸法の精密ピック個別選択により製造、選択及び位置決めすることができる。開口サイズがミクロンオーダの小サイズであるため、非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ又は２０７Ａ，２０７Ｂをその製造ロットから「いいとこ取り」することで、ターゲット公差及びシステム対システム不均一性をより密に整合させることができる（１ミクロン＝１μｍ）。

更には、図２及び図３に係る上述の永久磁石粒子ビーム装置では省電力駆動電子回路を利用することができる。非磁性金属部材２０６Ａ，２０６Ｂ又は２０７Ａ，２０７Ｂが電圧により制御される。小さな漏れ電流及び静電容量のみが関連インピーダンスとなる。そのため、プログラミング速度が比較的高くなるのに加え、図１を参照し上述したアーキテクチャを有する電子銃の場合はそうであったのと違い、大電流で高インダクタンスコイルを駆動する必要がない。図２及び図３のアーキテクチャでは除熱が必要でなく、凝縮の高速変化が可能となりうる。後者は将来の帯電粒子装置にとり価値あるものとなるであろう。

図４には、図１の従来型構成に対する図２及び図３の構成の効果例が描かれている。図示の通り、図１の装置により実現されるビーム凝縮は、あるレベルの放出を保つのに必要な抽出場の強い関数であった。従って、このグラフ上ではその線が最も急峻な勾配（即ち結合）を呈している。

図２の装置は、図１の装置でもたらされるそれの勾配より約５倍小さな勾配を呈している。これは、本装置の下流ではより少量の凝縮補正しか必要とされないこと、より多くのチューナビリティが源泉で実現されること、並びにより豊かな軸方向公差バジェットが提供されることを意味している。

図３の装置によれば、このグラフに示されているように、放出及び凝縮の全面的な制御を実現し、本装置の下流に更なる凝縮レンズを配置する必要性をなくすことができる。

図５には、永久磁石粒子ビーム装置内粒子ビーム制御方法５００が描かれている。本方法５００は、粒子ビームエミッタにより帯電粒子ビームを放出する動作５０２を含んでいる。その後の動作５０４では、帯電粒子ビームの凝縮を制御するため一組の永久磁石により形成された磁界内に、その帯電粒子ビームが送られる。更に、動作５０６では、その磁界内で運動する帯電粒子ビームの運動エネルギが、当該一組の永久磁石と併置されている非磁性導電体部材を用い制御される。

様々な実施形態について上述したが、ご理解頂くべきことに、それらは専ら例として提示されたものであり限定ではない。即ち、好適な実施形態の拡がり及び技術的範囲は、上述の例示的諸実施形態のうちいずれによってであれ限定されるべきものではなく、後掲の特許請求の範囲及びそれらの均等物に専ら従い定義されるべきものである。

Claims (18)

1. 粒子ビームを放出する帯電粒子ビームエミッタと、
   帯電粒子ビームの凝縮を制御するための磁界を形成する一組の永久磁石と、
   上記磁界内で運動する帯電粒子ビームの運動エネルギを制御すべく上記一組の永久磁石と併置された非磁性導電体部材と、
   を備える永久磁石粒子ビーム装置。
2. 請求項１に記載の永久磁石粒子ビーム装置であって、上記帯電粒子ビームが電子ビームである永久磁石粒子ビーム装置。
3. 請求項１に記載の永久磁石粒子ビーム装置であって、上記非磁性導電体部材が上記一組の永久磁石に連結されている永久磁石粒子ビーム装置。
4. 請求項１に記載の永久磁石粒子ビーム装置であって、上記非磁性導電体部材が上記一組の永久磁石から分離されている永久磁石粒子ビーム装置。
5. 請求項１に記載の永久磁石粒子ビーム装置であって、上記非磁性導電体部材が、上記磁界が最強な個所に配置されている永久磁石粒子ビーム装置。
6. 請求項１に記載の永久磁石粒子ビーム装置であって、上記非磁性導電体部材が金属である永久磁石粒子ビーム装置。
7. 請求項１に記載の永久磁石粒子ビーム装置であって、上記非磁性導電体部材の第１開口、即ち上記帯電粒子ビームを上記エミッタから入力として受け取る開口が、その非磁性導電体部材の第２開口、即ちそれを介し上記帯電粒子ビームが出て行く開口より大きい永久磁石粒子ビーム装置。
8. 請求項１に記載の永久磁石粒子ビーム装置であって、上記非磁性導電体部材の形状が、上記帯電粒子ビームの運動エネルギが制御される度合に影響を及ぼす永久磁石粒子ビーム装置。
9. 請求項１に記載の永久磁石粒子ビーム装置であって、上記非磁性導電体部材が、上記一組の永久磁石により形成された磁界と干渉することなく、その磁界内で運動する帯電粒子ビームの運動エネルギを制御する永久磁石粒子ビーム装置。
10. 永久磁石粒子ビーム装置を通る粒子ビームを制御する方法であって、
    粒子ビームエミッタにより帯電粒子ビームを放出するステップと、
    一組の永久磁石により形成された磁界内に上記帯電粒子ビームを送ることでその帯電粒子ビームの凝縮を制御するステップと、
    上記磁界内で運動する帯電粒子ビームの運動エネルギを、上記一組の永久磁石と併置された非磁性導電体部材を用い制御するステップと、
    を有する方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、上記帯電粒子ビームが電子ビームである方法。
12. 請求項１０に記載の方法であって、上記非磁性導電体部材が上記一組の永久磁石に連結されている方法。
13. 請求項１０に記載の方法であって、上記非磁性導電体部材が上記一組の永久磁石から分離されている方法。
14. 請求項１０に記載の方法であって、上記非磁性導電体部材が、上記磁界が最強な個所に配置されている方法。
15. 請求項１０に記載の方法であって、上記非磁性導電体部材が、上記磁界が最強な個所の近くに配置されている方法。
16. 請求項１０に記載の方法であって、上記帯電粒子ビームを上記非磁性導電体部材の第１開口にて入力として受け取り、その非磁性導電体部材の第２開口を介し出力する方法であり、第１開口が第２開口より大きい方法。
17. 請求項１０に記載の方法であって、上記帯電粒子ビームの運動エネルギが制御される度合が上記非磁性導電体部材の形状に依拠して制御される方法。
18. 請求項１０に記載の方法であって、上記非磁性導電体部材が、上記一組の永久磁石により形成された磁界と干渉することなく、その磁界内で運動する帯電粒子ビームの運動エネルギを制御する方法。