JP2021145018A - 荷電粒子ビーム偏向デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】光源の光出力の安定化が可能な荷電粒子ビーム偏向デバイスの提供すること。【解決手段】荷電粒子ビーム偏向デバイスは、基板と、前記基板に設けられた複数の開口と、前記開口を通過する荷電粒子ビームを偏向する複数の電極と、前記複数の電極に与える電圧を制御する複数の受光素子と、連続光を前記基板に結合する第１光結合器と、前記第１光結合器で結合した光を２次元面内に分配する光分配器と、前記光分配器で分配した光の強度変調を行う複数の変調器と、前記受光素子に変調光を結合させる複数の第２光結合器と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、荷電粒子ビーム偏向デバイスに関する。
例えば電子ビームを用いた描画装置において、高スループット化のためマルチ電子ビームを用いた描画装置が開発されている。また、ビーム本数の増加やビームピッチ縮小による制御信号配線の高密度化に対応するため、ＢＡＡ（Blanking Aperture Array）基板のブランキング制御信号配線を光導波路による光配線にする提案がされている。
特開２０１９−１６５１８８号公報
本発明の実施形態は、光源の光出力の安定化が可能な荷電粒子ビーム偏向デバイスの提供を目的とする。
本発明の実施形態によれば、荷電粒子ビーム偏向デバイスは、基板と、前記基板に設けられた複数の開口と、前記開口を通過する荷電粒子ビームを偏向する複数の電極と、前記複数の電極に与える電圧を制御する複数の受光素子と、連続光を前記基板に結合する第１光結合器と、前記第１光結合器で結合した光を２次元面内に分配する光分配器と、前記光分配器で分配した光の強度変調を行う複数の変調器と、前記受光素子に変調光を結合させる複数の第２光結合器と、を備える。
実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスの概略断面図。 実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスにおける１つのブランカーを含む部分の概略上面図。 実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスの概略構成図。 （ａ）〜（ｃ）は、実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスにおける光分配器の概略図。 （ａ）は、実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスにおける変調光の受光素子への結合部の概略断面図であり、（ｂ）は、図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図。 実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスにおける変調光の受光素子への結合部の他の例の概略断面図。 実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスにおける変調光の受光素子への結合部のさらに他の例の概略断面図。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
本実施形態では、主に電子ビームの偏向デバイスについて説明を行うが、本発明はイオンビームなど他の荷電粒子ビームの偏向デバイスに対しても実施可能である。
マルチ電子ビーム描画には、電子ビームの分割と、分割された電子ビームの個別ブランキング（ＯＮ／ＯＦＦ）制御が必要になり、各分割電子ビームに対応するブランカーアレイが必要になる。例えば、ブランカーとしてビーム偏向器が用いられ、偏向させた電子ビームを結像面から外して実質的な電子ビームの消去が行われる。
図１は、実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスの概略断面図である。
実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスは、ＳＡＡ（Shaping Aperture Array）を含む基板３と、ＢＡＡ（Blanking Aperture Array）を含む基板３０と、ビーム偏向器（ブランカー）５２とを有する。基板３０には複数の開口６が形成されている。
入力電子ビーム１は、電子銃（図示せず）から引き出されて加速される。基板３は、入力電子ビーム１をマルチ電子ビーム２に分割するとともにビーム形状を整える。１つのビーム偏向器（ブランカー）５２は、偏向電極５と対向電極４からなる電極対を有する。１つの開口６に対応して、一対の偏向電極５および対向電極４が設けられている。
入力電子ビーム１は、基板３により、基板３に形成された開口の形状および配列を反映したマルチ電子ビーム２に変換される。マルチ電子ビーム２は、所定のビーム配列を保持したまま直進し、全体偏向電極（図示せず）および電子ビームレンズ（図示せず）により制御され、露光面（図示せず）に縮小されて照射される。
例えば、図１における左から３番目の偏向電極５に正電圧を与えて、その偏向電極５に対応する開口６を通過する電子ビーム２ａを偏向させると、露光面には電子ビーム２ａが消去されたパターンとなって投影される。消去された電子ビーム２ａは、非偏向ビームとは異なる方向に向かって進み、露光面より前に設けられた開口瞳（全体ビームの中間収束点近傍に設けた絞り開口）を通過できずに、開口瞳部材により遮断される。
図２は、１つのブランカー５２を含む部分の概略上面図である。
ブランカー５２は、偏向電極５と、対向電極４と、開口６と、負荷抵抗７とを有する。１つのブランカー５２に対応して１つの受光素子５１が基板３０に設けられている。
対向電極４は、例えば接地される。受光素子５１は電源配線８に接続されている。偏向電極５は、受光素子５１および負荷抵抗７に接続されている。受光素子５１は、偏向電極５に与える電圧を制御する。
受光素子５１は、後述するように、ブランキング制御信号に相当する変調光（光信号）の入力を受ける。この変調光は、受光素子５１で電流に変換される。この電流は、負荷抵抗７により電圧に変換され、偏向電極５に所定電圧が印加される。このとき、開口６を通過する電子ビームは、偏向電極５と対向電極４の電位差および距離により決定する電界により偏向される。本実施形態では、例えば、変調光は直接的にアナログ（連続）量で偏向電極５の駆動電圧に変換される。
変調光がなくなると受光素子５１が電流を発生しなくなり、偏向電極５および受光素子５１の寄生容量に蓄積された電荷が負荷抵抗７を通して放電され、偏向電極５への印加電圧が低下する。このとき、負荷抵抗７の一端が接地されている場合、偏向電極５も接地電位になり、偏向電極５と対向電極４との電界がゼロになって開口６を通過する電子ビームは直進する。
図３は、本実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスの概略構成図である。
本実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスは、基板３０と、第１光結合器４１と、光分配器４２と、複数の変調器４３と、複数の第２光結合器４４と、複数の受光素子５１と、複数のブランカー５２とを有する。
基板３０は、第１基板５０と第２基板４０とを有する。複数の受光素子５１および複数のブランカー５２は、第１基板５０に設けられている。第１光結合器４１、光分配器４２、複数の変調器４３、および複数の第２光結合器４４は、第２基板４０に設けられている。
第１光結合器４１は、光源１０が出力する連続光９を第２基板４０に結合する。光源１０は、例えば半導体レーザーであり、一定強度の連続光９を出力し続ける。光源１０と第１光結合器４１とは光ファイバー２０によって接続されている。
光分配器４２は、第１光結合器４１で結合した光を２次元面内に分配する。図４（ａ）〜（ｃ）は、光分配器４２の概略図である。
図４（ａ）に示す例では、光分配器は、複数の散乱体７２を含む。複数の散乱体７２が、透光性部材７１に分散されている。散乱体７２は、例えば孔である。または、散乱体７２は、光散乱性粒子である。
図４（ｂ）に示す例では、光分配器は、入力した光を多数本の光導波路へ等分配するマルチモード干渉カプラ７３を含む。
図４（ｃ）に示す例では、光分配器は、光の波長サイズの構造体を含むフォトニック結晶７４を含む。
変調器４３は、光分配器４２で分配した光の強度変調を行う。光源１０から変調器４３まで伝送される光は一定強度の連続光である。変調器４３は、光分配器４２で分配した連続光の強度を変調して、光信号に変換する。変調器４３は、例えば光の透過をオンオフする。
例えば、変調器４３は、外部電界によるＬｉＮｂＯ３結晶の屈折率変化を利用する素子である。または、変調器４３は、外部電界による化合物半導体の光吸収係数の変化を利用する素子である。
第２光結合器４４は、変調器４３の出力（変調光）を受光素子５１に結合させる。受光素子５１は、前述したように、変調光を電流に変換し、偏向電極５に所定電圧を印加する。
図５（ａ）は、実施形態の荷電粒子ビーム偏向デバイスにおける変調光の受光素子５１への結合部の概略断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
第１基板５０と第２基板４０は互いに積層される。前述した開口６は、図５（ｂ）に示すように、第１基板５０に設けられた第１開口６ａと、第２基板４０に設けられた第２開口６ｂとを有する。第１開口６ａと第２開口６ｂは、第１基板５０と第２基板４０との積層方向に重ねられ、位置が合わせられる。第１基板５０および第２基板４０は、例えばシリコン基板である。
受光素子５１は、第１基板５０の表面に形成されている。受光素子５１は、例えば、シリコンまたは化合物半導体のｐｎ接合素子である。
第２基板４０上に、光導波路６１ａ、６１ｂと、絶縁膜６２、６３が形成されている。絶縁膜６２、６３はクラッドとして機能する。光導波路６１ａ、６１ｂは、絶縁膜６２と絶縁膜６３との間に形成されている。絶縁膜６２、６３は、例えばＳｉＯ２膜である。光導波路６１ａ、６１ｂは、絶縁膜６２、６３よりも屈折率が高く、例えば、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、Ｓｉである。または、光導波路６１ａ、６１ｂは、例えばＢやＧｅがドープされたＳｉＯ２であってもよい。
光導波路６１ａは光分配器４２と変調器４３との間を接続し、連続光が光導波路６１ａを伝播する。光導波路６１ｂは変調器４３と第２光結合器４４との間を接続し、変調器４３で変調された変調光（光信号）が光導波路６１ｂを伝播する。
図５（ａ）に示す例では、第２光結合器４４として、例えば金属膜６６で形成された４５°ミラーが設けられている。金属膜６６は、例えば、Ａｕ膜、またはＡｇ膜である。すなわち、第２光結合器４４は、第２基板４０を水平方向に伝播する光を、第１基板５０に設けられた受光素子５１に向かう垂直方向に光結合させる垂直結合器である。
偏向電極５および対向電極４は、第２基板４０上に設けられている。偏向電極５および対向電極４は、例えば、Ｃｕ、Ａｕなどの金属部材である。
偏向電極５は、第２基板４０上に設けられた金属配線６４と接続されている。また、偏向電極５は、第２基板４０を貫通する電極６５を介して、受光素子５１と電気的に接続されている。
金属配線６４の途中に、負荷抵抗７が形成されている。負荷抵抗７は、例えば、ポリシリコン、金属シリサイドで形成されている。
本実施形態によれば、外部の光源１０からの連続光を、荷電粒子ビーム偏向デバイスの内部で２次元面内に分配および強度変調（光信号に変換）を行い、それぞれの受光素子５１に光結合させる。それぞれの受光素子５１に対応して複数の光源を設けなくてよい。そのため、受光素子５１の数に対応する複数の光源を個別に制御する必要がなく、さらに個々の光源の特性ばらつきの影響を受けない。これにより、本実施形態では、光源１０の光出力の安定化が可能となり、個々のブランカー５２の安定動作が可能となる。
図６は、変調光の受光素子５１への結合部の他の例の概略断面図である。
図６に示す例では、第２光結合器４４として、光導波路６１ｂを周期構造に加工した回折格子６７を設けている。この回折格子６７も、第２基板４０を水平方向に伝播する光を、第１基板５０に設けられた受光素子５１に向かう垂直方向に光結合させる垂直結合器である。
図７は、変調光の受光素子５１への結合部のさらに他の例の概略断面図である。
図７に示す例では、光分配器４２と第２光結合器（垂直結合器）４４とを接続する光導波路６１ａ、６１ｂが、第２基板４０上の異なる複数の層９１、９２に設けられている。
第１層９１に設けられた光導波路６１ａを伝播した連続光は、第１層９１に設けられた変調器４３で変調され、この変調光は第１層９１に設けられた例えば４５°ミラーを構成する金属膜６６によって第１基板５０に設けられた受光素子５１ａに垂直結合する。
第１層９１とは異なる第２層９２に設けられた光導波路６１ａを伝播した連続光は、第２層９２に設けられた変調器４３で変調され、この変調光は第２層９２に設けられた例えば４５°ミラーを構成する金属膜６６によって第１基板５０に設けられた受光素子５１ｂに垂直結合する。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
４…対向電極、５…偏向電極、６…開口、６ａ…第１開口、６ｂ…第２開口、７…負荷抵抗、１０…光源、２０…光ファイバー、３０…基板、４０…第２基板、４１…第１光結合器、４２…光分配器、４３…変調器、４４…第２光結合器、５０…第１基板、５１…受光素子、５２…ブランカー、６１ａ,６１ｂ…光導波路、６６…金属膜、６７…回折格子

Claims (7)

  1. 基板と、
    前記基板に設けられた複数の開口と、
    前記開口を通過する荷電粒子ビームを偏向する複数の電極と、
    前記複数の電極に与える電圧を制御する複数の受光素子と、
    連続光を前記基板に結合する第１光結合器と、
    前記第１光結合器で結合した光を２次元面内に分配する光分配器と、
    前記光分配器で分配した光の強度変調を行う複数の変調器と、
    前記受光素子に変調光を結合させる複数の第２光結合器と、
    を備える荷電粒子ビーム偏向デバイス。
  2. 前記基板は、第１基板と第２基板とを有し、
    前記開口は、前記第１基板に設けられた第１開口と、前記第２基板に設けられた第２開口とを有し、
    前記第１基板と前記第２基板は互いに積層され、前記第１開口と前記第２開口は、前記第１基板と前記第２基板との積層方向に重ねられ、
    前記受光素子は、前記第１基板に設けられ、
    前記第１光結合器、前記光分配器、前記変調器、および前記第２光結合器は、前記第２基板に設けられている請求項１記載の荷電粒子ビーム偏向デバイス。
  3. 前記第２光結合器は、前記第２基板の光導波路を伝播する前記変調光を、前記第１基板に設けられた前記受光素子に結合させる垂直結合器である請求項２記載の荷電粒子ビーム偏向デバイス。
  4. 前記光分配器と前記垂直結合器とを接続する光導波路が、前記第２基板上の異なる複数の層に設けられている請求項３記載の荷電粒子ビーム偏向デバイス。
  5. 前記光分配器は、散乱体を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の荷電粒子ビーム偏向デバイス。
  6. 前記光分配器は、マルチモード干渉カプラを含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の荷電粒子ビーム偏向デバイス。
  7. 前記光分配器は、フォトニック結晶を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の荷電粒子ビーム偏向デバイス。
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