JP3085463B2 - 単極性帯電粒子のビーム集束を制御する方法および装置 - Google Patents

単極性帯電粒子のビーム集束を制御する方法および装置

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JP3085463B2 JP02130405A JP13040590A JP3085463B2 JP 3085463 B2 JP3085463 B2 JP 3085463B2 JP 02130405 A JP02130405 A JP 02130405A JP 13040590 A JP13040590 A JP 13040590A JP 3085463 B2 JP3085463 B2 JP 3085463B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特許請求の範囲第１項もしくは第15項の上
位概念による、単極帯電粒子特に電子の集束を制御する
ための方法および装置に関する。
〔従来技術、および発明が解決しようとする課題〕
磁界の作用により単極帯電粒子のビーム集束を制御す
ることは周知である。このようなビーム、特に電子ビー
ムは、真空蒸着システムにおける物質の蒸発などに使用
される。その際、蒸発させるべき材料に衝突するビーム
の断面積を、その形状または広がりおよび位置と同様に
制御して変化させること、すなわち、ビームを制御して
集束させるほかに、制御して偏向させ得ることが重要で
ある。制御された集束、すなわち、蒸発させるべき材料
にあたる断面積の形状またはサイズの制御の目的は、た
とえば蒸発させるべき材料を均等に除去すること、およ
び／または蒸発される種々の材料に多様な熱的特性を許
すことである。
磁界による集束の制御において、電子またはイオンな
どの移動する帯電粒子が、一方で当該粒子の電荷に比例
し、他方で粒子速度と磁束密度のベクトル積に比例
する力の作用を受けることを利用する。
US−Ａ−4064352より、次の方法が公知である。
この明細書によれば、電子ビームの両側に幅広の磁極
片を設け、それらの間で磁石によって概ね均一な磁界を
発生する。
内側に突出した磁心の間の狭いエアギャップでは、こ
の磁界は不均一である。
さらに、DE−PS2719725により、基本的に四極子技術
に基づき、ビーム進行方向に対し垂直な面に回転方形フ
レームコアを設け、その脚に巻線構成を設けた、本質的
に平坦（フラット）なビームのための電磁式電子ビーム
集束技術が公知である。逆平行の集束制御磁界は、平坦
なビームの広がりに一致する区間に印加されている。調
節可能なビーム偏向におけるようなビームの変位は設け
られていない。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の目的は、上述した様なタイプの方法とシステ
ムを形成することであり、この方法とシステムによっ
て、集束は、ある範囲内で１方向において、この方向を
横断する方向のビームの位置に関係なく調整され、ある
いはビームが指示された方向を横断する方向においてシ
フトした場合でも、調整済の集束が影響を受けないまま
である。
本発明に関連して、追加の捲線は特に重要である。
このことから、特に、対向する磁気コアに向かう磁界
のベクトル成分が、電子ビーム上にそれを横断する方向
において偏向効果を及ぼすこと、および電磁石について
一時的に考慮しなくても、コアの対向対間の磁界の、問
題の磁界ベクトルの横方向の成分は、互いに反対方向に
作用することが分かる。
電磁石システムによって、一対のコア間のエアギャッ
プ中の磁界が強化され、他の対間のエアギャップにおけ
る磁界が同じ大きさで減少すると、１個のコアから他の
コアへの方向における偏向磁界成分が正確に１座標系に
おいて、例えばコア対の２個のエアギャップ間の対称面
上で、一定値を維持し、さらにその後、磁界の強度の変
化にも係わらず、電子ビームの横方向の広がりが無視し
うる場合、これは理想的な場合においてのみ真実である
場合において、電子ビームは、コアからコアへの方向に
おいて偏向磁界の成分によって、即ちコア対によって、
影響を受けることなく留まる。さもなければ、電子に作
用する偏向力は、その左側においてその右側のそれとは
異なっており、その結果、最も大きな電子密度の点はビ
ームを横切ってシフトし、これは、横方向におけるビー
ム偏向の変化と、この方向に集束される方法における変
化とに対して等価である。
この効果は、前記出願では無視されている。前記磁界
の変化が発生した場合、コア対の方向における成分変化
はビームに影響を与えないことが仮定される。横方向に
おける磁界のベクトル成分における変化を優先する。例
を挙げて説明したように、その磁界が、１個のコア対の
エアギャップにおいて強化され、反対に他の対の他のエ
アギャップにおいて弱められると、第１のエアギャップ
中の横方向ベクトル成分が優勢となる。
この結果、電子ビームの両側上の横方向においてベク
トル成分が生成され；これらのベクトル成分は、定義に
よって、互いに平行でありかつ対向する方向を有してい
る。これは、電子ビームの集束がどの様にコア対の方向
に影響するかである。
上記システムによって、ビームの集束を同時にそれが
どの様に偏向されるかを変えることなく、集束を調整す
ることは不可能である。更に、集束制御磁界を再調整す
ることなく集束効果に横方向にビームの位置を変化させ
ることもまた不可能である。
本発明の他の目的は、ビームの偏向に実質的に影響し
ない、集束制御のための方法を形成することである。こ
の様な方法によって、実質的に偏向にかかわり無く、あ
る電子光学システムにおける集束を変調することが可能
である。この制御は、直接に、従って高度に効率的に集
束上に作用することが意図され、これはまた、集束を速
やかに広い範囲のセッティングにおいて調整することが
できることを意味している。
これは、請求項１の特徴部分に従って達成される。
即ち、上記目的は、単極性帯電粒子ビームの集束を制
御する方法であって、該ビームはビーム断面積（Ｑ）を
もってビーム軸（Ｚ）に対し垂直な第１の面（E1）を通
過するものであり、２つの磁束密度の磁界（B1,B2）を
前記軸（Ｚ）を含む第２の面（E2）の両側に、前記第１
の面（E1）においてその磁界線のベクトル主成分が前記
第２の面（E2）に本質的に平行であってかつ反応の極性
を有する様にして印加し、前記ビーム断面積（Ｑ）の範
囲を前記２つの磁界を制御することによって前記第２の
面（E2）に垂直な方向（Ｙ）において変化させる、単極
性帯電粒子ビーム（Ｓ）の集束を制御する方法におい
て、 前記２つの磁束密度の磁界（B1,B2）を、前記第２の
面（E2）に平行な前記ビーム断面積（Ｑ）の範囲よりか
なり大きな距離に渡って互いに実質的に平行である磁界
線を有して発生させたことにより、達成される。
〔実施例〕
図２は、単極帯電粒子のビームＳ、これを横断する面
E1の空間配置をビームが通過する断面積Ｑと共に示す。
この図は更に方向Ｒと面E2を示し、この方向Ｒに沿って
ビームの断面Ｑの広がりを制御された方法で変化させる
ものであり、面E2はxyz座標系においてＹ軸に相当する
面E1と方向Ｒとに垂直である。本発明に従って、磁束密
度の磁界Ｂが面E2の両側に印加され、この磁界の方向は
互いに並行であり；面E2の一方の側で磁束密度の磁界は
ある極性を有し、他の側で他方の極性を有する。本発明
に基づいて印加されたこの２個の磁束密度磁界B1および
B2の結果として、面E2の一方の側においてビーム断面積
Ｑにおける表面電荷に対して力Fyが作用し、他方の側に
おいて力−Fyが作用し、その結果２つの磁束密度の磁界
B1およびB2の極性に基づいて、この力は図示する断面積
Ｑ上に圧縮または拡張効果を生じる。
断面Ｑの少なくともｘ−方向に沿って磁界B1およびB2
が本質的に曲率を有さない場合、少なくとも断面Ｑ内の
帯電粒子は本質的にｘ方向に何ら力を受けない；更に、
磁界の強度が変化した場合、即ちベクトルB1およびB2の
値およびそれらの極性が調整された場合、表面電荷Ｑの
広がりはｙ方向において制御される。ｘ方向の広がりが
一定である、即ち既に述べた様に、少なくともこの領域
において磁界の曲率が無視しうるとの仮定の下では、電
荷密度（表面電荷）はｙ方向の断面Ｑの拡張によって減
少する。
しかしながら、破線で示した様に、本発明に従って印
加された磁束密度磁界B1およびB2が断面積Ｑの範囲にお
いて湾曲していると、その結果、面E2に垂直な成分Byお
よび−Byが形成され、図示する様にこの場合もまた、断
面積Ｑがｙ方向に膨張する場合は常に同時にｘ方向にお
いて圧縮され、また逆も同様であると言う、簡単な関係
が発生する。
それにも係わらず、一方向（ｙ）における表面の広が
りの変化が、他の方向（ｘ）におけるこのような変化に
独立してなされる様に、請求項３に従った好ましい変形
例では、２つの磁束密度の磁界B1およびB2の並行条件
は、少なくとも断面積Ｑの広がりに相当する領域上で満
足される。この場合、磁束密度の磁界B1およびB2の制御
された変化は、これらの磁界において、ｙ方向に横方向
成分を形成せず、その結果面Ｑにおける変化は同様にｙ
方向においてのみ力を受ける。
集束制御においてビームが偏向するか否かを判断する
際、最初に、どの時点での集束の変化をビーム偏向と呼
ぶかを定義しなければならない。本発明により印加され
た磁界１および２が互いに相殺されている限り、電
荷はビーム断面Ｑ内部で力を受けず、そのためそのよう
な電荷もしくは対応する粒子の軌道は影響を受けない。
他方、瞬間的に発生するすべての帯電の中心の位置が面
E1内で変位した時点で、偏向と呼ぶことができる。面Ｑ
に瞬間的に位置する帯電の中心位置は、特許請求の範囲
第３項に従って、２つの磁界１および２が第２の面
E2の両側で対称に印加され、この対称が磁界の制御され
た変化のもとで維持される場合は、変化しない。
これを第３図に基づいて説明する。第３図において、
二つの磁界１および２の有効値B1およびB2をｙ軸に
対してプロットしており、このｙ軸上に断面Ｑの広がり
がプロットされている。これらの値の経路を純粋に定性
的に示すと、これは発生する磁気ダイポールとの距離が
増すにつれ減少する曲線にほぼ一致する。面E2が面Ｑに
おける面帯電の帯電中心Ｐに置かれ、本発明による磁界
によってｙ方向における面の広がりが変化する際に、こ
の帯電中心Ｐが変化しない場合、これら二つの磁界１
および２は面E2において互いに相殺されるように印加
される。その結果生じる経路を定性的に一点鎖線で示
す。さらに、２うの磁界１および２のベクトル量|B
1|および|B2|が点線で示すように面E2に対し対称に位置
し、この条件が磁界が変化しても維持される場合、これ
らの磁界は一方で、局部的に観察すれば位置Ｐで、さら
に互いに相殺される。また、面E2の両面の面帯電に対し
等しい量の力が作用し、それにより面Ｑにおける帯電が
面E2を基準として対称に変化した軌道を通る。それによ
って帯電中心は場所Ｐにとどまり、ビームの偏向は行わ
れない。第３図に、発生した力Fyの椀状分布を定性的に
示し、反対極性の場合を点線で示す。
たとえば、前記US−A4064352により、帯電粒子のビー
ムとして電子ビームを真空システム内でビーム発生装置
から湾曲軌道に沿って蒸発させるべき材料上に向けるこ
とができる。ある場合には、これは180゜以上、最大270
゜に偏向することが可能である。これを実現するために
は、基本的に再び磁界を、ビーム軌道の延長部分に沿っ
て印加する必要がある。その結果、最終的に望まれる大
きな偏向を達成するために、非常に初期の段階で、即ち
ビーム発生装置の直後に偏向磁界を印加する必要がしば
しば発生する。ここで示したタイプの偏向のためおよび
ここで議論した集束制御のタイプのために、電子光学系
のサイズを望ましいコンパクトさにまで縮小することを
最終目的とする場合を含む多くの場合において、偏向力
を及ぼす点をビームの集束が制御される場所から十分に
遠い位置までシフトするために、偏向および蒸発させる
べき材料上でのビームの衝突面積の調整の結果として、
ビーム集束もまた変更される。
第３図に示すように、このような偏向措置により面Ｑ
の位置が変化すると、それに伴って対応する面帯電が本
発明によって印加された磁界の変更関係にはいる。その
結果、偏向に一致して集束において変化が生じる。この
要求に鑑み、集束関係を同時に変えることなく、ビーム
を少なくとも一つの方向において偏向させ得ることがし
ばしば重要となる。これが、本発明の方法を使用するこ
とで容易に為されることは、図２から明らかである。
第２図に記載された発明による２つの磁界B1およびB2
の関係のもとで、本発明に従って制御されるｙ方向にお
ける集束変化に同時に影響することなく、ビーム、従っ
てその断面Ｑをｘ方向で変位させることが可能である。
それによって、特許請求の範囲第４項の記載に基づく本
発明による方法の他の好のましい実施例において、第２
の面の両側の磁界は断面Ｑの広がりより著しく大きい領
域にわたって一定に印加され、その際、磁界の関係が問
題の領域さらにｘまたは−ｘ方向でこの領域に続く領域
で変化しないことが明らかである。たとえば、このビー
ムを大きい角度に亘って偏向しかつこの偏向を面E2内で
行う場合、本発明によって集束が調整される以前であっ
ても、この偏向を達成することができ、かつ本発明によ
って調整された集束に影響することなく、衝突面の位置
を変えるために、この偏向を変化させることもできる。
第３図による印加磁束密度磁界の値|B1|および|B2|の
経路を考察すると、両側が隆起した、ｘ方向に延びる谷
によって３次元面がつつまれていることがわかる。
多くの場合、複数の方向、たとえば互いに垂直な２つ
の方向においてビームの集束を互いに独立に、または互
いに依存して、原則としてかつ第２図によればｙ方向と
ｘ方向のいずれにおいて、制御できることが望ましい。
このために、特許請求の範囲第５項によれば、第１の面
E1および第２の面E2に対し垂直であり、方向Ｒに整列す
る第３の面、即ち第２図においてE3、の両側に、互いに
平行、かつ、極性が反対のベクトル成分を有する第２の
磁界を、特に第３の面に対して同じ大きさで印加するこ
とが提案される。このような第２の磁界は、すでに第２
図においてByおよび−Byの符号を付し点線で記入した磁
界に対応する。これらの磁界は、前記のように、第２図
に同様に実線で示す第１の磁界１もしくは２が、湾
曲すると発生する。
第４図において、第２図類似の平面図で、第１の磁界
が第２図によるベクトル１および２をもって記載さ
れ、かつこれに垂直な第２の磁界がベクトル３および
４として記載されている。第４図による位置関係にお
いて、磁界の極性は断面Ｑの廻りを進む場合、交替す
る。それにより、同様に第４図に記載する力関係が生じ
る。すなわち、極性関係が維持される場合、面Ｑはｘも
しくはｙ方向のいずれかにおいて収縮もしくは拡張し、
他のｙもしくはｘ方向において拡張もしくは収縮する。
この磁界・極性位置関係は、２つの磁気ダイポールを設
けることによって容易に実現できる。これは面Ｑの周囲
の極分布から明らかである。
第５図において、第４図類似の図で、特許請求の範囲
第５項による磁界の他の設計を示す。ここでは、磁界ベ
クトル１〜４の極性は断面Ｑの廻りを進む時、交替
しない。この極性の位置関係において、磁界ベクトルに
よって作用するすべての力は、図示するように外方また
は内方に作用する。それによって、断面Ｑの中心に対し
て対称形な拡張もしくは収縮が可能となる。この極性位
置関係は、図示の磁石極からただちに明らかなように、
２つの磁気ダイポールによっては実現せず、第７図に基
づいて説明されたように他の措置を講じなければならな
い。
ベクトルB3およびB4を有するこの第２の磁界による、
第４図および第５図に基づく２つの極性分布において、
断面Ｑのｘもしくは−ｘ方向の変化に応じたビームの集
束のみが生じる場合、特許請求の範囲第６項により、こ
の第２の磁界は少なくともｙ方向における面Ｑの広がり
に等しい長さにわたり平行に印加される。特許請求の範
囲第５項に記載した第２の磁界のベクトル量の有利な対
称設計に関し、第３図に基づき第１の磁界について行っ
た考察が該当する。すなわち、必要な限りにおいて、そ
の最終目的が面Ｑにその時点で存在する面帯電の電荷強
度の中心がもとの位置を保つものである限り、これが１
つの要求である。
特許請求の範囲第７項に従って、第２の磁界を同様
に、第３の面の両側の磁界が断面Ｑの広がりより著しく
長い領域にわたり一定となるように印加するとき、第４
図及び第５図に基づき、ベクトル３および４を有す
る第２の磁界によるｘ方向による集束の変化は、断面Ｑ
の局部的変化を引き起こすｙ方向におけるビームの偏向
によって影響されない。第１の磁界１および２によ
って生じるｙ方向における集束が、ｘ方向における面Ｑ
もしくはビームの変位により影響されないことと、ベク
トル１および４を有する第２の磁界によって生じる
ｘ方向の集束がｙ方向における断面およびビームの変位
によって影響されないことを結合することは、ビームを
運転中に再度ｘおよびｙ方向に偏向させるビーム動作点
において、集束制御磁界の調整をより容易に行うため
に、多くの場合必要とされる。
第４図による極性分布は、特定の用途において重要な
長所を呈する。前記のように、電子ビームを用いる多く
の場合に、電子ビームをある面で著しく偏向させること
が普通である。第２図に基づくベクトル１および２
を有する本発明による第１の磁界の設計において、第6a
図で平面図において示すように、ビームＳのこの偏向を
第２の面E2で行うことが望ましい。第6b図には、面E2に
おけるビームＳの経路を側面図で示す。US−Ａ−406435
2によっても公知のように、このような偏向のもとで、
第6b図による側面図に示すように、通常ビームが収縮す
る領域Ｋが発生する。上部から見た場合、すなわち偏向
面E2において、このような収縮は多くの場合発生しな
い。
これらの関係は、第４図および特許請求の範囲第８項
による発明の作用において、最適に適用される。第４図
により、第１の磁界１および２によってｙ方向にお
ける断面積Ｑおよびビームの拡張が行われると、第6a図
で点線で示した関係が生じる。同時に、ベクトル３お
よび４を有する第２の磁界を、第１の磁界と直接結合
して、断面Ｑの収縮を行うために使用することができ
る。その結果、第6a図に点線で示す断面Ｑ′が生じる。
第6b図に見られるように、ｘ方向において断面Ｑが縮
小すると収縮領域Ｋが、たとえば領域Ｋ′に向って、す
なわち、ビーム源のより近傍に変位する。これは、焦点
が光源近傍へ変位することに対応する。それにより、ｘ
方向で、即ち面E2上で見ると、目標、たとえば蒸発させ
るべき材料Ｍ上で、逆転の効果が生じる。つまり、断面
Ｑがこの方向で収縮すると、材料Ｍにおける衝突面は収
縮領域Ｋ′の変位のために拡大する。それにより、第４
図に示す極性選択の長所は、特に当該電子ビームＳを90
゜以上、特に180゜以上偏向させたとき明らかとなる。
まさに、この極性選択により、第６図における衝突面Ｚ
は放射状にすべての方向に拡張または収縮する。その結
果生じるビームの定性的な分布を、第6b図に同様に点線
で示す。焦点を調節することによって変化させることが
できる動作点という意味において、収縮領域の位置は、
基本的にビーム発生装置およびビーム成形のための電子
光学的手段によって決まる。
なお、以下に詳しく説明するように、第５図による極
性構成の選択が、第１の磁界1,２および第２の磁界
3,４をビーム軸沿いにずらして印加することによっ
て実現されるのに対し、第４図による実施例において、
特許請求の範囲第９項に従って、二つの磁界は概ね同一
の第１の面E1に印加される。
第４図または第５図による極性構成において、その最
終目的が第１の磁界1,２が第２の磁界3,４とか
かわりなく変調することができる場合、第７図および特
許請求の範囲第10項によって、第１の磁界1,２はビ
ームＳの進行方向沿いに第２の磁界3,４からずらし
て印加される。二つの磁界が互いに影響しないように、
二つの磁界の間に磁気遮蔽SCHを設ける。この作用は、
もともと第５図による極性選択において示されている。
しかし、この構成は磁界1,２および磁界3,４を
第１面で時間差を設けて発生させることによっても達成
される。
第８図に、例として集束を制御するための本発明によ
るシステムを概念的に示す。このシステムは、第２図及
び第３図に基づいて説明したように、基本的に、磁石ア
レイによって生成される磁界のベクトル成分を生み出す
ように設計された磁石アレイを包含する。この磁石アレ
イは１対のダイポール３および５によって形成される。
これらのダイポールは好ましくは電磁システムによって
形成され、各々制御装置11によって制御される電源７も
しくは９を介して給電される。しかし、ダイポール３お
よび５は、異なる動作点に対して集束調整するために、
例えば永久磁石によって形成し、または永久磁石を包含
することも可能である。このシステムにおいて、単極帯
電粒子のビームＳ、特に電子ビームが通過する領域13が
規定されている。この目的のために、図８に概略的に示
すビーム生成装置15の位置は、ビーム生成装置15のため
に調整可能な取り付け装置によって、ダイポール３、５
を含むダイポールアレイに関して固定され、あるいは固
定可能である。それによって、この生成装置はダイポー
ル３、５に関してある定義された位置に保持される。ダ
イポール３、５とビーム生成装置15の対応する固定取り
付けは、16で概略的に示されている。図８から明らかな
ように、２個のダイポール３、５は、基本的に図２にお
いて説明した磁束密度磁界の成分１および２を生成
し、ビームＳに関して図２によって既に説明した様にビ
ームＳのための領域13を用意する。請求項14によれば、
本発明の好ましい実施形態の最終目的は、図８に示す面
E2の両側面上の磁束密度磁界１および２の経路を、
これらの成分が、領域13を介して通過するビームＳによ
って形成されるビーム断面Ｑの直径と少なくとも同じ領
域において実質的に平行となる様に、成形することであ
る。図８から容易に理解される様に、この簡単な方法に
おいて、ｘ方向と見なされるダイポール３、５の長さ
が、意図する領域13を通過するビームＳの断面Ｑの、ｘ
方向と考えられる、範囲よりも遥に大きい場合、その最
終目的が達成される。
ビームＳの通過領域13の両側、すなわち面E2の両側の
磁界１および２は、制御装置11により、面E2の両側
の磁界の値が面E2を基準として対称形となるように制御
される。その結果、第３図に関する説明により、磁界
１および２の制御によって、ｙ方向においてビーム断
面Ｑが変化する場合、面Ｑにその時点で存在する表面電
荷の帯電強度の中心は変化しないままである。この条件
を満たす磁界１および２の制御は、E1を基準とした
２つの磁気ダイポール３および５の幾何学配向の関数と
して行われる。この場合、ビームＳの断面Ｑは、電源７
および９によって生み出される電流の適当な選択もしく
は制御によって、効果的に調整されるべきである。
更に、領域13を通過するビームのビーム断面Ｑのｙ方
向における制御が、ｘ方向と考えられる比較的長い距離
に渡って、ｘ方向におけるビームＳの位置の影響を受け
ないようにするために、２個のダイポール３、５によっ
て形成されることが好ましい磁界配列を、磁束密度磁界
１及び２が、ビームＳの断面積Ｑの範囲よりも相当
に長い領域上で、図示の第２の面E2の両側において一定
である様に、設計する。これは、ｘ方向において見られ
る磁気ダイポール３、５の範囲を相当長くすることによ
って達成される。
複数の磁束密度磁界を３次元的に重畳することによっ
て、図２に係る磁束密度磁界経路を生成する可能性は非
常に高いが、２個の磁気ダイポールを有する磁石アレイ
によってこの磁界を形成することが好ましい。この磁気
ダイポール３、５は、図８に示す様に、第２の面に対し
て本質的に平行である。これらの２個のダイポールは最
初面E1内にある必要は無く、また面E2に対して平行であ
る必要もない。即ち、その有効範囲即ち面E1およびE2間
の横断面領域に対するダイポール３、５の相対的な幾何
学的位置は、広い範囲内から自由に選択することができ
る一方で、磁束密度磁界は、磁石アレイの対応する電気
的変調によって、その有効領域内で本発明に係る望まし
い配列を確実に担っている。
それにも係わらず、ある場合において、複雑な空間磁
界の重畳を考慮する必要がある。例えば構造に関係する
限定条件の様な、その他の理由で必要でない場合には、
従って、図８に示す様に２個の磁気ダイポールを請求項
18に従って、本質的に第１の面E1内でセットアップする
ことができる。その結果、磁界関係は、明白でかつ論理
的となる。しかしながらこの場合でも、２個のダイポー
ル３、５は第２の面E2に対して対称である必要はなく、
しかも電源７、９または電磁石の適当な非対称的変調に
よってまたは非対称的捲線によって、非対称性を補償す
ることが可能であることは明白である。更に、例えば、
ビーム生成器15に対してその他の、例えば設計に関係す
る様な限定条件が存在しない場合を除いては、第１の面
に存在する磁気ダイポールを、図８に示しかつ請求項18
に述べる様に、第２の面に関して対称にセットアップす
ることが好ましい。
図９は、再び図８に従って、システムのある部分の図
を本質的に示している。既に述べたように、２個のダイ
ポールによって本発明によって達成されるｙ方向のビー
ムの制御は、ダイポールの設計に依存し、かつ特にｘ方
向におけるそれらの長さに依存し、ｘ方向のビームの位
置に殆ど完全に独立している。例えば、米国特許第４、
064、352号および３、420、977号から公知の様に、ビー
ムが図９の15に対応するビーム発生装置を出た直後にビ
ーム上に強い偏向力が及ばされるようにして、ビームに
強い偏向を与えることにより、このビームをかなり短い
距離の範囲内においてその目標上に到達させる場合、こ
の種の偏向を請求項20に従って本質的に第２の面におい
て受けることができることを提案している。
この事は図９に示されており、この場合、例えば米国
特許第３、420、977号による偏向装置は、偏向磁束密度
磁界BU生成し、この磁界BUは図９に示す様に本質的にｙ
方向において延びる。この方法において、破線で示す様
に、ビームＳは常に増大する程度に変更され、270゜ま
たはそれ以上の偏向を経験する。偏向磁界BUを生成する
この種の偏向装置は、必要とされる様に、ビームが可能
なかぎり非常に短い距離内で偏向される様に、ビームが
発生装置15を離れたすぐ後で作用しなければ成らないの
で、本発明の集束制御が使用される場合であっても、特
にビームを目標上にシフトするために偏向を調整する場
合、ｘ方向におけるビームＳのシフトを予想する必要が
ある。
本発明に従ってもたらされるｘ方向の集束制御は本質
的にこの方向におけるビームの位置に関わりがないの
で、この偏向は従って面E2で実行されることが好まし
い。
図示した第１の磁束密度磁界１、２に加えてこの
第１のものに垂直に第２の磁束密度磁界３、４が印
化された場合に起こる効果を、図４、５および６に従っ
て議論してきた。
図10は、図８および９に係る２個のダイポール３、５
のシステムを上方からみた場合の概略図である。ｙ方向
における２個のダイポール３、５間の距離およびそれら
のｘ方向における長さによって、図４に概略的に示す様
に、磁束密度磁界３、４が生成される。これらの磁
界は断面Ｑを有するビームＳに対して意図された通過領
域13上に同様に作用する。この様に、ダイポール３、５
を有するシステムの適当な寸法決めの結果として、図４
に係る磁束密度磁界の構成がそこに示す磁界極性を有し
て直接達成される；従って、Ｑの断面サイズの変化に対
して目標表面サイズ変化を反転することに付随する利点
が、同様に獲得される。
従って原則的に、図６を参照して既に説明した様に、
このシステムが電子光学システムのような（ビームを構
成する粒子のタイプに応じて）ビームが伝搬する方向に
おいて少なくとも１個の圧縮された領域を生成する、ビ
ームを生成するための装置を含む場合、その目標は、既
に図８、９および10を参照して説明した様に、磁石アレ
イと；例えば図９に示す偏向装置である装置；およびダ
イポール３、５を有する磁石アレイによってもたらされ
た磁束密度１−４の影響領域に近い断面における変
化が、図６に基づいて既に詳細に説明した様に、少なく
とも１方向において、ビーム目標面の直径変化に反対の
効果を有する様な既知の設計を有するビーム発生装置；
を整合する事である。これは、図6bに従った圧縮領域を
形成する偏向装置とビーム発生装置の場合、図10に従っ
たシステムによって達成される。
図11は、磁束密度１、２と互いに独立してそれら
に垂直な追加の磁束密度３、４を変調することが可
能な磁石アレイを概略図の形で示す。この目的の為に、
２個のダイポール３、５がまずビームＳの伝搬方向に設
置され；次にビームの伝搬方向に対してあるズレをもっ
て、追加のダイポール23、25を、ダイポール３、５に対
して垂直に設置する。これらの追加のダイポールは図５
または図４に従って、磁束密度磁界３、４を変調す
る。ビームのための貫通孔29を有する磁気シールド27の
設置を通じて、互いに独立して変調されるべき２個の磁
束密度磁界１、２および３、４は、互いに殆ど
完全に分離される。この場合、ｘ方向およびｙ方向の両
方において互いに独立にビームを、その集束に関して制
御することが可能である。図に16で示す様に、２対のダ
イポール３、５および23、25は、ビームに対して予定さ
れた領域に関して適当に固定される。
図12は、本発明に係るシステムの好ましい設計を概略
的に示すものである。図８、９または10のダイポール
３、５に相当する２個の電磁石33、35は互いに平行であ
り、それぞれはそれ自身のチーク（ほほ）状のホルダー
37、39内に埋め込まれている。ホルダー38、39は、少な
くとも電磁石33、35の領域において非強磁性体材料で形
成されるが、それらが効率的に冷却されることができる
様に、異なる金属、特に銅およびステンレススチールの
部分によって構成されることが好ましい。
概略的な方法において、特に電子ビームであるビーム
Ｓを発生するビーム発生装置41に対する保持システム
を、ホルダー37、39間の中心に示している。磁束密度磁
界１、２を有する磁界構造を、横断磁界３の効果
として、図12において一例として示している。
本発明にかかるシステムおよび本発明にかかる方法に
よって、ビームが約270゜まで偏向された場合であって
も、目標上のビームの断面の範囲を、1:10の範囲に渡っ
て、例えば焦点の直径5mmから50mmの範囲に渡って調整
することが可能である。これは、1kHzまでの周波数の調
整においてダイナミックに達成される。この様にして、
もし望むなら、ビーム集束をパルス化することも可能で
ある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、公知技術の水準によるビームおよび磁界の空
間的配置構成と作用を表す。 第２図は、発明による作用の第１図類似の図を表す。 第３図は、第２図のｘ方向で考察した発明によって有利
に制御された磁界の関係を表す。 第４図は、互いに垂直な二つの磁界を発明による第１の
極性関係において置いた第２図による関係の概念的平面
図を表す。 第５図は、発明による第２の極性関係における磁界を有
する第４図類似の図を表す。 第6a図は、第２図による関係の平面図に基づき、例とし
て第４図による磁界を用いてビームの集束を変化させた
著しく偏向したビームの概念的平面図を表す。 第6b図は、第２図によるｙ方向において集束の変化とと
もに変化する関係に基づく第6a図により広角に偏向した
ビームの平面図を表す。 第７図は、ビームの進行方向で互いにずれた２つの直交
磁界の配置構成を表す。 第８図は、第２図から第６図に示す関係を実現するため
の発明による配置構成を概念的に表す。 第９図は、第6a図および第6b図に示す関係と類似に偏向
関係を作り出すために広範囲に作用するビームの偏向磁
界を設けた第８図類似の配置構成を表す。 第10図は、第４図に示す関係と類似に磁界関係を作り出
すために第８図および第９図による配置構成の概念的平
面図を表す。 第11図は、第４図、第５図および磁界が軸方向でずれて
いる場合は第７図による直交集束制御磁界の配置構成を
概念的に表す。 第12図は、原理的に第８図および第９図によって構成さ
れた本発明による配置構成の有利な実施例の構成を透視
図を表す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G21K 1/093 H01J 37/14 H05H 7/04

Claims (43)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】単極性帯電粒子ビーム（Ｓ）の集束を制御
    する方法であって、前記ビーム（Ｓ）はビーム断面積
    （Ｑ）をもってビーム軸（Ｚ）に対し垂直な第１の面
    （E1）を通過するものであり、２つの磁束密度の磁界
    （B1,B2）を前記軸（Ｚ）を含む第２の面（E2）の両側
    に、前記第１の面（E1）においてその磁界線のベクトル
    主成分が前記第２の面（E2）に本質的に平行であってか
    つ反対の極性を有する様にして印加し、前記ビーム断面
    積（Ｑ）の範囲を前記２つの磁界を制御することによっ
    て前記第２の面（E2）に垂直な方向（Ｙ）において変化
    させる、単極性帯電粒子ビーム（Ｓ）の集束を制御する
    方法において、 前記２つの磁束密度の磁界（B1,B2）を、前記第２の面
    （E2）に平行な前記ビーム断面積（Ｑ）の範囲よりかな
    り大きな距離に渡って互いに実質的に平行である磁界線
    を有して発生させたことを特徴とする、単極性帯電粒子
    ビームの集束を制御する方法。
  2. 【請求項２】前記単極性帯電粒子は電子である、請求項
    １記載の方法。
  3. 【請求項３】前記２つの磁束密度の磁界（B1,B2）が本
    質的に同じ値をもって印加され、これらの値は、前記磁
    界を制御可能に調節するとき、等しい値に維持される、
    請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】第２の面（E2）の両側に印加される磁界
    は、前記ビームの断面積の直径より実質的に長い所定の
    距離にわたって本質的に一定である、請求項１から３ま
    でのいずれか１項に記載の方法。
  5. 【請求項５】第１（E1）と第２の面（E2）に垂直な第３
    の面（E3）に対し、追加の２つの磁束密度の磁界（B3,B
    4）が、第３の面（E3）の両側の領域で反対の極性の本
    質的に平行なベクトル成分をもって、印加される、請求
    項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】前記追加の磁束密度の磁界の前記ベクトル
    成分が、少なくとも断面積（Ｑ）の範囲に対応する長さ
    にわたり平行である、請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】前記追加の磁束密度の磁界が、断面積の範
    囲より実質的に長い距離に沿い、本質的に一定である、
    請求項５記載の方法。
  8. 【請求項８】前記追加の磁界の前記ベクトル成分（B3,B
    4）の前記軸（Ｚ）を中心と見なした場合の回転方向
    が、前記２つの磁界の前記ベクトル成分（B1,B2）の前
    記軸（Ｚ）を中心と見なした場合の回転方向とは反対で
    ある様にして、前記追加の磁界が印加される、請求項５
    から７までのいずれか１項に記載の方法。
  9. 【請求項９】前記追加の磁束密度の磁界（B3,B4）もま
    た、本質的に第１の面（E1）内で印加される、請求項５
    から８までのいずれか１項に記載の方法。
  10. 【請求項１０】２つの磁束密度の磁界（B1,B2）と追加
    の２つの磁束密度の磁界（B3,B4）がビーム伝播方向
    （Ｚ）においてあるズレを有してかつ相互に非結合の状
    態で印加される、請求項５から９までのいずれか１項に
    記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記ビームの断面積（Ｑ）が第１の面
    （E1）に沿って制御可能な態様でシフトする様に前記ビ
    ームを偏向する場合、前記制御可能な偏向（Bu）は前記
    ビーム断面積（Ｑ）が前記２つの磁束密度の磁界（B1,B
    2）のベクトルに対し本質的に平行にシフトするように
    して前記第２の面（E2）内で実行される、請求項１から
    10までのいずれか１項に記載の方法。
  12. 【請求項１２】ビームは90゜以上偏向させられる、請求
    項11記載の方法。
  13. 【請求項１３】ビームは180゜以上偏向させられる、請
    求項11記載の方法。
  14. 【請求項１４】前記第１の面内におけるビームの前記断
    面積の調節の結果として生ずる、目標（Ｍ）上のビーム
    の入射領域上の磁界の効果は、前記第１の面と前記目標
    の間でビーム伝搬のクロスオーバを提供することによ
    り、反転させられる、請求項１から13までのいずれか１
    項に記載の方法。
  15. 【請求項１５】前記それぞれの磁界は、交流磁界として
    印加され変調される、請求項１から14までのいずれか１
    項に記載の方法。
  16. 【請求項１６】前記それぞれの磁界はパルス状のもので
    ある、請求項１から14までのいずれか１項に記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】前記ビーム集束の制御はビーム偏向シス
    テムに適用される、請求項１から16までのいずれか１項
    に記載の方法。
  18. 【請求項１８】１つの軸に沿う予め定められたビーム伝
    搬の帯域（13）を有する単極性の帯電粒子、例えば電
    子、のビームの集束を制御するシステムであって、 制御可能な磁石アレイが設けられ、前記磁石アレイによ
    りビーム断面積（Ｑ）の範囲が少なくとも１つの方向
    （Ｙ）において制御される態様で変化させられ、前記断
    面積（Ｑ）は前記軸（Ｚ）に垂直な面（E1）内にあると
    みなされ、 前記磁石アレイにより２つの磁束密度の磁界が第１の面
    （E1）内で印加され、これらの磁界はベクトル成分を有
    し、前記ベクトル成分は第１の面（E1）に垂直で、かつ
    前記軸（Ｚ）を通る第２の面（E2）の両側にあり、かつ
    相互に本質的に平行であり反対の極性を有するようにな
    っている、システムにおいて、 前記磁石アレイ（3,5,23,25,33,35）は、磁束密度磁界
    （B1,B2）をビーム断面積（Ｑ）の範囲より相当に大で
    ある距離にわたり第１の面において本質的に平行な磁力
    線をともなって発生するように設計されていることを特
    徴とする、ビーム集束制御システム。
  19. 【請求項１９】前記ビームは90゜より大きく偏向され
    る、請求項18記載のシステム。
  20. 【請求項２０】前記ビームは180゜より大きく偏向され
    る、請求項18記載のシステム。
  21. 【請求項２１】前記ビーム集束制御システムはビーム偏
    向システムに適用される、請求項18から20までのいずれ
    か１項に記載のシステム。
  22. 【請求項２２】前記ビーム集束制御システムは電子ビー
    ム発生装置に適用される、請求項18から21までのいずれ
    か１項に記載のシステム。
  23. 【請求項２３】前記電子ビーム発生装置は真空処理シス
    テムに適用される、請求項22記載のシステム。
  24. 【請求項２４】前記磁石アレイが、２つの本質的に平行
    な棒磁石によって形成されている、請求項18記載のシス
    テム。
  25. 【請求項２５】前記磁石アレイ用の制御ユニット（11）
    を具備し、該制御ユニットにより前記磁石アレイが、第
    ２の面（E2）の両側の磁束密度の絶対値が等しくなる様
    に制御される、請求項18から24までのいずれか１項に記
    載のシステム。
  26. 【請求項２６】前記磁石アレイ（3,5,23,25,33,35）
    は、第２の面（E2）の両側の磁束密度磁界（B1,B2）の
    推移が、前記断面積（Ｑ）の範囲よりも相当に長い領域
    にわたって、本質的に一定であるように設計されてい
    る、請求項18から25までのいずれか１項に記載のシステ
    ム。
  27. 【請求項２７】前記磁石アレイが、第２の面（E2）に対
    し実質的に平行に配置された２つの磁気ダイポール（3,
    5,23,25,33,35）を有する、請求項18から26までのいず
    れか１項に記載のシステム。
  28. 【請求項２８】前記２つの磁気ダイポール（3,5,23,25,
    33,35）が本質的に第１の面（E1）内に位置する、請求
    項27記載のシステム。
  29. 【請求項２９】前記第１の面（E1）に位置する前記磁気
    ダイポール（3,5,33,35）が、前記第２の面（E2）に対
    して本質的に対称となるように配置されている、請求項
    28記載のシステム。
  30. 【請求項３０】ビーム（Ｓ）に対して制御された偏向装
    置（Bu）を具備し、前記偏向装置が本質的に第２の面
    （E2）においてビーム偏向を行う、請求項18から29まで
    のいずれか１項に記載のシステム。
  31. 【請求項３１】前記磁石アレイは、第２の面（E2）に垂
    直な追加の磁束密度の磁界（B3,B4）を、前記軸（Ｚ）
    の両側で反対の極性をもって発生させる、請求項18から
    30までのいずれか１項に記載のシステム。
  32. 【請求項３２】ビーム（Ｓ）の少なくとも１つのクロス
    オーバ領域（Ｋ）を発生し電子光学システムの態様にお
    いてビームを発生する装置（Bu）を有し、前記磁石アレ
    イ（3,5,23,25,33,35）と装置（Bu）は、前記磁束密度
    の磁界（B1,B2,B3,B4）による前記断面積の変化が、目
    標表面上で前記ビームの断面に逆の効果を及ぼすよう協
    力する、請求項30または31に記載のシステム。
  33. 【請求項３３】前記磁石アレイは、２個の磁気ダイポー
    ル（3,5、33,35）を有し、このダイポールのそれぞれは
    互いに一定の距離だけ離れた２個のホルダーの各々一つ
    に設置され、前記軸は、前記ホルダー（37,39）の間を
    通過する、請求項18から32までのいずれか１項に記載の
    システム。
  34. 【請求項３４】前記ビーム発生装置（15,41）に、位置
    決めおよび固定化システムを設けて、発生したビーム
    （Ｓ）が予め決められた帯域（13）に沿い伝搬するよう
    にした、請求項18から33までのいずれか１項に記載のシ
    ステム。
  35. 【請求項３５】前記ダイポール（33,35）の領域におい
    て前記ホルダー（37,39）は、実質的に非強磁性材料か
    ら構成され、前記ダイポールはこのホルダー（37,39）
    内に収容される、請求項33記載のシステム。
  36. 【請求項３６】前記ホルダーは、種々の金属の部分から
    なる、請求項33記載のシステム。
  37. 【請求項３７】前記金属は銅である、請求項36記載のシ
    ステム。
  38. 【請求項３８】前記金属はステンレス鋼である、請求項
    36記載のシステム。
  39. 【請求項３９】前記磁石アレイは永久磁石および／また
    は電磁石を包含する、請求項18から36までのいずれか１
    項に記載のシステム。
  40. 【請求項４０】前記ビーム集束制御システムは、ビーム
    偏向システムに適用される、請求項24から39までのいず
    れか１項に記載のシステム。
  41. 【請求項４１】前記ビーム集束制御システムは、電子ビ
    ーム発生装置に適用される、請求項24から40までのいず
    れか１項に記載のシステム。
  42. 【請求項４２】前記電子ビーム発生装置は、真空処理シ
    ステムに適用される、請求項41記載のシステム。
  43. 【請求項４３】前記ベクトル成分は等しい値を有する、
    請求項５に記載の方法。
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