JP4922747B2

JP4922747B2 - 荷電粒子ビーム装置

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Inventors: 和也後藤
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Description

本発明は、荷電粒子ビームを集束・偏向し、そのビームで目標物を走査する電子光学装置であり、例えば電子ビーム描画装置や走査型電子顕微鏡を具体例とする荷電粒子ビーム装置に関する。

荷電粒子ビーム装置、或いは荷電粒子ビーム集束偏向装置として知られる、従来型の電子ビーム集束偏向装置を図１に示す。各部位の相対的位置関係は、下記特許文献１に示されている光学系（電子ビーム描画装置）の光学系と同じである。縮小レンズ１により光源（物体）２の像３が形成され、対物レンズ４により像３の像５が材料６面上に形成される。この状態で偏向器７を働かせて電子ビーム９を偏向すれば、像５を所望の位置に移動させることができる。なお、縮小レンズ１の倍率（絶対値）は当然１より小さいが、これは、微細な断面の電子ビーム（像５）を材料６に照射するためである。図１の光学系を電子ビーム描画の目的で用いるのであれば、集積回路の微細パターンを描画するため、このことは必須である。また、同目的には、偏向速度を速くするため、偏向器７としては静電偏向器が用いられる。

図１に示すように、偏向器７に加え偏向器８を設け、偏向系を多段構成とすれば、偏向収差（例えば偏向コマ収差や偏向色収差）を補正しつつ像５を所望の位置に移動させることができる。このとき、偏向器７，偏向器８の作る偏向場（強さと向き）は、偏向器７，８に起因する偏向収差が互いに打ち消されるように選ばれる。図１に示すように、偏向器８が像３の近くにあり、かつ電極長が短ければ、偏向器７の偏向感度（材料６面上における像５の移動距離と偏向電圧との比）と偏向器８のそれとを比較すると、前者は高く、後者は低くなる。そのような場合、大まかに言って、偏向器７は材料面６上の偏向距離及び偏向の向きを支配的に決め、偏向器８は偏向器７に起因する収差を補正している。なお、偏向器８の偏向感度が低いことは、偏向器が物点（この場合は像３）に近いほど偏向による物点（像３）の仮想的な移動が小さくなることに対応する。

図１に示した偏向器８と偏向器７のように、連動される偏向器が２つであれば、自由度は２となる。このことは、像５の位置を決めることと、それと同時に１種類の偏向収差を補正することが可能なことに対応する。

なお、下記特許文献２及び非特許文献１には、連動させる偏向器を３つとすれば、自由度が３になり、像５の位置を決めることと、２種類の収差を補正することが可能になることが記載されている。

また、下記特許文献１には、連動させる偏向器が２つであっても、レンズ場や偏向場の分布を選べば、１種類の収差を補正したうえで別の収差を完全には補正できないが低減することが可能であると記載されている。
特公平２−３４４２６号公報特開昭５４−８２９６２号公報 T. Hosokawa, Optik, vol. 56, No. 1, pp.21-30 (1980)

ところで、従来から荷電粒子ビーム装置では、荷電粒子を被ビーム照射物の表面上で偏向する際に、偏向に伴う収差が発生していた。偏向に伴う収差としては、像面湾曲収差、非点収差、歪収差、コマ収差、色収差がある。このうち、フォーカスのずれとして発生する像面湾曲収差、非点収差については、補正器による動的補正が可能である。また、位置ずれとして生じる偏向歪収差は、偏向信号に補正信号を重畳させることで補正できる。これらの収差補正は、例えば電子ビーム描画装置において既に一般的に行われていた。

例えば、フォトマスク生産用の電子ビーム描画装置にあっては、前記被描画材料の表面上には、矩形状のビームが照射される。偏向フィールドが例えば１ｍｍである場合には、偏向収差が原因のぼけ、位置ずれは数十ｎｍとなるが、前記コマ収差と色収差の補正を行えば、描画精度が大きく向上する。なお、ここでは、材料６に投影される図形は十分小さいものとし、図形の大きさに起因する誤差は考えていない。

前述のように、像５の位置を決定しつつ偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正するためには、自由度３となるように３つの偏向器を連動させればよい。しかしながら、そのような光学系の設計に関する指針、すなわち偏向場やレンズ場の最適化に関する指針はこれまで示されていない。条件によっては、偏向電圧が高くなりすぎるなどの問題が生じる。偏向の大きさを変えずに偏向電圧を下げるためには、偏向器長を長くする、または偏向器内径を小さくするとよいが、通常、偏向器長を長くすることは空間的制約から困難であり、また偏向器内径を小さくすることは、偏向器内壁へのコンタミ付着・帯電の問題から避けたほうがよい。

偏向器長を長くしたり偏向器内径を小さくすることなく偏向電圧を低く抑えられる荷電粒子ビーム装置は、本件出願人による特願２００６−００３５２３に開示されている。図２は荷電粒子ビーム装置の構成を説明するための図である。縮小レンズ１の前段に収差補正用偏向器８を配置し、レンズの集束作用を利用して電子ビーム９の偏向角を拡大する構成である。

しかし、この荷電粒子ビーム装置によっても、偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正する場合は、全ての偏向器の偏向電圧が低く抑えられるとは限らない。１種類の偏向収差を補正する場合は、２段の偏向器を用い、位置決めと、位置決めに伴う収差の補正との２つの役割を、それぞれ別の偏向器に独立に担わせることができるが、２種類の偏向収差を同時に補正する場合は、３段の偏向器を用いるため、場合によっては、ある偏向器の位置決めあるいは収差補正の効果が、別の偏向器の位置決めあるいは収差補正の効果で打ち消されることがあるからである。

このような場合、必要な大きさの偏向を得るためには、打ち消された位置決め偏向量あるいは偏向収差補正量の分だけ（電子ビーム９の軌道が振り戻された分だけ）、各偏向器による偏向を大きくする、すなわち偏向電圧を高くする必要が生じる。さらには、大きな偏向により、大きく軌道が振り戻されることは、電子ビーム９の軌道がレンズの中心軸から、より長い距離に渡り、より大きく外れることであるから、その他の偏向収差（像面湾曲収差、非点収差、歪収差）が増大しうるという問題も発生する。したがって、このような手法を用いる場合でも、偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正する光学系を設計するに当たっては、その最適化の指針をより詳細に定める必要がある。

なお、前記特許文献１の光学系によれば、３つではなく２つの偏向器を連動させるだけでも、１種類の収差を補正した上で別の収差をサブミクロンレベル（偏向フィールド１０ｍｍ時）に低減することができると記載されているが、完全に補正することはできない。過去においては偏向に伴うビームぼけがサブミクロンレベルに低減されていれば問題ないとみなされたが、現在の電子ビームリソグラフィーにおいては、要求される描画精度の高さから、ビームぼけは数ｎｍ以下に低減されること、さらに理想的には完全に除去されることが求められる。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、電極内径を小さくしすぎることなく、また偏向電圧を高くしすぎることなく、対物レンズ像面におけるビーム入射位置を決定しつつ偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正することのできる荷電粒子ビーム装置の提供を目的とする。

本発明に係る荷電粒子ビーム装置は、前記課題を解決するために、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム源と、前記荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームの寸法を縮小する縮小レンズと、前記縮小レンズによって寸法が縮小された荷電粒子ビームを被ビーム照射物の表面に集束する対物レンズと、前記縮小レンズの前段或いは前記対物レンズの物面近傍に配置される第１の偏向器と、前記対物レンズのレンズ場に対し、自らの発生する偏向場の全てあるいはその一部が重なるように配置される第２の偏向器と、前記第２の偏向器の後段に配置される第３の偏向器とを備える。

前記第１の偏向器、第２の偏向器及び第３の偏向器の寸法、位置、偏向電圧を調整して偏向場の分布を選び、対物レンズの像面におけるビーム入射位置を決定しつつ各々の偏向器に起因する偏向コマ収差を互いに打ち消すと同時に、各々の偏向器に起因する偏向色収差を互いに打ち消すことが好ましい。

また、前記偏向コマ収差と偏向色収差が打ち消される条件を満たしつつ、前記第２の偏向器及び前記第３の偏向器に入力する偏向信号を同じにすることが好ましい。

また、前記第３の偏向器の前記第２の偏向器に対する回転角（偏向電極の向き）θについて、Ｌ_１、Ｌ_２を前記第１及び第２偏向器のコマ収差係数とし、Ｃ_１、Ｃ_２を前記第１及び第２偏向器の色収差係数とし、Ｌ_３、Ｃ_３を前記第３の偏向器の前記第２の偏向器に対する回転角を零にした状態で定義される第３の偏向器のコマ収差係数及び色収差係数とし、u_i2とu_i3を、それぞれ前記第３の偏向器の前記第２の偏向器に対する回転角を零にした状態で、前記第２の偏向器、前記第３の偏向器に単位偏向電圧を印加したときの、前記対物レンズ像面におけるビーム入射位置（複素数）と定義し、さらにθ＝arg（(Ｌ_１Ｃ_２−Ｌ_２Ｃ_１)／(Ｌ_３Ｃ_１−Ｌ_１Ｃ_３)）としたとき、０＜θ＜２arg(u_i2／u_i3)あるいは０＞θ＞２arg(u_i2／u_i3)の関係が成り立つように、レンズ場と偏向場の分布を選択することが好ましい。

また、前記第１の偏向器、前記第２の偏向器及び前記第３の偏向器の寸法、位置、相対的な回転角を調整して偏向場の分布を選び、これら３つの偏向器に入力する偏向信号を同じにすることが好ましい。

以上に説明したように、本願発明の荷電粒子ビーム装置は、３段の偏向器を連動させ、対物レンズ像面におけるビーム入射位置を決定しつつ偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正する装置であり、第１の偏向器を縮小レンズの前段あるいは対物レンズの物面付近に配置し、第２の偏向器を、その偏向場の全てあるいはその一部が対物レンズのレンズ場と重なるように配置する。さらに第３の偏向器を第２の偏向器の後段に配置する。

第２、第３の偏向器への偏向電圧を同じにする。つまり、偏向電極への印加電圧を同じにする。

また、０＜θ＜２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）あるいは０＞θ＞２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）となるように、レンズ場と偏向場の分布を選択する。第３の偏向器を第２の偏向器に対して、第１、第２、第３の偏向器についての偏向コマ収差係数と偏向色収差係数から決まる角度θだけ回転させる。ｕ_ｉ２とｕ_ｉ３は、それぞれ、第３の偏向器の第２の偏向器に対する回転角を零にした状態で第２、第３偏向器に単位偏向電圧を印加したときの、対物レンズ像面におけるビーム入射位置である。

本発明に係る荷電粒子ビーム装置は、電極長をあまり長くすることなく、電極内径をあまり小さくすることなく、かつ、偏向電圧をあまり高くすることなく、対物レンズ像面におけるビーム入射位置を決定しつつ偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。まず、第１の具体例について説明する。この第１の具体例は、電子ビームにより半導体製造に用いるフォトマスクのマスクパターンを描画する電子ビーム描画装置である。１ｍｍの偏向フィールド内で、線幅１μｍ以下のパターンを描画する際に、ｎｍオーダの精度での使用が要求される装置である。

図３は第１の具体例の電子描画装置の光学系を主体とした概略構成図である。この電子ビーム描画装置は、電子ビーム発生源２からの電子ビーム９の寸法を縮小する縮小レンズ１と、縮小レンズ１によって寸法が縮小された電子ビームを被ビーム照射物の表面に集束する対物レンズ４と、縮小レンズ４の前段に配置される第１の偏向器８と、対物レンズ４のレンズ場に対し、自らの発生する偏向場の全てあるいはその一部が重なるように配置される第２の偏向器７と、第２の偏向器７の後段に配置される第３の偏向器１０とを備える。縮小レンズ１により光源（物体）２の像３が形成され、対物レンズ４により像３の像５が材料６面上に形成される。縮小レンズ１の倍率（絶対値）は当然１より小さいが、これは、微細な断面の電子ビーム（像５）を材料６に照射するためである。

図４は電子描画装置の詳細な構成図である。電子ビーム発生源２から発生された電子ビームはブランキング機構１３によりブランキングされる。ブランキング機構１３は、ブランキング偏向器１１とブランキングプレート１２とからなる。

縮小レンズは電磁レンズ１であり、対物レンズも同じく電磁レンズ４である。材料６はステージ１７上に載置される。ステージ１７はステージ移動装置１６により駆動される。

制御装置１４は、ステージ移動装置１６にＤ／Ａ変換器１５を介してステージ移動信号を送る。また、制御装置２１は、第１の偏向器８にＤ／Ａ変換器２０及びアンプ２１を介してパターン描画位置データに対応する偏向信号を送る。また、制御装置１４は、第２の偏向器７にＤ／Ａ変換器１８及びアンプ１９を介してパターン描画位置データに対応する偏向信号を送る。また、制御装置１４は、第３の偏向器１０にＤ／Ａ変換器１８及びアンプ１９を介してパターン描画位置データに対応する偏向信号を送る。第２の偏向器７及び第３の偏向器１０用のアンプ１９は共通のアンプである。また、Ｄ／Ａ変換器１８も共通のＤ／Ａ変換器である。

この電子描画装置で特徴的なのは、第１の偏向器８が縮小レンズ１の前段に、第２、第３の偏向器７、１０が後段に配置されていることである。

また、第１の偏向器８、第２の偏向器７及び第３の偏向器１０の寸法、位置、偏向電圧を調整して偏向場の分布を選び、像５の位置を決定しつつ各々の偏向器に起因する偏向コマ収差を互いに打ち消すと同時に、各々の偏向器に起因する偏向色収差を互いに打ち消す。

また、偏向コマ収差と偏向色収差が打ち消される条件を満たしつつ、第２の偏向器７及び第３の偏向器１０に入力する偏向信号を同じにする。アンプ１９を共通することによる。

また、第３の偏向器１０の第２の偏向器７に対する回転角（偏向電極の向き）θについて、前記第１及び第２の偏向器のコマ収差係数をＬ_１及びＬ_２、第１及び第２の偏向器の色収差をＣ_１及びＣ_２とし、第３の偏向器１０の第２の偏向器７に対する回転角を零にした状態で定義される第３の偏向器１０のコマ収差係数をＬ_３、第３の偏向器１０の色収差係数をＣ_３とし、またｕ_i2とｕ_i3をそれぞれ第３の偏向器１０の第２の偏向器７に対する回転角を零にした状態で、前記第２の偏向器７、前記第３の偏向器１０に単位偏向電圧を印加したときの、前記対物レンズ４像面におけるビーム入射位置（複素数）と定義し、さらにθ＝arg（(Ｌ_１Ｃ_２−Ｌ_２Ｃ_１)／(Ｌ_３Ｃ_１−Ｌ_１Ｃ_３)）としたとき、０＜θ＜２arg(u_i2／u_i3)あるいは０＞θ＞２arg(u_i2／u_i3)の関係が成り立つように、レンズ場と偏向場の分布を選択する。

また、第１の偏向器８、第２の偏向器７及び第３の偏向器１０の寸法、位置、相対的な回転角を調整して偏向場の分布を選び、これら３つの偏向器に入力する偏向信号を同じにするようにしてもよい。

以下、電子描画装置の動作について詳細に説明する。各偏向器の向き（Ｘ軸用偏向電極の向き）は、Ｘ軸に平行とする。

３つの偏向器８、７及び１０を連動させたとき、偏向コマ収差と偏向色収差は、それぞれ重ね合わされて、式（１）、（２）と表される。

前記式（１）及び（２）にあって、式（３）と式（４）は光源２におけるビーム開き角（複素数）、Ｌ_ｎとＲ_ｎ（光源２に近いほうからｎ＝１，２，３）は各偏向器の偏向コマ収差係数（複素数）、Ｃ_ｎは偏向色収差係数（複素数）である。

またＶ_ｎは偏向電圧（複素数）で、式（５）と定義する。

Ｖ_ｎｘ、Ｖ_ｎｙはそれぞれ各偏向器のＸ軸、Ｙ軸用偏向電極への印加電圧である。ΔＶは電子のエネルギー分散、Ｖ＾_０は相対論補正を施した加速電圧である。連動する３つの偏向器に起因する偏向コマ収差が打ち消される条件式と、偏向色収差が打ち消される条件式は、それぞれ、式（６）、（７）となる。

コマ収差の性質から、Ｌ_ｎの項が補正されると、自動的にＲ_ｎの項も補正されるため、式（６）の条件は簡単となり、式（８）となる。

また、ここでは、偏向場の高次成分は無視している（ＸＹ面内の電界分布を均一としている）。すなわち、実用的には、各偏向器として、高次成分（６極子成分）を除去した８極あるいは１２極の偏向器の使用を考えている。

通常はＵ_０’≠０かつΔＶ≠０であることより、式（７）、（８）を簡単にすれば、偏向コマ収差と偏向色収差が同時に打ち消される条件（偏向コマ・色収差同時補正条件）は、式（９）と表せる。この式（９）より、次の式（１０）という関係が導ける。

ここで、Ａ_１及びＡ_３は式（１１）という関係である。

３つの偏向器を連動させたとき、材料６面上における像５の位置（複素数）は、式（１２）と表せる。

この式（１２）にあって、ｕ_ｉｎは各偏向器に単位電圧Ｖ_ｎ＝１Ｖ（Ｖ_ｎｘ＝１Ｖ、Ｖ_ｎｙ＝０Ｖ）を印加したときの、材料６面上における像５の位置（複素数）を示す。

第２、第３の偏向器７、１０のいずれか、あるいは両方は、位置決めの役割を担うから、｜Ｖ_２｜と｜Ｖ_３｜のいずれかあるいは両方は、両偏向器を駆動する高速アンプの出力の許す限り十分大きく設定されている（偏向器へのコンタミ付着・帯電をできるだけ防ぐ目的で、偏向器内径をできるだけ大きくしている）。また、第１の偏向器８は第２、第３の偏向器７、１０と連動するため、第１の偏向器８の偏向速度も、第２、第３の偏向器７、１０のそれと同等でなければならないから、第１の偏向器８も、第２、第３の偏向器７、１０と同様に高速アンプで駆動される。これらの理由から、｜Ｖ_１｜＞｜Ｖ_２｜や｜Ｖ_１｜＞｜Ｖ_３｜となることは通常ない。また、第１の偏向器８は縮小レンズ１の前段（あるいは対物レンズ４の物面近くでもよい）にあり、第２、第３の偏向器７、１０は対物レンズ４の物面より後段にあることから、｜ｕ_ｉ１｜は、｜ｕ_ｉ２｜および｜ｕ_ｉ３｜に比べて小さい。以上の理由から、｜ｕ_ｉ１Ｖ_１｜は｜ｕ_ｉ２Ｖ_２｜および｜ｕ_ｉ３Ｖ_３｜に比べ十分小さい。従って、式（１２）において、ｕ_ｉ１Ｖ_１を無視すれば、改めて、式（１３）と表せる。

第２、第３の偏向器７、１０を分割する前（偏向コマ収差と偏向色収差のいずれかを補正する、あるいは補正をしない）は、Ｖ_２＝Ｖ_３となるから、偏向器分割前の、材料６面上における像５の位置をＵ_ｉｃと表すと、式（１３）を用いて、以下の式（１４）となる。

一方、偏向器分割後（偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正する）の像５の位置は、式（１０）と式（１３）から、以下の式（１５）となる。

ここで、Ａ_３＝｜Ａ_３｜exp（ｉθ）と表すと、式（１６）となる。

この式（１６）は、第３の偏向器１０を機械的に第２の偏向器７に対してθだけ回転させ、第３の偏向器１０の偏向電圧を｜Ａ_３｜倍に高めたときの、材料６面上における像５の位置と解釈できる。すなわち、電気的にＡ_３の向きを変えることは、機械的にＡ_３の向きを変えることと等価である。Ｕ_ｉｃとＵ_ｉを図５に示す。

Ｕ_ｉの向きを変えるには、３つの偏向器を、相対的な回転角を保って回転させればよいから、Ｕ_ｉを議論するうえでは、その大きさ｜Ｕ_ｉ｜に着目すればよい。そこで、以下で、｜Ｕｉ｜ができるだけ大きくなる条件について議論する。同じ偏向電圧に対して｜Ｕ_ｉ｜ができるだけ大きくなる条件は、同じ｜Ｕ_ｉ｜に対して偏向電圧ができるだけ低くなる条件と等価であるから、そのような条件を求めれば、本発明の目的を達成することができる。

式（１６）と図５から分かるように、｜Ｕ_ｉ｜を大きくするには、｜arg（ｕ_ｉ３／ｕ_ｉ２）＋θ｜をできるだけ小さく、かつ、｜Ａ_３｜を大きくすればよい。しかし、先述のように、｜Ｖ_２｜は既に十分大きく設定されているため、｜Ａ_３｜＞１にはできない。従って、｜Ａ_３｜＝１とするのが最もよい。また、｜Ａ_３｜＝１の状態で第３の偏向器１０を機械的に第２の偏向器７に対してθだけ回転させれば、Ａ_３＝１にすることができるから、両偏向器に同じ偏向信号が入力できる、すなわち、両偏向器が同じアンプ１９やＤＡ変換器１８で駆動・制御できるという利点も生じる。

｜ｕ_ｉ２｜と｜ｕ_ｉ３｜は各偏向器を回転させても変わらないから、｜Ａ_３｜＝１に固定するならば、｜Ｕ_ｉ｜と｜Ｕ_ｉｃ｜は、ｕ_ｉ２とｕ_ｉ３のなす角度arg（ｕ_ｉ３／ｕ_ｉ２）で決まる。｜Ｕ_ｉ｜＜｜Ｕ_ｉｃ｜では、必要な偏向電圧が偏向器分割前より高くなってしまうから、少なくとも｜Ｕ_ｉ｜＞｜Ｕ_ｉｃ｜となるようにＬ_ｎ，Ｒ_ｎ，Ｃ_ｎ（ｎ＝１，２，３）を選択する、すなわちレンズ場と偏向場の分布を決定するとよい。図５より、｜Ｕ_ｉ｜＞｜Ｕ_ｉｃ｜となる条件は、
arg（ｕ_ｉ３／ｕ_ｉ２）＜arg（ｕ_ｉ３／ｕ_ｉ２）＋θ＜−arg（ｕ_ｉ３／ｕ_ｉ２）
すなわち、０＜θ＜２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）である（arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）＝−arg（ｕ_ｉ３／ｕ_ｉ２））。このとき、第３の偏向器１０の、第２の偏向器７に対する回転の向きは、レンズ磁場により電子ビーム９の軌道が回転する向きに一致する。また、θ＝arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）のとき、｜Ｕ_ｉ｜は最大となる。

なお、ここでは、レンズ磁場により電子ビーム９の軌道が回転する向きは、電子の進行とともに右回り（右ねじの向き。図４では反時計回り）を仮定しているが、もし軌道の回転する向きが逆であれば、上の条件は、
arg（ｕ_ｉ３／ｕ_ｉ２）＞arg（ｕ_ｉ３／ｕ_ｉ２）＋θ＞−arg（ｕ_ｉ３／ｕ_ｉ２）
すなわち、０＞θ＞２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）となる。

上の例では、第２の偏向器７と第３の偏向器１０の間に間隙はないものとしているが、偏向器を分割して回転させるならば、実際には、絶縁のため、両者間には間隙を設ける必要がある。さらには、偏向電極や、電界遮蔽用の棒状体（例えば特開平２−１００２５０参照）を支持するため、分割した偏向器の間には板状の支持体が必要になるから、この分、間隙は大きくしなくてはならない。

空間的制約から、第２の偏向器７の上端と、第３の偏向器１０の下端の位置を変えないものとすると、この間隙のため、（合計した）偏向器長は分割前より短くならざるをえない。すなわち、偏向器を分割すると、偏向器長の減少分だけ｜Ｕ_ｉ｜が小さくなる。０＜θ＜２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）（あるいは０＞θ＞２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３））となるようにＬ_ｎ，Ｒ_ｎ，Ｃ_ｎ（ｎ＝１，２，３）を選ぶ、すなわちレンズ場と偏向場の分布を選ぶ際には、この減少分の補償を考慮するとよい。

なお、先述のように、収差補正用偏向器の偏向電圧を下げるには、その偏向器を縮小レンズ１の前段に配置することが有効であるが、縮小レンズ１の前段に第１、第２の偏向器８、７の両方を配置（第３の偏向器１０は縮小レンズ１の後段に配置）すると、次のような問題が生じる。第１、第２の偏向器８、７をこのように配置すると、両偏向器の収差特性は近くなる。より具体的にいえば、両者の偏向コマ収差と偏向色収差の比が近くなり、Ｌ_１／Ｃ_１＝Ｌ_２／Ｃ_２に近い状態となる。これは、縮小レンズ１の前段の偏向器により電子ビーム９を偏向する場合、光源２の像３の、縮小レンズ１の像面上における位置が、縮小レンズ１の倍率の低さから、その偏向器の寸法や位置にあまり依存しない、すなわち、縮小レンズ１のレンズ場を通過後の偏向軌道の形状が（軌道の、中心軸からの距離は変わるが）、その偏向器の寸法や位置にあまり依存しないためである。偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正するならば、式（１０）よりＶ_２＝Ｖ_３／Ａ_３としなくてはいけないが、Ｌ_１／Ｃ_１＝Ｌ_２／Ｃ_２すなわちＬ_１Ｃ_２−Ｌ_２Ｃ_１＝０に近い状態になると、Ａ_３が零に近づき、その結果｜Ｖ_２｜＞＞｜Ｖ_３｜となる。

第３の偏向器１０には位置決めの役割を担わせるから十分に高い偏向電圧を印加するが、第２の偏向器７にはさらに高い偏向電圧を印加する必要があることを、この関係は示している。また、｜Ａ_１｜＜＜１でない限り、｜Ｖ_１｜＞｜Ｖ_３｜となりうる。しかし、偏向速度の要求から、｜Ｖ_２｜＞｜Ｖ_３｜や｜Ｖ_１｜＞｜Ｖ_３｜とすることはできないから、このような配置を避けなければならない。同じ理由から、縮小レンズ１の前段に第１の偏向器８を、かつ対物レンズ４の物面（縮小レンズ１の像面）付近に第２の偏向器７を配置する、あるいは、対物レンズ４の物面付近に第１、第２の偏向器８、７の両方を配置するのも避けるのがよい。

逆に、第１、第２の偏向器８、７の収差特性に差を持たせる、すなわち、Ｌ_１／Ｃ_１＝Ｌ_２／Ｃ_２に近い状態を避けるには、第１の偏向器８を縮小レンズ１の前段、あるいは対物レンズ４の物面（縮小レンズ１の像面）の近傍に配置するのに対し、第２の偏向器７を図３に示すように対物レンズ４のレンズ場内に配置する（少なくとも、第２の偏向器７による偏向場の一部が対物レンズ４のレンズ場と重なるように配置する）のがよい。偏向収差は、偏向器により電子ビーム９の軌道が曲げられ、その軌道のレンズ中心軸からのずれがレンズ場内において大きくなることにより増加するから、軌道の曲がり始めの位置を変えることで、収差の増加する区間を変えることができ、その結果、偏向器の収差特性（偏向コマ収差と偏向色収差の比）が変わる。

以上のような光学系配置、動作条件により、偏向電圧を高くすることなく、また、偏向器長を長くしたり偏向器内径を小さくしたりすることなく、像５の位置を決定しつつ偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正することが可能になる。

なお、先述のように、第３の偏向器１０を機械的に第２の偏向器７に対してθだけ回転させ、Ａ_３＝１とすることで、両偏向器が同じアンプやＤＡ変換器で駆動・制御できるが、これを押し進め、第１の偏向器８の寸法、位置、回転角を選び、３つの偏向器全てについて偏向電圧を等しくする（Ａ_１＝Ａ_３＝１）と、全ての偏向器が同じアンプやＤＡ変換器で駆動・制御できるようになる。

偏向コマ・色収差同時補正において０＜θ＜２arg（ｕ _ｉ２／ｕ _ｉ３）（あるいは０＞θ＞２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３））となるような条件が実際に存在することを示すため、図３の光学系のように３段の偏向器を用いた集束偏向系について収差補正シミュレーションを実施した。縮小レンズ１のレンズ場分布は固定とし、対物レンズ４のレンズ場分布と偏向場分布を変えて計算を行った。対物レンズ４のレンズ場分布と偏向場分布は仮想的なものとし、解析関数の重ね合わせで表した。ただし、偏向電圧に対する偏向場の強さは、十分な偏向器長の、偏向器内径９ｍｍの偏向器に対する数値計算結果に合わせた。各偏向器の長さは、｜Ａ_１｜＝｜Ａ_３｜＝１となるように選んだ。第２の偏向器７の上端と、第３の偏向器１０の下段の位置は変えないものとし、両偏向器間の間隙は３ｍｍとした。光源２の位置と材料６面の位置はそれぞれｚ＝−２２０ｍｍ、０ｍｍとし、投影倍率は１／２０とした。

シミュレーションで得られた結果を表１、図６に示す。表１は、計算で得られたｕ_ｉ２、ｕ_ｉ３、２ａｒｇ（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）、θ、偏向電圧の値を示す。図６は、レンズ場と偏向場の強度分布を示す。縦軸は磁界強度と電界強度の大きさを示す。横軸は位置ｚ［ｍｍ］を示す。比較のため、対物レンズ４のレンズ場を変えた２つの光学系（ａ）、（ｂ）について結果を示してある。

表１に示す偏向電圧は、材料６面上における像５のＸおよびＹ方向への５００μｍ移動つまりＸ軸から４５°方向への７０７μｍ（＝５００×√２）移動に対するものである。

偏向器分割前の偏向電圧を比較すると、両光学系の偏向電圧は１５５Ｖ前後であり、ほとんど差はない。しかし、偏向器分割後は両者に大きな差が生じている。偏向器分割後、光学系ａでは、０＜θ＜２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）となっており、その偏向電圧は、（第２、第３の偏向器７、１０間に間隙があるにもかかわらず）１５５Ｖと、偏向器分割前の偏向電圧１５７Ｖより低くなっている。一方、光学系ｂでは、０＜２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）＜θとなっており、その偏向電圧は２１０Ｖと、偏向器分割前の偏向電圧１５４Ｖより大幅に高くなっている。

次に、第２の具体例について説明する。この第２の具体例も電子描画装置である。図７は、第２の具体例の電子描画装置の光学系を主体とした概略構成図である。第２の具体例が第１の具体例と異なるのは、第１の偏向器８の配置である。第１の偏向器８を、縮小レンズ１の近傍に置いている。詳細には、縮小レンズ１と第２の偏向器７との間であって、像３の付近である。

動作としては、前記第１の具体例と同様であるので説明を省略する。

次に、第３の具体例について説明する。この第３の具体例は、電子ビームの代わりに、イオンビームなどの荷電粒子ビームを用いる。構成及び動作は、前記第１具体例および第２具体例と同様である。

以上に説明したように、前記第１〜第３具体例によれば、３段の偏向器を連動させ、偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正する荷電粒子ビーム集束偏向装置において、第１の偏向器を縮小レンズの前段あるいは対物レンズの物面付近に配置し、第２の偏向器を、その偏向場の全てあるいはその一部が対物レンズのレンズ場と重なるように配置する。さらに第３の偏向器を第２の偏向器の後段に配置する。

第２、第３の偏向器への偏向電圧を同じにする。これは偏向電極への印加電圧を同じにすることである。つまり、偏向器駆動アンプを一つにする。

０＜θ＜２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）あるいは０＞θ＞２arg（ｕ_ｉ２／ｕ_ｉ３）となるように、レンズ場と偏向場の分布を選択する。第３の偏向器を第２の偏向器に対して、第１，２，３の偏向器についての偏向コマ収差係数と偏向色収差係数から決まる角度θだけ回転させる。ｕ_ｉ２とｕ_ｉ３は、それぞれ、第３の偏向器の第２の偏向器に対する回転角を零にした状態で第２、第３偏向器に単位偏向電圧を印加したときの、対物レンズ像面におけるビーム入射位置である。

これらの工夫により電極長をあまり長くすることなく、電極内径をあまり小さくすることなく、かつ、偏向電圧をあまり高くすることなく、対物レンズ像面におけるビーム入射位置を決定しつつ偏向コマ収差と偏向色収差を同時に補正することができる。

なお、図４に示した詳細な構成は、第２実施例及び第３実施例にも適用できる。また、いずれの実施例にあっても、第２の偏向器７及び第３の偏向器１０のアンプ１９及Ｄ／Ａ変換器１８を共通とし、偏向電極への印加電圧を同じにできる。また、第１の偏向器８に接続するアンプ２１及びＤ／Ａ変換器２０を、前記第２の偏向器７及び第３の偏向器１０のアンプ１９及Ｄ／Ａ変換器１８と共通にしてもよい。

従来の電子ビーム描画装置の一概略例である。収差補正用偏向器を縮小レンズの前段に配置した電子ビーム描画装置の一概略例である。本発明の第１の具体例となる、電子ビーム描画装置の一概略例である。本発明の電子ビーム描画装置の詳細な構成例である。材料６面上の像５の位置（電子ビーム入射位置）を示す図である。レンズ場と偏向場の強度分布を示す図である。第２の実施例となる、電子ビーム描画装置の一概略例である。

符号の説明

１縮小レンズ
２電子ビーム源
３像
４対物レンズ
５像
６材料
７第２の偏向器
８第１の偏向器
９電子ビーム
１０第３の偏向器

Claims

荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム源と、前記荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームの寸法を縮小する縮小レンズと、前記縮小レンズによって寸法が縮小された荷電粒子ビームを被ビーム照射物の表面に集束する対物レンズと、前記縮小レンズの前段或いは前記対物レンズの物面近傍に配置される第１の偏向器と、前記対物レンズのレンズ場に対し、自らの発生する偏向場の全て、あるいはその一部が重なるように配置される第２の偏向器と、前記第２の偏向器の後段に配置される第３の偏向器とを備えた荷電粒子ビーム装置において、
前記第１の偏向器のコマ収差係数（複素数）をＬ _１、前記第２の偏向器のコマ収差係数（複素数）をＬ _２、前記第１の偏向器の色収差係数（複素数）をＣ _１、前記第２の偏向器の色収差係数（複素数）をＣ _２、前記第３の偏向器の前記第２の偏向器に対する偏向電極の回転角を零にした状態の第３の偏向器のコマ収差係数（複素数）をＬ _３、前記状態の前記第３の偏向器の色収差係数（複素数）をＣ _３、
前記第２の偏向器に単位偏向電圧を印加したときの前記対物レンズ像面におけるビーム入射位置（複素数）をｕ _i2 、
前記第３の偏向器の前記第２の偏向器に対する偏向電極の回転角を零にした状態で前記第３の偏向器に単位偏向電圧を印加したときの前記対物レンズ像面におけるビーム入射位置（複素数）をｕ _i3 としたとき、
前記第３の偏向器を前記第２の偏向器に対して角度θだけ回転させ、該角度θを
θ＝arg（(Ｌ _１Ｃ _２ −Ｌ _２Ｃ _１ )／(Ｌ _３Ｃ _１ −Ｌ _１Ｃ _３ )）としたとき、
前記対物レンズのレンズ場により前記荷電粒子ビームの軌道が回転する向きが右回りの場合、
０＜θ＜２arg(u _i2 ／u _i3 )
の条件を満たし、または、
前記対物レンズのレンズ場により前記荷電粒子ビームの軌道が回転する向きが左回りの場合、
０＞θ＞２arg(u _i2 ／u _i3 )
の条件を満たすことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
前記第２の偏向器及び前記第３の偏向器に同一の偏向信号を入力することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム装置。
前記第１の偏向器、前記第２の偏向器及び前記第３の偏向器に同一の偏向信号を入力することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム装置。