JP5373329B2

JP5373329B2 - 荷電粒子ビーム描画装置

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Description

本発明は荷電粒子ビーム描画装置に関し、更に詳しくはレジスト（感光材料）を塗布した被描画材料に半導体集積回路パターン等の微細パターンを描画するにあたり、ブランキング時のビーム漏れを防ぐことができるようにした荷電粒子ビーム描画装置に関する。

図１３は荷電粒子ビーム描画装置の構成例を示す図であり、ここでは可変成形電子ビーム描画装置の構成例を示している。従来のこの種の装置として、加速電圧５０ｋＶで電流密度が２０Ａ／ｃｍ ² のものが開発されている（例えば非特許文献１参照）。先ず、図１３に示すように、電子ビーム１が第１のレンズ（照射レンズ）２を介して第１の成形開口板３に照射される。光源４としては、一般的には、電子銃の直後に形成されるクロスオーバを考えればよい。光源４の像５は、第１の成形開口板３の下に結ばれる。

次いで、第１の成形開口板３の像が第２のレンズ（成形レンズ）６により第２の成形開口板７上に投影される。そして、第１の成形開口板３の像が第２のレンズ６により第２の成形開口板７上に投影され、第１の成形開口板３の開口の像と第２の成形開口板７の開口との重なり（論理積）で決定される図形が縮小レンズ８と対物レンズ９を介して、レジスト（感光材料）を塗布した材料１０に投影される。

その結果、レジストが感光する。即ち、投影図形１１が材料１０に転写される。従って、投影図形１１の形状と寸法、及び位置を制御することで、材料１０上に所望のパターンを描画することかできる。

投影図形１１の形状と大きさを制御するには、成形偏向器１２を用いる。該成形偏向器１２により電子ビーム１を偏向し、第１の成形開口板３の開口の像を第２の成形開口板７の開口に対して移動させる。投影図形１１の位置を制御するには対物偏向器１３と材料ステージ（図示せず）を併用する。対物偏向器１３の偏向可能領域（偏向フィールド）には制限があるため、先ず材料ステージによりステップの大きな位置決めを行ない、その上で対物偏向器１３よりステップの小さな位置決めを行なう。なお、成形偏向器１２及び対物偏向器１３としては、偏向速度を速くするため、静電偏向器が用いられる。

投影図形１１が常時材料１０上に投影されていては、一筆書きの図形しか描画できないため、一般の図形の描画には、電子ビーム１の遮断制御（ブランキング）が必要となる。図１３に示す光学系では、ブランカー１４，１５によりこの遮断制御を行っている。より詳細には、先ずブランカー１４，１５を働かせ、電子ビーム１を遮断してから、成形偏向器１２と対物偏向器１３を働かせ、投影図形１１の形状と寸法、及び位置を決定した後に、ブランカー１４，１５による電子ビーム１の遮断を解除し、投影図形１１を材料１０上に投影する。所定の時間だけ露光を行なうと、再び電子ビーム１を遮断する。なお、ブランカー１４，１５も動作（偏向）速度を高速とするため、静電偏向器となっている。

ブランカー１４，１５によるブランキングは、第２の光源の像１６がブランキング開口板１７に対して移動することによっている。第２の光源の像１６は、第１の光源の像５の、第２のレンズ６による写像である。ブランキング開口板１７は、第２の光源の像１６と同じ高さに挿入されている。

図１４に示すようにブランカー１４，１５を働かせると、第１の光源の像５は光軸に対して垂直方向に移動し、それと同時に第２の光源の像１６も光軸に対して垂直方向に移動する。この時、第２の光源の像１６の移動距離が十分大きければ、ブランキング開口板１７により電子ビーム１が遮られる。なお、図１３，図１４に示すようにブランカー１４，１５の位置を第１の成形開口板３より上方としているのは、ブランキングと共に投影図形１１の形状や寸法、及び位置が変化しないようにするためである。

言い換えると、投影図形１１と、第１及び第２の成形開口３，７とは共役の関係（像面と物面の関係）にあるので、これらの間でビームを偏向しない限り、第１及び第２の成形開口３，７の像は移動しない。

ブランカー１４，１５の連動比（上下ブランカーの強度比）は、ブランキング時の電子ビーム１の偏向支点１８が第１の成形開口板３の高さ位置に一致するように、即ち第１の成形開口板３の照射領域がブランキングの際に移動しないように決められている（例えば特許文献１参照）。例えば、第１の成形開口板３の位置を第１のレンズ２の像側焦点の位置に一致させれば、ブランカー１４，１５の連動比を１：−１（偏向角の大きさを等しく、向きを逆）とすればこの条件が満たされる。

この条件を満たす第１の目的は、ブランキングに伴い投影図形１１の電流密度分布が変わるのを防ぐことである。もし、投影図形１１の電流密度分布が変わると、投影図形１１内の露光量分布が変わり、これが投影図形１１の位置や寸法の変化即ち描画誤差となって現れる。更には、同図形の寸法制御性（線形性）が悪化する。なお、ブランキング時でなくても、同じ理由から投影図形１１の電流密度分布は均一であることが求められる。

上記条件を満たす第２の目的は、ビーム照射により発熱している第１の成形開口板３の温度分布を一定に保つことである。第１の成形開口板３には、照射ビームの電流量によっては、無視できない程度の熱変形が生じている。第１の成形偏向板３が熱平衡状態にあれば温度分布は一定に保たれているが、ブランキングの際に第１の成形開口板３の照射領域が移動すると、平衡状態が崩れ、その結果、開口の位置や大きさが変化する。これも描画誤差となって現れる。

ところで、ブランキングの性能（漏れビームの少なさ）は、ブランキング偏向距離（ブランキング開口板１７上での第２の光源の像１６の移動距離）と、ブランキング開口板１７の位置における第２の光源の像１６の分布と、ブランキング開口板１７の開口径で決まる。第２の光源の像１６の電流密度分布は、クロスオーバの電流密度分布（例えばガウシアン分布）を反映しており、一般的に図１５の（ａ）に示すように、その中央部（軸上）において電流密度が最も高い。

その電流密度分布はＺ軸からの距離（半径）が大きくなるにつれて弱くなるが、零にはならない。ブランキング時には図１５の（ｂ）に示すように、第２の光源１６の裾を形成している電流成分がブランキング開口板１７の開口を通過する。このため、ブランキングが施されていても、電子顕微鏡直下に材料があると、漏れビームにより材料が感光する。その結果、材料にその痕が残ったり、露光量過多により転写図形の寸法が大きくなったりする。

なお、ブランキングの性能は、ブランキング開口板１７の開口に対する光源の像１６の偏りにも依存する。若し成形偏向により同偏りが変化すると、ブランキングの性能が投影図形１１の形状や寸法に依存することになるため、成形偏向は、第２の光源１６が移動しないように行なうとよい。この目的のため、成形偏向器１２は多段構成（図示せず）にするとよい。このようなブランキング時のビーム漏れを低減するには、ブランキング偏向距離を大きく、ブランキング開口板１７上における第２の光源の像１６の分布を狭くし、ブランキング開口板１７の開口径を小さくするとよい。

ところが、ブランキング偏向距離を無制限に大きくすることはできない。先ず、ブランカー１４，１５の高速化のため、同ブランカーに印加する偏向電圧はできる限り低くすることが求められる。しかしながら、偏向電圧を下げると、ブランキング偏向距離が小さくなる。また、防振やメンテナンス性の点から、ブランカーを含む電子鏡筒は小型であることが望ましいが、その小型化を押し進めると、ブランカーの長さは短かくならざるをえず、その結果、ブランキング偏向距離は小さくなる。

また、ブランキング開口板１７の開口径を無制限に小さくすることもできない。同開口は材料１０上におけるビーム収束角を制限する開口としての働きも持つため、同開口をあまり小さくしすぎると、材料１０上における電流密度が減少する。更には、同開口のエッジからビームまでの距離が短かくなり、同開口のエッジに付着するコンタミの帯電により発生するビームドリフト（投影図形１１の位置ずれとなる）がより顕著になる。

従って、ブランキング偏向距離をあまり大きくすることなく、かつブランキング開口板１７の開口径をあまり小さくすることなくビーム漏れを防ぐ手法、即ちブランキング開口板１７上における第２の光源の像１６の分布を狭くしてビーム漏れを防ぐ手法が望まれる。そのような方法としては、図１６に示すように、一旦光源４の像２０をレンズにより制限開口板１９上に投影して像２０の裾を制限し、像２０を改めて光源として扱う方法が知られている（例えば特許文献２参照）。このようにすれば、以降の光学系において結ばれる光源の像は、同様に裾の制限されたものとなる。

なお、像２０の裾を制限することは、ブランキングが施されていない状態で、材料１０上において収束角の大きなビーム成分、即ち収差の大きなビーム成分を除去することに相当するため、この手法は電流密度の減少が問題とならない範囲で、投影図形１１の解像度の向上にも寄与し得る（例えば特許文献３参照）。同様の理由から、ブランキング開口板１７も、ブランキングが施されていない状態で第２の光源の像１６の裾を制限することにより、投影図形１１の解像度を決定している。

従来の可変成形電子ビーム描画装置の光学系は、クロスオーバの裾のことをあまり考慮せずに設計されていた。クロスオーバの裾の制限よりは、ブランカーの高速化や小型化が優先された。その結果、ブランキング偏向距離が小さくなり、その代償として、ビーム漏れ低減のためにブランキング開口を小さくせざるを得なかった。

即ち、同開口のエッジに付着するコンタミの帯電に起因するビームドリフトが大きくなるという問題が避けられなかった。又は、ビームドリフト低減のためにブランキング開口を十分に小さくできなかったため、ビーム漏れの問題が残った。なお、今後は、描画パターンの微細化に伴い、より高い描画精度が求められるため、ビーム漏れ、即ち露光量過多によるパターン寸法の増大はますます無視できなくなる。

クロスオーバ像の裾を制限するために特許文献２の手法が有効であるが、同手法を用いると、ベルシェ効果（電子のエネルギー分散が増えること）により電子のエネルギー分散が増えるという別の問題が発生する。これは、像２０（図１６参照：像２０において電流密度が高い）を結ぶためにレンズによりビームを収束した結果である。

更には、光源４から像２０までの距離の分だけ光学系が長くなることによっても、同エネルギー分散の増加が助長される。同エネルギー分散は、以降の光学系において、色収差に寄与するため、材料１０上におけるビームぼけを大きくし、解像度や描画精度を損なってしまう。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであって、荷電粒子ビーム描画装置において、新たにビームを収束してクロスオーバ像を結ぶことなく、即ちそれによるベルシェ効果を起こすことなく、クロスオーバ像の裾を制限することができる荷電粒子ビーム描画装置を提供することを目的としている。但し、その際、投影図形１１の電流密度分布に対して影響を及ぼさないことを条件とする。

（１）請求項１記載の発明は、荷電粒子ビームを出射する光源と、該光源からの荷電粒子ビームを偏向するブランカーと該荷電粒子ビームを集束する第１のレンズより構成される第１の荷電粒子ビーム制御手段と、該第１の荷電粒子ビーム制御手段を通過した荷電粒子ビームを受ける第１の成形開口板と、該第１の成形開口板を通過した荷電粒子ビームを集束する第２のレンズと、該第２のレンズを通過した荷電粒子ビームを受ける第２の成形開口板と、該第２の成形開口板を通過した荷電粒子ビームを受けるブランキング開口板と、該ブランキング開口板を通過した荷電粒子ビームを集束・偏向するレンズ・偏向器より構成される第２の荷電粒子ビーム制御手段とを具備し、該第２の荷電粒子ビーム制御手段の出力で材料上に投影図形を照射するように構成され、かつ、前記第１の成形開口板と前記第２のレンズとの間に第１の光源の像を結び、前記ブランキング開口板の位置またはその前後近傍に第２の光源の像を結ぶように構成され、前記ブランカー及び第１のレンズより前段に、前記第２の成形開口板の開口の前記第１の成形開口板への写像と、前記第１の成形開口板の開口とを重ねてできる開口の大きさと、前記ブランキング開口板の開口の大きさから決められた大きさの開口を有する制限開口板が設けられ、該制限開口板と前記ブランキング開口板の開口は円形とし、前記制限開口板の開口半径ａ ₁ は次式に従わせることを特徴とする。
ここで、ａ ₂ は前記第２の成形開口板の開口の前記第１の成形開口板への写像と、前記第１の成形開口板の開口とを重ねてできる開口に外接する円の半径、ａ ₃ は前記ブランキング開口板の開口半径、ｈ（ｚ）はｈ（ｚ ₀ ）＝０かつｈ’（ｚ ₀ ）＝１（ｈ’（ｚ）＝ｄｈ（ｚ）／ｄｚ）となる軌道、ｓ（ｚ）はｓ（ｚ ₀ ）＝１かつｓ（ｚ ₂ ）＝０となる軌道、ｚ ₀ は光源のＺ座標、ｚ ₁ は前記制限開口板のＺ座標、ｚ ₂ は前記第１の成形開口板のＺ座標、ｚ ₃ は前記ブランキング開口板のＺ座標を示す。
（２）請求項２記載の発明は、Ｖをブランキング偏向電圧として｜Ｖ｜は次式に従わせることを特徴とする。
ここで、ｅ（＞０）は｜Ｖ｜＝０の時に前記ブランキング開口板の位置で測定されうる、ブランキング開口板の開口中心からの、荷電粒子ビームのドリフトの最大値、ｄ（ｚ）は単位ブランキング偏向電圧に対するブランキング偏向軌道を示す。

（３）請求項３記載の発明は、前記光源はカソード及びアノードを有する電子銃のアノードより前段に位置するものとし、該アノードの直後に前記制限開口板を配置することを特徴とする

（４）請求項４記載の発明は、前記第１のレンズの像側焦点を前記第１の成形開口板より前段に位置させることを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、荷電粒子ビーム描画装置において、新たにビームを収束してクロスオーバ像を結ぶことなく、即ちそれによるベルシェ効果を起こすことなく、かつ材料上の投影図形の電流密度分布を変えることなく、クロスオーバ像の裾を制限することができる荷電粒子ビーム描画装置を提供することができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、ブランキング時にビーム漏れを起こさない最小のブランキング偏向電圧でビームを遮断することができる。

（３）請求項３記載の発明によれば、クロスオーバ像の裾に対する制限を強めることができる。

（４）請求項４記載の発明によれば、クロスオーバ像の裾に対する制限を強めることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明に係る荷電粒子ビーム装置の一実施の形態を示す構成図である。ここでは、荷電粒子ビームとして電子ビームを用いた場合を示している。図１３にて使用された記号と同一記号が付されたものは同一構成要素である。図１に示す構成図は、基本的には図１３に示す構成図と同じであるが、制限開口板２１をブランカー１４，１５の前段に挿入した点が異なっている。

制限開口板２１の挿入位置は、より詳細には図２に示すようにアノード２３より後段とする。図２は光源の詳細構成例を示す図である。図において、４は光源、４’は仮想光源、２１は制限開口板、２２はカソード、２３はアノードである。制限開口板２１の挿入位置をアノード２３より前段としないのは、カソード２２からアノード２３までの領域では、強い電場がかかっており、その電場を乱すことなく制限開口板２１を挿入するためには、挿入位置に応じた電圧を制限開口板２１に印加しなくてはならないためである。

更には、放電を防ぐため、制限開口板２１の表面の平滑化が新たに必要となるためである。また、同挿入位置をブランカー１４，１５の後段としないのは、電子ビーム１に対する制限開口板２１の位置（偏心）がブランキングにより変わるのを防ぐためである。

なお、図２に示すように、カソード２２からアノード２３までの領域においては、同領域における電場のレンズ作用のため、光線は直線的にはならないが、仮想光源４’（そのレンズ作用によるクロスオーバの写像）を改めて光源４として扱えば、そこから制限開口２１までの光線を直線として扱うことができる。ただし、以下の説明で用いる数式は、光源４を実際のクロスオーバとしても、仮想光源４’としても有効である。

また、第１及び第２のレンズ２，６の中心、光源４の中心、制限開口板２１の開口中心、ブランキング開口板１７の開口中心、円２５の中心、及び円２５の第２の成形開口板７への写像の中心はＺ軸上にあるものとする。ここで、制限開口板２１とブランキング開口板１７の開口は円形とし、第１及び第２の成形開口板３，７の開口は矩形とする。

第１の成形開口板３の開口と開口２４及び円２５との関係を図３に示す。図中において、円２５は第２の成形開口板７の開口７’の、第１の成形開口板３への写像と、第１の成形開口板３の開口３’とを重ねてできる開口（論理積）２４に外接する円である。なお、成形偏向器１２を働かせると、開口２４及び円２５の寸法が変化し、更にそれらの中心がずれるが、開口２４及び円２５としては、最大寸法のものを考えればよい（ブランキング時のビーム漏れを防ぐ条件が安全側に決定される）。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

特許文献２に記載の手法では、クロスオーバ像２０（図１６参照）の裾を制限開口板１９により直接制限していたが、本発明では、クロスオーバ像（第２の光源の像１６）の裾を制限開口板２１と円２５（つまり第１及び第２の成形開口板３，７）との連携により、間接的に制限する。また、以降では、像面でなく物面（光源４、即ちクロスオーバのある面）と開口のある面とを用いて検討を進めるので、クロスオーバ像及びその裾の制限よりも、クロスオーバ（光源４）及びその裾の見かけ上の制限に着目する。なお、ここでいう見かけ上裾の制限されたクロスオーバと、裾の制限されたクロスオーバ像とは、共役の関係にある。

制限開口板２１は、クロスオーバの裾を制限する以前に、第１の成形開口板３の照射領域（第１の成形開口板３における電子ビーム１の収束角に対応する）を直接制限するので、先ず開口２４内に隈なく電子が行き渡る条件を定める。開口２４内に隈なく電子が行き渡るためには、光源４の中心を起源とし、円２５を通過する光線の集合即ちビームが、同じく光源４の中心を起源とし、制限開口板２１を通過するビームに含まれればよいから、この条件は
│ｈ（ｚ₂）／ｈ（ｚ₁）│・ａ₁≧ａ₂即ち
ａ₁≧│ｈ（ｚ₁）／ｈ（ｚ₂）│・ａ₂ （１）
と表せる。ここで、ａ₁は制限開口板２１の開口半径、ａ₂は円２５の半径、ｈ（ｚ）はｈ（ｚ₀）＝０かつｈ'（ｚ₀）＝１（ｈ'（ｚ）＝ｄｈ（ｚ）／ｄｚ）となる軌道である。図４は第１の成形開口板３の照明を示す図である。横軸はＺ軸で、制限開口板２１と第１の成形開口板３と、第２の成形開口板７とブランキング開口板１７がこの順に並んでいる。図５はｈ（ｚ）とｓ（ｚ）とｄ（ｚ）の軌道を示す図である。なお、ｓ（ｚ）及びｄ（ｚ）軌道については後述する。ｚ₀は光源４のＺ座標（物面のＺ座標）、ｚ₁は制限開口板２１のＺ座標、ｚ₂は第１の成形開口板３のＺ座標を示す。

なお、ｈ（ｚ）軌道（及び後述のｓ（ｚ）軌道）は、簡単には回転座標（磁場による電子軌道の回転とともにＺ軸を中心に回転する座標）に基づくものとすればよいが、より一般性を持たせるため、固定座標に基づくものとしてもよい。
余分なビーム電流の削減という観点からは、ａ₁は（１）式より決まるａ₁の下限値
ａ_1min＝│ｈ（ｚ₁）／ｈ（ｚ₂）│・ａ₂ （２）
に対して大きすぎない方がよい。ビーム電流が増えると、第１の成形開口板３の温度上昇（熱変形）の他、ベルシェ効果や、電子鏡筒内のコンタミ付着・帯電がより顕著になるからである。しかしながら、ａ₁＝ａ₁minとすると、光源４の中心以外の点を起源とする光線は、その射出角によっては、制限開口板２１によりけられる（通過できない）。その結果、投影図形１１の電流密度分布の均一性が損なわれる。従って、ａ₁＞ａ₁minとするのがよい。

この観点からａ₁について検討を進めると、次のようになる。先ず物面においてＺ軸を中心とする半径ａ0の円周を起源とし、円２５を通過した光線が全てブランキング開口板１７を通過する条件は、
│ｓ（ｚ₃）│・ａ₀＋│ｈ（ｚ₃）／ｈ（ｚ₂）｜・ａ₂≦ａ₃ （３）
である。図６はブランキング開口板１７の通過を示す図である。即ち、

を満たすａ₀を半径とする円の内部を起源とし、円２５を通過する光線は、全てブランキング開口板１７を通過するが、ａ₀を半径とする円の外部を起源とし、円２５を通過する光線は、ブランキング開口板１７によりけられる可能性がある。ここで、ａ₃はブランキング開口板１７の開口半径、ｚ₃はブランキング開口板１７のＺ座標、ｓ（ｚ）はｓ（ｚ₀）＝１かつｓ（ｚ₂）＝０となる軌道を示す（図５参照）。同様に、物面においてＺ軸を中心とする半径ａ₀の円周を起源とし、円２５を通過する光線がその前に全て制限開口板２１を通過する条件は、

であり、

を満たすａ₀を半径とする円の外部を起源とし、円２５を通過する光線は、その前に制限開口板２１によりけられる可能性がある。図７は制限開口板２１の通過を示す図である。（４）式と（６）式より、

が得られる。（７）式を満たすようにａ₁を選べば、ａ₀を半径とする円の外部を起源とし、円２５を通過し、かつブランキング開口板１７によりけられうる光線は、必ず円２５を通過する以前に制限開口板２１によりけられることになる。

一方、ブランキング開口板１７を通過する光線に対しては、制限開口板２１は影響を及ぼすことはない。即ち、（７）式は投影図形１１の電流密度分布に対し影響が及ばないという条件におけるａ₁の最小値を表している。なお、投影図形１１の電流密度分布の変化が許容される限りにおいては、制限開口板２１の大きさをより小さく、即ち

としてもよい。
次に、制限開口板２１によるクロスオーバの裾の制限に関する条件を求める。これは、物面においてＺ軸を中心とする半径ａ₀の円の外部を起源とする光線のうち、円２５を通過し得る全ての光線が、その前に制限開口板２１によりけられる条件である。図８は制限開口板２１によるけられの説明図である。先ずは、半径ａ₀の円周を起源とする光線のうち、円２５を通過し得る全ての光線が、その前に制限開口板２１によりけられる条件を定める。この条件は、

となる。（８）式の左辺は、半径ａ₀の円周を起源とする光線のうち円２５を通過し得る光線の中で、最もＺ軸に近い光線のｚ＝ｚ₁におけるＺ軸からの距離である。（８）式が成り立てばｂ₀≧ａ₀となるｂ₀に対し必ず

も成り立つから、（８）式はそのまま、半径ｂ₀の円周を起源とする光線のうち、円２５を通過し得る全ての光線がその前に制限開口板２１によりけられる条件、即ちＺ軸を中心とする半径ａ₀の円の外部を起源とする光線のうち円２５を通過し得る全ての光線がその前に制限開口板２１によりけられる条件となる。

（８）式より、クロスオーバの裾の電流密度が見かけ上零となる境界を定めることができる。その境界は、半径

の円となる。第２の成形開口板７以降には、物面において半径ａ_0maxの円の外側を起源とする光線は一切届かないから、第２の成形開口板７以降の光学系を議論する上では、半径ａ_0maxの円の外側にはクロスオーバの裾は存在しないと見なし、ａ_0maxをクロスオーバの見かけの最大径（有効径）と考えればよい。（７）式を用いると、（９）式は

となる。（１０）式は、投影図形１１の電流密度分布に対し影響を及ぼさないという条件のもとで、ｚ＝ｚ₁に位置させた制限開口板２１の開口半径ａ₁をできるだけ小さくすることにより最大限に強く制限されたクロスオーバの裾の広がりを表している。

次に、（１０）式で示したａ_0maxを小さくすることを考える。ただし、ａ₂、ａ₃、ｈ（ｚ₂）、ｈ（ｚ₃）、及びｓ（ｚ₃）は固定とする。このようにすれば、投影図形１１の電流密度分布（ｈ（ｚ₂）の二乗に反比例する）及び寸法に影響を与えずに済む。また、説明を容易にするため、光源４を仮想光源４'とし（図２参照）、ｈ（ｚ）及びｓ（ｚ）軌道（及び後述のｇ（ｚ）軌道）は回転座標に基づくものとする。

このような条件のもとでａ_0maxを小さくするためには、（１０）式から分かるように、│ｈ（ｚ₁）／ｓ（ｚ₁）│を小さくすればよい。そして、
│ｈ（ｚ₁）／ｓ（ｚ₁）│を小さくするには、

の関係から、ｚ₁を小さくするとよい。ここで、ｇ（ｚ）は、ｇ（ｚ₀）＝１かつｇ'（ｚ₀）＝０となる軌道（図９参照）である。図９はｇ（ｚ）とｈ（ｚ）の軌道を示す図である。これは、物面から第１のレンズ２直前までの領域ではｇ（ｚ₁）＝１であり、かつｈ（ｚ₁）はｚ₁とともに単調増加となるため、ｚ₁が小さくなればｈ（ｚ₁）が小さくなり、ｇ（ｚ₁）／ｈ（ｚ₁）が大きくなるためである。なお、（１１）式において、

の関係を用いた。ただし、前述したように、制限開口板２１をアノード２３より前段に挿入するのは得策でないから、制限開口板２１の挿入位置ｚ₁としては、アノード２３の直後が最もよい。そして、ｈ（ｚ₂）＞０（物面から第１の光源の像５までの領域では像は結ばれないためｈ（ｚ）＞０）であることから、その上でｇ（ｚ₂）を負の向きに大きくすると、同じく（１１）式から分かるように│ｈ（ｚ₁）／ｓ（ｚ₁）│が更に小さくなる。

次に、ｇ（ｚ₂）が負の向きに大きくなるような光学系を設計するための指針を示す。先ず、ｇ（ｚ₂）＜０とするには、図９から分かるように、第１のレンズ２の像側焦点（軌道ｇ（ｚ）とＺ軸との交点）を第１の成形開口板３より前段に位置させるとよい。そして、第１のレンズ２の像側焦点から第１の成形開口板３までの距離を離せば、ｇ（ｚ₂）を負の向きに大きくすることができる。

ただし、材料１０上における電流密度を変えずに（ｈ（ｚ₂）を変えずに、即ち第１の光源の像５の倍率を変えずに）第１のレンズ２の像側焦点から第１の成形開口板３までの距離を離す（第１のレンズ２の像側焦点から第１の光源の像５までの距離を離す）には、第１のレンズ２の主面から第１の光源の像５までの距離と共に、物面から第１のレンズ２の主面までの距離を離す必要がある。

即ち、光学系長を長くとる必要がある。このことはレンズ公式（１／ｌ_o）＋（１／ｌ_i）＝１／ｆと、ｌ_i／ｌ_o＝│ｍ│の関係とから、像側焦点−像面間距離が│ｍ│・ｆ、像側主面−像面間距離が（ｌ＋│ｍ│）・ｆ（＝ｌ_i）、物側主面−物面間距離が
（１＋（１／│ｍ│））・ｆ（＝ｌ_o）と表されることより分かる。つまり、│ｍ│を変えないならば、像側焦点−像面間距離│ｍ│・ｆを大きくするにはｆを大きくする必要があるため、像側焦点−像面間距離│ｍ│・ｆが大きくなるのに伴い、像側主面−像面間距離
（１＋│ｍ│）・ｆと物側主面−物面間距離（１＋（１／│ｍ│））・ｆも大きくなる。

ここで、ｌ_oは物側主面−物面間距離、ｌ_iは像側主面−像面間距離、ｆは焦点距離、ｍは光源の像５に関する横倍率であり、物側焦点距離と像側焦点距離は等しいとした。なお、後に、光学径長を長くとらずにｇ（ｚ₂）を負の向きに大きくする方法について説明する。以上でクロスオーバの裾を制限することを検討したので、以降では、クロスオーバの裾が制限された状態におけるブランキング条件について考える。図１０はブランキングの説明図である。

先ず、物面においてＺ軸を中心とする半径ａ₀の円周を起源とする光線のうち、円２５を通過する全ての光源が、ブランキング時にブランキング開口板１７により完全にけられる条件は

即ち、

となる。ここで、ｄ（ｚ）は単位ブランキング偏向電圧に対するブランキング偏向軌道（図５参照）、Ｖはブランキング偏向電圧を示す。なお、ｄ（ｚ）軌道としては、一般には、固定座標に基づくものとすればよいが、簡単にはブランキング偏向の方向を回転座標の回転角に合わせることで、ｈ（ｚ）、ｓ（ｚ）軌道と同様に、回転座標に基づくものとすることもできる。

（１３）式の左辺は、ブランキング時に、半径ａ₀の円周を起源とする光線のうち円２５を通過する光線のなかで、最もＺ軸に近い光線の、ｚ＝ｚ₃におけるＺ軸からの距離である。（１３）式が成り立てば、ｃ₀≦ａ₀となるｃ₀に対し必ず

も成り立つから、（１３）式はそのまま、半径ｃ₀の円周を起源とする光線のうち円２５を通過する全ての光線がブランキング時にブランキング開口板１７によりけられる条件、即ちＺ軸を中心とする半径ａ₀の円の内部を起源とする光線のうち円２５を通過する全ての光線がブランキング時にブランキング開口板１７によりけられる条件となる。従って（１３）式は、ａ₀をａ_0maxと考え、

とすればよい。ただし、ここで便宜上、ａ_0maxのかかった項とａ₂のかかった項を右辺に移項した。│Ｖ│の下限値は（１３'）式より

となる。│Ｖ│_minができるだけ小さくなるようにすると、ブランキング速度を向上させることができる。ａ_0maxを小さくすれば、即ち前述のように│ｈ（ｚ₁）／ｓ（ｚ₁）│を小さくすれば、│Ｖ│_minが小さくなる。

しかしながら、│Ｖ│＝│Ｖ│_minとすると、電子ビーム１が何らかの理由（例えば電子鏡筒内の帯電によるドリフト）でブランキング開口板１７の開口に対し偏心した時、ビーム漏れが発生する。そこで、安全のため、│Ｖ│の最適値としては、│Ｖ│_minよりは大きく、

とするのがよい。ここで、ｅ（＞０）は、│Ｖ│＝０の時にブランキング開口板１７の位置（ｚ＝ｚ₃）で観測されうる、ブランキング開口板１７の開口中心からの、電子ビーム１の中心軸（初期条件がｕ（ｚ₀）＝０かつｕ'（ｚ₀）＝０となる光線）の偏心の最大値を示す。

（９）式を用いると、（１３'）式は、

となり、（１０）式を用いれば

となる。（１６）式は、投影図形１１の電流密度分布に対し影響を及ぼさないという条件のもとでａ₁を最も小さくした場合のブランキング条件を示す。（１６）式から│Ｖ│の下限値を求めると、

となり、上記ｅを用いると、│Ｖ│の最適値は

となる。
なお、もし第２の光源の像１６がブランキング開口板１７と同じ位置（ｚ＝ｚ₃）にあれば、以上の式において、ｈ（ｚ₃）＝０、即ち│ｈ（ｚ₃）／ｈ（ｚ₂）│・ａ₂＝０となる。また、厳密にｈ（ｚ₃）＝０とはならなくても、ｈ（ｚ₃）が小さく、
│ｈ（ｚ₃）／ｈ（ｚ₂）│・ａ₂＜＜ａ₃であれば、│ｈ（ｚ₃）／ｈ（ｚ₂）│・ａ₂は無視できる。

以上の説明で用いたｈ（ｚ）及びｇ（ｚ）軌道を求めるには、軌道方程式を解くシミュレーションにおいて、一般の軌道ｕ（ｚ）について初期値をｕ（ｚ₀）＝０かつｕ'（ｚ₀）＝１、及びｕ（ｚ₀）＝１かつｕ'（ｚ₀）＝０として計算を進めればよい。ｓ（ｚ）は、このようにして求めたｈ（ｚ）及びｇ（ｚ）を（１２）式に適用して求める。
（実施の形態２）
基本的に実施の形態１の構成と同じとするが、図１１に示すように、第１のレンズ２をブランカー１４，１５の前に配置する。制限開口板２１の挿入位置は第１のレンズ２よりは前段とする。図１１は本発明の第２の実施の形態の要部を示す構成図である。このように構成された装置の動作は実施の形態１と同じであるので、説明は省略する。
（実施の形態３）
基本的に実施の形態１，２と同じ構成とするが、第１のレンズ２をレンズ２６，２７の多段構成としたものである。図１２は実施の形態３の構成例を示す図である。図１２のレンズ２６はブランカー１４と制限開口板２１の間に配置され、レンズ２７はブランカー１５の後段に配置されている。その他の構成は実施の形態１と同じである。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

基本的に実施の形態１，２と同じであるが、レンズ２６，２７をズームレンズとして扱う。ただし、第１の光源の像５より前段には光源４の像を新たに結ばないものとする。実施の形態３において、ａ_0maxを小さくするための手法は、実施の形態１，２に示すそれと同様である。即ち、ｚ₁を小さくして│ｈ（ｚ₁）／ｓ（ｚ₁）│を小さくする。

そして、│ｈ（ｚ₁）／ｓ（ｚ₁）│を更に小さくするために、ｇ（ｚ₂）を負の向きに大きくする。実施の形態３においてｇ（ｚ₂）＜０の条件を満たすためには、例えば図１２に示すように、レンズ２６の像側焦点をレンズ２７の手前に位置させ、即ちレンズ２６によりｇ（ｚ）軌道をレンズ２７の手前で一度Ｚ軸と交わらせ、その後は第１の光源の像５の位置まではＺ軸と交わらせなければよい。
（第１の光源の像５の位置までにｇ（ｚ）軌道を二度Ｚ軸と交わらせると、第１の光源の像５が反転する。これは、第１の光源の像５の位置の前段に光源の像ができることに相当する。）そして、レンズ２６の像側焦点から第１の成形開口板３までの距離をできるだけ大きくとり、更にレンズ２７の主面から第１の成形開口板３までの距離をできるだけ短かくすれば、ｇ（ｚ₂）を負の向きに大きくすることができる。

実施の形態１では、材料１０上における電流密度を変えない、即ち第１の光源の像５の倍率を変えないという前提のもとで、第１のレンズ２の像側焦点から第１の成形開口板３までの距離を長くするには、物面から第１のレンズ２の主面までの距離を離す必要があるが、実施の形態３では、レンズ２６の像側焦点から第１の成形開口板３までの距離を長くしても、それによる第１の光源の像５の倍率の変化はレンズ２７の強度調節により補償されるので、物面からレンズ２６の主面までの距離は必ずしも離す必要はない。即ち、光学系長を長くとる必要がない。
（実施の形態４）
基本的には実施の形態１〜３の構成と同じであるが、制限開口板２１を第１のレンズ２或いはレンズ２６の前段ではなく、それらの後段（但しブランカー１４，１５より前段）に配置するようにしたものである。動作は実施の形態１〜３と同じである。
（実施の形態５）
基本的に実施の形態１〜４と同じであるが、第２の成形開口板７の開口の形状を単純な矩形ではなく、より複雑な図形としたものである。即ち、キャラクタープロジェクションが実施できる構成とする。動作は実施の形態１〜４と同じであるが、キャラクタープロジェクションを実施する。この場合もａ₂は第２の成形開口板７の開口の、第１の成形開口板３への写像と、第１の成形開口板３の開口とを重ねてできる開口（論理積）に外接する円の半径とすればよい。
（実施の形態６）
基本的に実施の形態１〜５の構成と同じであるが、電子ビームの代わりにイオンビームを用いるものである。動作は実施の形態１〜５と同じである。

以上、詳細に説明したように、本発明では従来の可変成形荷電粒子ビーム描画装置の光学系に対し、次のような工夫を施した。
１）第１の成形開口板より前段に制限開口板を配置する。

２）上記制限開口板の開口半径ａ₁を

とする。
３）上記制限開口板を用いた上で、ブランキング電圧を

とする。
この結果、
特許文献２に示されているような、新たに設けたレンズによりビームを収束してクロスオーバ像を新たに結ぶ手法を用いることなく、クロスオーバ像の裾を制限し、ブランキング時のビーム漏れを防ぐことができるようになった。即ち、特許文献２に示されている手法を用いることで生じていたベルシェ効果を起こさずにクロスオーバ像の裾を制限することができるようになった。また、そのためのレンズが不要となった。

本発明の効果は、以下の通りである。
（１）荷電粒子ビームを出射する光源と、該光源からの荷電粒子ビームを偏向するブランカーと該荷電粒子ビームを集束する第１のレンズより構成される第１の荷電粒子ビーム制御手段と、該第１の荷電粒子ビーム制御手段を通過した荷電粒子ビームを受ける第１の成形開口板と、該第１の成形開口板を通過した荷電粒子ビームを集束する第２のレンズと、該第２のレンズを通過した荷電粒子ビームを受ける第２の成形開口板と、該第２の成形開口板を通過した荷電粒子ビームを受けるブランキング開口板と、該ブランキング開口板を通過した荷電粒子ビームを集束・偏向するレンズ・偏向器より構成される第２の荷電粒子ビーム制御手段とを具備し、該第２の荷電粒子ビーム制御手段の出力で材料上に投影図形を照射するように構成され、かつ、前記第１の成形開口板と前記第２のレンズとの間に第１の光源の像を結び、前記ブランキング開口板の位置またはその前後近傍に第２の光源の像を結ぶように構成された荷電粒子ビーム描画装置に対し、前記ブランカー及び第１のレンズより前段に、前記第２の成形開口板の開口の前記第１の成形開口板への写像と、前記第１の成形開口板の開口とを重ねてできる開口の大きさと、前記ブランキング開口板の開口の大きさから決められた大きさの開口を有する制限開口板を設け、該制限開口板と前記ブランキング開口板の開口は円形とし、前記制限開口板の開口半径ａ ₁ は次式
に従わせることにより、新たにビームを収束してクロスオーバ像を結ぶことなく、即ちそれによるベルシェ効果を起こすことなく、かつ材料上の投影図形の電流密度分布を変えることなく、クロスオーバ像の裾を制限することができる荷電粒子ビーム描画装置を提供することができる。
(２)また、Ｖをブランキング偏向電圧として｜Ｖ｜は次式に従わせることにより、ブランキング時にビーム漏れを起こさない最小のブランキング偏向電圧でビームを遮断することができる。

（３）また、前記光源はカソード及びアノードを有する電子銃のアノードより前段に位置するものとし、該アノードの直後に前記制限開口板を配置することにより、クロスオーバ像の裾に対する制限を強めることができる。

（４）また、前記第１のレンズの像側焦点を前記第１の成形開口板より前段に位置させることを特徴とすることにより、クロスオーバ像の裾に対する制限を強めることができる。

本発明に係る荷電粒子ビーム描画装置の一実施の形態を示す構成図である。光源の詳細構成例を示す図である。第１の成形開口板３と、開口２４および円２５との関係を示す図である。成形開口板の照明を示す図である。ｈ（ｚ）とｓ（ｚ）とｄ（ｚ）の軌道を示す図である。ブランキング開口板１７の通過を示す図である。制限開口板２１の通過を示す図である。制限開口板２１によるけられの説明図である。ｇ（ｚ）とｈ（ｚ）の軌道を示す図である。ブランキングの説明図である。本発明の第２の実施の形態の要部を示す図である。本発明の第３の実施の形態の要部を示す図である。荷電粒子ビーム描画装置の構成例を示す図である。第１の光源の像５と第２の光源の像１６の移動の様子を示す図である。光源の像１６の電流密度分布を示す図である。光源４の像２０の形成の説明図である。

符号の説明

１電子ビーム
２第１のレンズ（照射レンズ）
３第１の成形開口板
４光源
５像
６第２のレンズ（成形レンズ）
７第２の成形開口板
８縮小レンズ
９対物レンズ
１０材料
１１投影図形
１２成形偏向器
１３対物偏向器
１４ブランカー
１５ブランカー
１６像
１７ブランキング開口板
１８偏向支点
２１制限開口板

Claims

荷電粒子ビームを出射する光源と、
該光源からの荷電粒子ビームを偏向するブランカーと該荷電粒子ビームを集束する第１のレンズより構成される第１の荷電粒子ビーム制御手段と、
該第１の荷電粒子ビーム制御手段を通過した荷電粒子ビームを受ける第１の成形開口板と、
該第１の成形開口板を通過した荷電粒子ビームを集束する第２のレンズと、
該第２のレンズを通過した荷電粒子ビームを受ける第２の成形開口板と、
該第２の成形開口板を通過した荷電粒子ビームを受けるブランキング開口板と、
該ブランキング開口板を通過した荷電粒子ビームを集束・偏向するレンズ・偏向器より構成される第２の荷電粒子ビーム制御手段と、
を具備し、
該第２の荷電粒子ビーム制御手段の出力で材料上に投影図形を照射するように構成され、
かつ、前記第１の成形開口板と前記第２のレンズとの間に第１の光源の像を結び、前記ブランキング開口板の位置またはその前後近傍に第２の光源の像を結ぶように構成され、
前記ブランカー及び第１のレンズより前段に、前記第２の成形開口板の開口の前記第１の成形開口板への写像と、前記第１の成形開口板の開口とを重ねてできる開口の大きさと、前記ブランキング開口板の開口の大きさから決められた大きさの開口を有する制限開口板が設けられ、
該制限開口板と前記ブランキング開口板の開口は円形とし、前記制限開口板の開口半径ａ ₁ は次式に従わせることを特徴とする荷電粒子ビーム描画装置。
ここで、ａ ₂ は前記第２の成形開口板の開口の前記第１の成形開口板への写像と、前記第１の成形開口板の開口とを重ねてできる開口に外接する円の半径、ａ ₃ は前記ブランキング開口板の開口半径、ｈ（ｚ）はｈ（ｚ ₀ ）＝０かつｈ’（ｚ ₀ ）＝１（ｈ’（ｚ）＝ｄｈ（ｚ）／ｄｚ）となる軌道、ｓ（ｚ）はｓ（ｚ ₀ ）＝１かつｓ（ｚ ₂ ）＝０となる軌道、ｚ ₀ は光源のＺ座標、ｚ ₁ は前記制限開口板のＺ座標、ｚ ₂ は前記第１の成形開口板のＺ座標、ｚ ₃ は前記ブランキング開口板のＺ座標を示す。
Ｖをブランキング偏向電圧として｜Ｖ｜は次式に従わせることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム描画装置。
ここで、ｅ（＞０）は｜Ｖ｜＝０の時に前記ブランキング開口板の位置で測定されうる、ブランキング開口板の開口中心からの、荷電粒子ビームのドリフトの最大値、ｄ（ｚ）は単位ブランキング偏向電圧に対するブランキング偏向軌道を示す。
前記光源はカソード及びアノードを有する電子銃のアノードより前段に位置するものとし、該アノードの直後に前記制限開口板を配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子ビーム描画装置。
前記第１のレンズの像側焦点を前記第１の成形開口板より前段に位置させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の荷電粒子ビーム描画装置。