JP5988356B2 - 制御素子およびそれを用いた荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造工程やフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）製造工程における荷電粒子線描画装置や走査型電子顕微鏡等の荷電粒子線装置に用いられる、荷電粒子線を制御するための制御素子およびそれを用いた荷電粒子線装置に関する。

従来、荷電粒子線装置として、例えば、半導体ウェハやガラス基板等の対象物に微細な配線パターンを形成するために使用される荷電粒子線描画装置や、荷電粒子線を対象物に照射してそこから発生する二次荷電粒子線を使って像を得る走査型電子顕微鏡等が知られている。

特許文献１には、荷電粒子線が通過する貫通孔（荷電粒子線通過部）が形成されたセラミックスからなる筒体（筒状基材）と、この筒体の貫通孔における内周面に接着した電極（偏向電極）とを具備する制御素子（静電偏向器）を備え、制御素子の電極が、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムまたは白金等の白金族金属からなる荷電粒子線装置（荷電粒子線照射装置）が記載されている。この荷電粒子線装置は、制御素子の電極に電圧を印加して、貫通孔内の電界を制御することによって、荷電粒子線の偏向を制御するものである。

ところで、制御素子の電極としてロジウムからなるものを用いた場合は、セラミックスからなる筒体とロジウムからなる電極との接着強度が低いため、筒体から電極が剥離しやすい。筒体から電極が剥離すると、電極の形成領域の変化や筒体の露出によるチャージアップ等によって、貫通孔内の電界が不安定となるため、荷電粒子線の制御が不安定となりやすい。

したがって、荷電粒子線描画装置においては配線パターンに不良が生じやすくなり、また、走査型電子顕微鏡においては得られる像に変形や歪みが生じやすくなる。

特開２００７−２９４８５０号公報

本発明は、荷電粒子線の制御を安定にする要求に応える制御素子およびそれを用いた荷電粒子線装置を提供するものである。

本発明の一形態における制御素子は、荷電粒子線を制御する制御素子において、荷電粒子線が通過する貫通孔が形成されたセラミックスからなる筒体と、該筒体の前記貫通孔における内周面に接着した電極とを備え、該電極は、前記筒体の前記内周面に接着したパラジウム膜と、該パラジウム膜を介して前記電極の内周面に接着したロジウム膜とを有する。

本発明の一形態における荷電粒子線装置は、上記制御素子と、該制御素子の前記貫通孔を通過する荷電粒子線を放出する荷電粒子銃とを備える。

本発明の一形態における制御素子によれば、電極が、筒体の貫通孔における内周面に接着したパラジウム膜と、パラジウム膜を介して電極の内周面に接着したロジウム膜とを有するため、パラジウム膜によって筒体と電極との接着強度を高めることができる。その結果、電極による荷電粒子線の制御を安定にすることができる。

本発明の一形態における荷電粒子線装置によれば、上記制御素子を備えるため、荷電粒子線の制御を安定にすることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る荷電粒子線装置の高さ方向（Ｚ方向）に沿った断面図である。 図２（ａ）は、図１に示した荷電粒子線装置の電子レンズの斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線における高さ方向に沿った断面図である。 図３（ａ）は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ線における平面方向（ＸＹ平面方向）に沿った断面図であり、図３（ｂ）は、図２（ｂ）のＣ−Ｃ線における平面方向（ＸＹ平面方向）に沿った断面図であり、図３（ｃ）は、図２（ｂ）のＤ−Ｄ線における平面方向（ＸＹ平面方向）に沿った断面図である。 図４は、図２（ａ）に示した電子レンズにおける電極の端部の厚み方向に沿った断面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る制御素子を用いた荷電粒子線装置について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示した荷電粒子線装置１は、例えば、半導体製造工程やフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）製造工程において、半導体ウェハやガラス基板等の対象物２に微細な配線パターンを形成するために使用される荷電粒子線描画装置や、荷電粒子線Ｅを対象物２の表面に照射してそこから発生する二次荷電粒子線を使って観察する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等に用いられる。

この荷電粒子線装置１は、荷電粒子線Ｅを放出する荷電粒子銃３と、この荷電粒子線Ｅが通過する複数の電子レンズ４と、荷電粒子線Ｅが照射される対象物２が載置されたステージ５とを備えている。この荷電粒子線装置１は、ステージ５で対象物２の位置決めを行ない、荷電粒子銃３から荷電粒子線Ｅを放出し、電子レンズ４で荷電粒子線Ｅの引き出し、加速および偏向等の制御を行なった後、荷電粒子線Ｅを対象物２に照射することによって、配線パターンの形成や対象物の観察を行なうものである。

本実施形態の電子レンズ４は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、積層された３つの制御素子６ａ〜６ｃを備えており、最上層に位置する第１制御素子６ａと、中央に位置する第２制御素子６ｂと、最下層に位置する第３制御素子６ｃとを備えている。

第１制御素子６ａは、荷電粒子銃３からの荷電粒子線Ｅの引き出しおよび荷電粒子線Ｅの加速を制御する高圧レンズとして機能するものであり、第２制御素子６ｂは、荷電粒子線Ｅの偏向を制御する偏向器として機能するものであり、第３制御素子６ｃは、外部の電界から第２制御素子６ｂを遮蔽するシールド電極として機能するものである。

なお、電子レンズ４は、第１制御素子６ａないし第３制御素子６ｃのいずれか１つを少なくとも有していればよく、第１制御素子６ａないし第３制御素子６ｃの位置関係を変更しても構わないし、第１制御素子６ａないし第３制御素子６ｃのいずれかを複数有してい
ても構わない。また、電子レンズ４は、制御素子６ａ〜６ｃそれぞれの間に荷電粒子線Ｅの絞りを制御するアパーチャー等の他の部材を備えていても構わないし、制御素子６ａ〜６ｃを収納して固定する筒状の外筒を備えていても構わない。

これらの制御素子６ａ〜６ｃは、それぞれ、荷電粒子線Ｅが通過する貫通孔Ｐが形成されたセラミックスからなる筒体７と、筒体７の貫通孔Ｐにおける内周面Ｓ１に接着した膜状の電極８と、筒体７の内周面Ｓ１と外周面Ｓ２との間を貫通して電極８に電気的に接続した貫通導体（図示せず）と、筒体７の外周面Ｓ２に配されて貫通導体に電気的に接続した端子（図示せず）とを備えている。これらの制御素子６ａ〜６ｃにおいては、外部から端子および貫通導体を介して電極８に電圧が印加される。上述した電子レンズ４は、各制御素子６ａ〜６ｃの電極８に印加する電圧を制御することによって、貫通孔Ｐ内の電界を制御し、ひいては荷電粒子線Ｅの引き出し、加速および偏向等の制御を行なうことができる。

筒体７は、電極８の支持部材および絶縁部材として機能するものであり、円筒状に形成されている。この筒体７は、例えばアルミナ質焼結体、ジルコニア質焼結体または窒化珪素質焼結体等のセラミックスによって形成されている。筒体７を構成するセラミックスとしては、アルミナ質焼結体を用いることが望ましい。このアルミナ質焼結体は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を９９質量％以上９９．９質量％以下含むことが望ましい。なお、アルミナ質焼結体は、チタン等の遷移金属の酸化物を含んでいても構わない。

電極８は、外部から電圧が印加されることによって、貫通孔Ｐを通過する荷電粒子線Ｅの引き出し、加速および偏向等を制御するものである。図３（ａ）に示すように、第１制御素子６ａにおいては、貫通孔Ｐに単極の電極８が形成されており、電極８に印加する電圧を制御することによって、荷電粒子線Ｅの引き出しおよび加速を制御することができる。また、図３（ｂ）に示すように、第２制御素子６ｂにおいては、貫通孔Ｐに４極の電極８が形成されており、それぞれの電極８に印加する電圧を個別に制御することによって、荷電粒子線Ｅの偏向を制御することができる。この第２制御素子６ｂにおいては、４極の電極８が、互いに離れつつ筒体７の周方向に沿って並んでおり、電極８同士の間には貫通孔Ｐの貫通方向に沿った隙間Ｇが形成されている。また、図３（ｃ）に示すように、第３制御素子６ｃにおいては、貫通孔Ｐに単極の電極８が形成されており、荷電粒子線Ｅの制御を直接行なうことはできないが、外部の電界から第２制御素子６ｂを遮蔽することができる。

電極８は、図４に示すように、筒体７の内周面Ｓ１に接着したパラジウム膜９と、パラジウム膜９を介して筒体７の内周面Ｓ１に接着したロジウム膜１０とを備えている。本実施形態において、パラジウム膜９は、筒体７の内周面Ｓ１に接しつつ直接接着しており、ロジウム膜１０は、パラジウム膜９の内周面Ｓ４に接しつつ直接接着している。

パラジウム膜９は、筒体７とロジウム膜１０との間に介されている。このパラジウム膜９は、貴金属かつ非磁性であるパラジウムからなる膜であり、無電解めっき法によって形成された無電解めっき膜である。パラジウムがセラミックスとの親和性が高いことから、パラジウム膜９はロジウム膜１０よりも筒体７との接着強度が高い。また、パラジウムがロジウムと金属結合するため、パラジウム膜９はロジウム膜１０との接着強度は高い。パラジウム膜９のビッカース硬さは、４６０ＭＰａ程度である。

ロジウム膜１０は、パラジウム膜９の内周面Ｓ４を覆っているとともに、貫通孔Ｐに露出した電極８の内周面Ｓ３を構成している。このロジウム膜１０は、貴金属かつ非磁性であるロジウムからなる膜であり、電気めっき法によって形成された電気めっき膜である。ロジウム膜１０は、パラジウム膜９よりも硬い。ロジウム膜１０のビッカース硬さは、例
えば１２４０ＭＰａ程度である。

ここで、本実施形態の電極８においては、セラミックスからなる筒体７およびロジウム膜１０との接着強度の高いパラジウム膜９を介して、筒体７とロジウム膜１０とが接着しているため、筒体７と電極８との接着強度を高めることができ、筒体７からの電極８の剥離を低減できる。したがって、貫通孔Ｐ内の電界の制御を安定にすることができるため、制御素子６ａ〜６ｃにおいて電極８による荷電粒子線Ｅの制御を安定にすることができる。それ故、荷電粒子線描画装置においては、配線パターン形成の信頼性を高めて配線パターンの微細化を可能とすることができる。また、走査型電子顕微鏡においては、観察の信頼性を高めて検査精度を高めることができる。

また、ロジウム膜１０よりも柔らかいパラジウム膜９が筒体７とロジウム膜１０との間に介しているため、熱応力等の応力が電極８に印加された際に、パラジウム膜９によって応力を緩和することができ、筒体７から電極８が剥離することを低減することができる。

また、パラジウム膜９よりも硬いロジウム膜１０がパラジウム膜９の内周面Ｓ４に接着しており、ロジウム膜１０が電極８の内周面Ｓ３を構成するため、ロジウム膜１０が保護膜として機能する。したがって、例えば、電極８に付着したパーティクルを除去する際等に、電極８の損傷を低減し、電極８の信頼性を高めることができる。したがって、制御素子６ａ〜６ｃにおいて電極８による荷電粒子線Ｅの制御を安定にすることができる。

また、電極８の内周面Ｓ３を構成するロジウム膜１０が酸化されにくいロジウムからなるため、電極８の内周面Ｓ３の酸化を抑制し、ひいては電極８のチャージアップを抑制することができる。さらに、筒体７とロジウム膜１０との間に介されたパラジウム膜９が酸化されにくいパラジウムからなるため、例えばパラジウム膜９が電極８の内周面Ｓ３に露出した場合等に電極８の酸化を抑制することができる。

また、パラジウム膜９およびロジウム膜１０が非磁性であるため、例えば外部の磁場に起因した電極８の磁化を抑制できるため、貫通孔Ｐ内における磁界を制御でき、制御素子６ａ〜６ｃにおいて電極８による荷電粒子線Ｅの制御を安定にすることができる。

本実施形態において、パラジウム膜９は無電解めっき膜であり、ロジウム膜１０は電気めっき膜である。その結果、ＰＶＤ法やＣＶＤ法等による被膜と比較して、貫通孔Ｐ内で膜厚が均一となるようにパラジウム膜９およびロジウム膜１０を形成することができるため、電極８による荷電粒子線Ｅの制御を安定にすることができる。

本実施形態において、パラジウム膜９の厚みは、図４に示すように、ロジウム膜１０の厚みよりも大きい。その結果、ロジウム膜１０よりも柔らかく内部応力による剥離の起きにくいパラジウム膜９の厚みを大きくすることによって、ロジウム膜１０の剥離を低減しつつ、電極８の厚みを大きくして電気抵抗を低減することができる。

電極８の厚み（ＸＹ平面方向）、すなわち筒体７における貫通孔Ｐの内周面Ｓ１から電極８の内周面Ｓ３までの長さは、１．３μｍ以上５μｍ以下であることが望ましい。その結果、電極８の電気抵抗を低減するとともに、電極８と筒体７との接着強度を高めることができる。

また、パラジウム膜９の厚み（ＸＹ平面方向）、すなわち筒体７の内周面Ｓ１からパラジウム膜９の内周面Ｓ４までの長さは、１μｍ以上３μｍ以下であることが望ましい。その結果、パラジウム膜９の電気抵抗を低減するとともに、パラジウム膜９と筒体７との接着強度を高めることができる。

また、ロジウム膜１０の厚み（ＸＹ平面方向）、すなわちパラジウム膜９の内周面Ｓ４から電極８の内周面Ｓ３までの長さは、０．３μｍ以上２μｍ以下であることが望ましく、さらには０．３μｍ以上１μｍ以下であることが望ましい。その結果、ロジウム膜１０の電気抵抗を低減するとともに、ロジウム膜１０とパラジウム膜９との接着強度を高めることができる。

本実施形態において、ロジウム膜１０は、図４に示すように、電極８の端部において、パラジウム膜９の端面Ｓ５にさらに接着している。その結果、ロジウム膜１０がパラジウム膜９の内周面Ｓ４から端面Ｓ５に渡って接着しているため、ロジウム膜１０がパラジウム膜９の内周面Ｓ４のみに接着している場合と比較して、電極８の端部を起点としたパラジウム膜９とロジウム膜１０との剥離を低減することができる。なお、パラジウム膜９の端面Ｓ５にロジウム膜１０が接着している電極８の端部は、制御素子６ａ〜６ｃの電極８の高さ方向（Ｚ方向）における端部であってもよいし、第２制御素子６ｂの電極８の周方向における端部であってもよい。

次に、上述した制御素子６ａ〜６ｃの製造方法を説明する。

（１）筒体７を作製する。具体的には、例えば以下のように行う。

まず、セラミック粉末を種々の成形方法を用いて成形することによって、貫通孔が形成された筒状の成形体を得る。次に、この成形体を例えば１４００℃以上１８００℃以下で焼成して焼結体を得る。次に、研削加工を用いて、この焼結体を所望の形状にすることによって、筒体７を作製することができる。

（２）筒体７の貫通孔Ｐにおける内周面Ｓ１に接着した電極８を形成することによって、制御素子６ａ〜６ｃを作製する。具体的には、例えば以下のように行なう。

まず、無電解めっき法を用いて、筒体７の貫通孔Ｐにおける内周面Ｓ１にパラジウム膜９を接着させる。次に、研削加工を用いて、パラジウム膜８を所望の形状に加工する。この際、第２制御素子６ｂにおいては、研削加工を用いて、貫通孔Ｐの貫通方向に沿った隙間Ｇを形成しつつ、パラジウム膜９を分断し、貫通孔Ｐの周方向に沿って並んだ４つのパラジウム膜９を形成する。次に、パラジウム膜９を下地膜として、電気めっき法を用いて、パラジウム膜９の内周面Ｓ４および端面Ｓ５を覆うようにロジウム膜１０を接着させることによって、筒体７の貫通孔Ｐにおける内周面Ｓ１に接着した電極８を形成し、ひいては制御素子６ａ〜６ｃを作製することができる。なお、電極８と同様の方法で貫通導体および端子を形成しても構わない。

このように無電解めっき法および電気めっき法を用いて電極８を形成しているため、ＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いた場合と比較して、筒体７の内周面Ｓ１に電極８を膜厚が均一となるように形成することができる。

また、無電解めっき法を用いて形成したパラジウム膜９を下地膜として、電気めっき法を用いてロジウム膜１０を形成しているため、筒体７の内周面Ｓ１にパラジウム膜９を介してロジウム膜１０を容易に形成することができる。

また、パラジウム膜９の端面Ｓ５を露出させた状態で電気めっき法を用いてロジウム膜１０を形成することによって、パラジウム膜９の端面Ｓ５にロジウム膜１０が接着した電極８を形成することができる。この場合、パラジウム膜９を筒体７に接着させた後、ロジ
ウム膜１０をパラジウム膜９に接着させる前に、研削加工を用いてパラジウム膜９を所望の形状にパターニングしておくことが望ましい。その結果、パラジウム膜９の端面Ｓ５にロジウム膜１０が接着した電極８を所望の形状にすることができ、例えば、隙間Ｇにおいてもパラジウム膜９の端面Ｓ５にロジウム膜１０を良好に接着させることができる。

以上のようにして、制御素子６ａ〜６ｃを作製することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、パラジウム膜９の内周面Ｓ４にロジウム膜１０が直接接着した構成を例に説明したが、パラジウム膜９とロジウム膜１０との間に別の金属膜が介在していても構わない。この場合、金属膜としては、白金からなる白金膜、銀からなる銀膜または金からなる金膜などを用いることができる。なお、電極８の酸化抑制の観点からは、金および白金が酸化されにくいため、金属膜として金膜および白金膜を用いることが望ましい。また、電極８の応力緩和の観点からは、金および銀がパラジウムおよびロジウムよりも柔らかいため、金属膜として金膜および銀膜を用いることが望ましい。

また、上述した実施形態においては、パラジウム膜９の端面Ｓ５にロジウム膜１０が被着した構成を例に説明したが、パラジウム膜９の端面Ｓ５にロジウム膜１０が被着しておらず、パラジウム膜９の端面Ｓ５が露出していても構わない。

また、上述した実施形態においては、パラジウム膜９の厚みがロジウム膜１０の厚みよりも大きい構成を例に説明したが、パラジウム膜９の厚みはロジウム膜１０の厚みと同じでも構わないし、パラジウム膜９の厚みがロジウム膜１０の厚みよりも小さくても構わない。

１ 荷電粒子線装置
２ 対象物
３ 荷電粒子銃
４ 電子レンズ
５ ステージ
６ａ〜６ｃ 制御素子
７ 筒体
８ 電極
９ パラジウム膜
１０ ロジウム膜
Ｅ 荷電粒子線
Ｐ 貫通孔
Ｓ１ 筒体の内周面
Ｓ２ 筒体の外周面
Ｓ３ 電極（ロジウム膜）の内周面
Ｓ４ パラジウム膜の内周面
Ｓ５ パラジウム膜の端面
Ｇ 隙間

Claims (6)

1. 荷電粒子線を制御する制御素子において、
   前記荷電粒子線が通過する貫通孔が形成されたセラミックスからなる筒体と、該筒体の前記貫通孔における内周面に接着した電極とを備え、
   該電極は、前記筒体の前記内周面に接着したパラジウム膜と、該パラジウム膜を介して前記筒体の内周面に接着したロジウム膜とを有することを特徴とする制御素子。
2. 請求項１に記載の制御素子において、
   前記パラジウム膜の厚みは、前記ロジウム膜の厚みよりも大きいことを特徴とする制御素子。
3. 請求項２に記載の制御素子において、
   前記パラジウム膜の厚みは、１μｍ以上３μｍ以下であり、
   前記ロジウム膜の厚みは、０．３μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする制御素子。
   
4. 請求項１に記載の制御素子において、
   前記ロジウム膜は、前記パラジウム膜の内周面および端面を覆っていることを特徴とする制御素子。
5. 請求項１に記載の制御素子において、
   前記筒体を構成するセラミックスは、アルミナ質焼結体であることを特徴とする制御素子。
6. 請求項１に記載の制御素子と、該制御素子の前記貫通孔を通過する荷電粒子線を放出する荷電粒子銃とを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。

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