JPH0447944B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、磁界型レンズと静電型焦点補正レン
ズを有する荷電粒子ビーム用集束装置に関するも
のである。

〔発明の背景〕

荷電粒子ビーム（以下ビームという）の集束装
置は、ブラウン管、テレビジヨン撮像管、走査電
子顕微鏡、電子ビーム露光装置、電子ビーム加工
機、イオンビーム露光装置などにおいて、ビーム
を偏向させる偏向器と組合わせ、集束偏向装置と
いう形態で広く利用されている。例えば、超LSI
技術の発展に伴つて、高速で、しかも高精度に微
細パタンを描画する電子ビーム露光装置の開発が
強く要望されているが、このような露光装置の実
現には、高性能な集束偏向装置を開発することが
必要不可欠である。

従来から集束偏向装置に対しては、ビームの偏
向に伴う収差（以下偏向収差という）が小さいこ
とが要求されている。偏向収差には、コマ収差、
非点収差、像面彎曲収差、歪曲収差、色収差等が
あるが、通常の集束偏向装置においては像面彎曲
収差が偏向収差の大部分を占める場合が多い。像
面彎曲収差は偏向に伴う結像面のずれであるか
ら、偏向に伴つて焦点補正レンズの焦点距離を変
えて結像面を試料面上に保つことによつて（いわ
ゆるDynamic Focusing）除去できることが知ら
れている。一方、LSIプロセスにおいては、シリ
コンなどのウエハが変形して反る現像がある。こ
のように反つたウエハを露光する際には、反りに
よる試料面の高さの変動で生じる焦点ボケを除去
するための焦点補正が不可欠である。このように
偏向収差の低減と試料面高さの変動に対する補正
の両面から、上記焦点補正レンズが果たす役割は
極めて大きい。

高速で、しかも高精度に微細パタンを描画する
ためには、焦点補正レンズに対する応答が高速で
あることが必要である。高速な応答を実現するに
は、コイルを用いる磁界型よりも電極板を用いる
静電型のレンズの方が原理的に適している。しか
し補正に要する電圧が非常に高い場合には、電気
回路技術上、高速な電圧印加が不可能である。し
たがつて焦点補正レンズの動作電圧は低くなけれ
ばならず、上記事項をまとめると、低い電圧で動
作する静電型の焦点補正レンズが要求されている
ということになる。

例えばJ.L.Mauerらによる“Electron Optics
of an Electron−Beam Lithographic
System”、IBM J.RES.DEVEOP.、pp514−521、
Nov.1977に、焦点補正レンズを備えた電子ビー
ム露光装置用集束偏向装置が開示されている。こ
の集束偏向装置では磁界型の焦点補正レンズ（J.
L.MauerらはDynamic focus coilと表現してい
る）を用いているので応答速度が遅い。

応答速度を速くするために静電型レンズを焦点
補正に使うことは、従来技術の単純な延長として
容易に考えつくことができる。しかし集束装置の
中に静電型レンズを単純に配置しても、焦点補正
に要する電圧が極めて高くなるために、実際上高
速な応答速度を実現することはできない。そのた
め実用的な電子ビーム露光装置においては、今ま
でに静電型焦点補正レンズが用いられなかつた。
第７図は従来技術の延長として容易に考えられる
集束装置の一例を示す図である。第７図において
物点１には荷電粒子ビームのクロスオーバ像や成
形像が作られ、像点２に露光装置ではウエハやマ
スク等の試料が置かれる。磁界型対物レンズ３の
像点２側に静電型偏向器４を設け、上記磁界型対
物レンズ３の中に静電型焦点補正レンズ５を配し
ている。上記焦点補正レンズとしてアインツエル
型静電レンズが用いられ、対物レンズ３の物点１
側に離れて配置されている。上記静電型焦点補正
レンズ５を構成する３枚の電極のうち、中央の電
極に焦点補正のための電圧を印加し、外側の２枚
の電極はアース電位（ほとんどの場合は像点２の
電位をアース電位にとる）に保つ。第８図も同様
に従来技術の延長の集束装置例を示す図で、アイ
ンツエル型静電焦点補正レンズ５が対物レンズ３
の像点２の側に離れて配置されている。上記焦点
補正レンズ５への電圧印加法は第７図に示した前
例と同様である。第７図の前例と異なるのは、焦
点補正レンズ５の位置のみである。近軸電子光学
理論に基づく計算機シミユレーシヨンで、上記第
７図および第８図に示す従来技術の延長例に対す
る焦点補正に必要な電圧を計算した。本計算で
は、荷電粒子ビームとして電子ビームを考え、そ
の加速電圧を30kVとし、200μｍの試料高さの変
動を補正するものと仮定した。その結果、ともに
約220ボルトの印加電圧が必要なことが判つた。
このような高電圧では、電気回路技術上高速応答
特性を実現することは困難である。

上記のように従来装置の構成または従来技術の
単純な延長による装置構成においては、焦点補正
を高速に行うことができなかつた。

〔発明の目的〕

本発明は低い補正電圧によつて高速に焦点補正
動作が実現できる荷電粒子ビーム用集束装置を得
ることを目的とする。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために、本発明による荷
電粒子ビーム用集束装置は、磁界型レンズと静電
型焦点補正レンズとを有する荷電粒子ビーム用集
束装置において、上記磁界レンズが作る集束磁界
の分布領域と上記静電型焦点補正レンズが作る電
位の分布領域の一部または全部が重なり合うよう
に、上記磁界型レンズと上記静電型焦点補正レン
ズとを配置したものである。

〔発明の実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。第１図は本発明による荷電粒子ビーム用集束
装置の第１実施例の断面図、第２図は上記実施例
の対物レンズ磁界分布と補正レンズ電位分布との
説明図、第３図は本発明の第２実施例における集
束装置の半断面図と対物レンズ磁界分布および補
正レンズ電位分布との関連を示す説明図、第４図
は本発明の第３実施例における集束装置の半断面
図と対物レンズ磁界分布および補正レンズ電位分
布との関連を示す説明図、第５図は本発明の第４
実施例における集束装置の半断面図と対物レンズ
磁界分布および補正レンズ電位分布との関連を示
す説明図、第６図は本発明の第５実施例における
集束装置の半断面図と対物レンズ磁界分布および
補正レンズ電位分布との関連を示す説明図であ
る。第１図において、物点１に荷電粒子ビームの
クロスオーバ像や成形像が作られ、像点２に露光
装置ではウエハやマスク等の試料が置かれる。磁
界型対物レンズ３の中に静電型焦点補正レンズ５
が配置され、静電型偏向器４が磁界型対物レンズ
３の像点２側に設けてある。上記焦点補正レンズ
５はアインツエル型静電レンズで、中央電極に補
正のための電圧を印加し、外側の２枚の電極はア
ース電位に保つ。なお本実施例では静電型の偏向
器を用いているが、磁界型の偏向器を用いてもよ
い。また静電型焦点補正レンズとしてアインツエ
ル型のものを用いているが、軸まわりに回転対称
な電位分布をなすものであれば、電圧印加方法や
電極構成が違う形式の静電レンズを用いてもよ
い。本実施例において30kVの電子ビームの結像
位置を200μｍ補正するのに必要な印加電圧を計
算したら約50ボルトであつた。本実施例は前記第
７図および第８図に示した従来技術の延長例に比
較して、物点１と像点２の位置、対物レンズ３の
形状と位置、偏向器４の形状と位置、焦点補正レ
ンズ５の形状と電圧印加方法は同じであり、異な
つているのは上記焦点補正レンズ５の位置だけで
あるが、上記焦点補正レンズ５を対物レンズ３の
中に配置したことにより、補正に必要な電圧が約
220ボルトから約50ボルトへと、４分の１以下に
低減されている。第２図は上記実施例の説明図
で、対物レンズ３が作る軸上集束磁界分布１１と
焦点補正レンズ５が作る軸上電位分布１２の位置
関係を示している。図に示す１３は、磁界分布１
１と電位分布１２の重なり合つている領域であ
る。第２図に示すように、本実施例では対物レン
ズ３の磁界１１の分布領域と焦点補正レンズ５の
電位１２の分布領域とが、上記１３で示す領域で
重なり合つている。このように重なり合うように
配置することによつて、焦点補正に要する電圧が
大幅に低減される原理をつぎに詳記する。

静電型焦点補正レンズ５に電圧が印加される
と、上記焦点補正レンズ５の電位１２が分布する
領域では焦点補正レンズ５の電位によつてビーム
のエネルギ（すなわち速度）が変化する。また磁
界型対物レンズ３の集束磁界における集束作用の
強さは、通過するビームのエネルギによつて異な
る。そこで焦点補正レンズ５の電位１２の分布領
域と対物レンズ３の集束磁界１１の分布領域とを
重ね合わせると、焦点補正レンズ５への電圧印加
に応じて、電位１２と重なり合つた領域１３の集
束磁界の中を通過するビームのエネルギが変化
し、領域１３に存在する集束磁界のビームに対す
る集束作用の強さが相対的に変化する。これによ
り結像位置が変化する。この際印加電圧が小さけ
ればビームのエネルギ変化はわずかであり、集束
磁界１１のビーム集束作用の相対的変化は小さ
い。しかし、ビームを結像させるために対物レン
ズ３の中に存在する集束磁界１１は非常に強力で
あるため、わずかなビームエネルギの変化に対し
ても、集束磁界１１の全体による総合的な集束作
用は大きく変化する。その結果、結像位置は大き
く移動する。したがつて、わずかな補正電圧で大
きな補正効果が得られるので、焦点補正に要する
電圧は低くてもよい。

上記のように、ビームエネルギ変化による磁界
の集束作用の相対的変化が、本発明による集束装
置における焦点補正効果の根本原理であるため
に、本発明による集束装置の静電型焦点補正レン
ズ５には、従来の静電レンズからは考えられない
凹レンズの効果を等価的に持たせることができ
る。例えば第１図および第２図に示す第１実施例
で、電子ビームの結像位置を補正する場合を考え
る。電子は負の荷電粒子なので焦点補正レンズ５
に負の電圧を印加すれば、焦点補正レンズ５の電
位１２が分布する領域で電子は減速され、電子ビ
ームエネルギは減少する。その結果、焦点補正レ
ンズ５の電位１２と重なり合つた領域１３の集束
磁界１１の電子ビームに対する集束作用は相対的
に増大し、結像点は物点１の方向に移動する。こ
の時は焦点補正レンズ５は等価的に凸レンズとし
て作用している。しかし焦点補正レンズ５に正の
電圧を印加すると、電子ビームは加速されエネル
ギが増大するので集束磁界１１の集束作用は相対
的に減少し、結像点は物点１の方向と逆に移動す
る。この時、上記焦点補正レンズ５は等価的に凹
レンズとして作用している。このように焦点補正
レンズ５への印加電圧の符号によつて、高さ補正
の方向が逆転する。この作用を利用すれば、たと
えば第１実施例における200μｍの高さの補正に
対して、０ボルトから50ボルトの電圧範囲を取る
かわりに、−50ボルトから０ボルトの電圧範囲や、
−25ボルトから＋25ボルトの電圧範囲を取ること
も可能である。この結果、本発明の集束装置の焦
点補正においては、焦点補正用電源の仕様や電子
光学系構成部分との関係を考慮した、最適な電圧
範囲を自由に選定することができる。

第３図は本発明による荷電粒子ビーム用集束装
置の第２実施例で、集束装置とその対物レンズ３
の軸上磁界分布１１および焦点補正レンズ５の軸
上電位分布１２との関連を示している。本実施例
は第１図および第２図に示した第１実施例の焦点
補正レンズ５を、図中１４で示したように６mmだ
け物点１の方向に移動させたものである。本実施
例においては、領域１３に示すように、軸上磁界
分布１１と軸上電位分布１２の重なり合つた部分
はそれぞれの分布の一部分だけである。そのため
に30kVの電子ビームにおける200μｍの高さの補
正に要する電圧は約116ボルトと、第１実施例よ
りも大きくなつている。しかし第７図または第８
図に示した従来技術の延長例と比較すると約半分
の電圧で補正が可能である。本実施例に示すよう
に、磁界型物体３の磁界分布１１と静電型焦点補
正レンズ５の電位分布１２の一部分だけが重なり
合うことによつて、補正電圧を大幅に低減でき補
正の高速化を図ることができる。

第４図は本発明による荷電粒子ビーム用集束装
置の第３実施例を示す図である。１は物点、２は
試料が置かれる像点、３は磁界型対物レンズ、４
は静電型偏向器、５は静電型焦点補正レンズ、７
は磁界型縮小レンズである。中間結像点１′は上
記物点１に作られた像が縮小レンズ７によつて縮
小され結像される。静電型偏向器４は対物レンズ
３の内部に配置されている。焦点補正レンズ５は
アインツエル型静電レンズである。対物レンズ３
の軸上磁界分布１１、縮小レンズ７の軸上磁界分
布１１′、静電型焦点補正レンズ５の軸上電位分
布１２、および縮小レンズ７の軸上磁界分布１
１′と静電型焦点補正レンズ５の軸上電位分布１
２との重なり合つた領域１３を合わせて示してい
る。本実施例においては、静電型焦点補正レンズ
５を縮小レンズ７の内部に置き、集束磁界分布１
１′と電位分布１２とが重なり合うようにして焦
点補正の効果を高めている。一般に、静電型偏向
器や静電型レンズなどの静電型電子光学系構成要
素を互いに近接させて配置した場合、互いの電位
分布を乱し電子光学特性が劣化する場合が多い。
このような場合には静電型の電子光学系構成要素
を互いに離れた位置に配置する必要がある。した
がつて本実施例のように、静電型焦点補正レンズ
５を縮小レンズ７の内部に置けば対物レンズ３の
内部は静電型偏向器４だけが配置されるので、静
電型焦点補正レンズ５と静電型偏向器４の距離を
離して互いの干渉を除去できるという新たな利点
がある。さらに従来利用されることが少ない縮小
レンズ７内の空間を利用することにより、集束装
置全体の小形化が図れるという利点もある。な
お、本実施例においても第１実施例で詳記したよ
うに、集束磁界分布と電位分布を重ね合わせたこ
とによつて、補正に要する電圧が低減されるとい
う利点があることは言うまでもない。

第５図は本発明による荷電粒子ビーム用集束装
置の第４実施例を示す図で、その軸上磁界分布１
１、軸上磁界分布１２、および上記画分布が重な
り合つた領域１３も合わせ示している。本実施例
においては集束磁界がビーム通路方向に比較的広
く分布する対物レンズ３を用いて、上記対物レン
ズ３の内部に偏向器４を有し対物レンズの磁界分
布１１のすそ部分に焦点補正レンズ５を配置し焦
点補正に要する電圧の低減を図つている。なお本
実施例では静電型偏向器４と静電型焦点補正レン
ズ５とが近接して配置されているので、設計時の
電位解析において上記偏向器４と焦点補正レンズ
５の相互干渉を考慮する必要がある。

第６図は本発明による荷電粒子ビーム用集束装
置の第５実施例を示す図で、その軸上磁界分布１
１、軸上電位分布１２、および上記両分布が重な
り合つた領域１３も合わせて示している。本実施
例では、２個の静電型偏向器４および４′に、偏
向収差をより一層低減させるため一定の比率を保
ちながら電圧が印加される。すなわち２段偏向系
にして偏向収差の低減を図るとともに、第１偏向
器４と第２偏向器４′との間の集束磁界１１の比
較的強い領域に静電型焦点補正レンズ５を配置し
補正電圧の低減を図つている。

なお本発明は、上記第１〜第５実施例に限ら
ず、磁界型レンズの磁界分布領域と静電型焦点補
正レンズの電位分布領域とが重なり合うように、
集束レンズと焦点補正レンズとを配置することに
よつて同様の効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による荷電粒子ビーム用集
束装置は、磁界型レンズと静電型焦点補正レンズ
とを有する荷電粒子ビーム用集束装置において、
上記磁界レンズが作る集束磁界の分布領域と上記
静電型焦点補正レンズが作る電位の分布領域の一
部または全部が重なり合うように、上記磁界型レ
ンズと上記静電型焦点補正レンズとを配置したこ
とにより、低い補正電圧によつて高速な焦点補正
動作を実現し、大きな補正効果を得ることができ
るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による荷電粒子ビーム用集束装
置の第１実施例の断面図、第２図は上記実施例の
対物レンズ磁界分布と補正レンズ電位分布との説
明図、第３図は本発明の第２実施例における集束
装置の半断面図と対物レンズ磁界分布および補正
レンズ電位分布との関連を示す説明図、第４図は
本発明の第３実施例における集束装置の半断面図
と縮小レンズおよび対物レンズ磁界分布および補
正レンズ電位分布との関連を示す説明図、第５図
は本発明の第４実施例における集束装置の半断面
図と対物レンズ磁界分布および補正レンズ電位分
布との関連を示す説明図、第６図は本発明の第５
実施例における集束装置の半断面図と対物レンズ
磁界分布および補正レンズ電位分布との関連を示
す説明図、第７図および第８図は従来技術の延長
として容易に考えられる荷電粒子ビーム用集束装
置の断面図である。 ３……磁界型レンズ、５……静電型集束補正レ
ンズ、１１……集束磁界の分布領域、１２……電
位分布領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁界型レンズと静電型焦点補正レンズとを有
   する荷電粒子ビーム用集束装置において、上記磁
   界型レンズが作る集束磁界の分布領域と上記静電
   型焦点補正レンズが作る電位の分布領域の一部ま
   たは全部が重なり合うように、上記磁界型レンズ
   と上記静電型補正レンズとを配置したことを特徴
   とする荷電粒子ビーム用集束装置。 ２ 上記磁界型レンズは、荷電粒子ビームのクロ
   スオーバ像または成形像を縮小して結像させる縮
   小レンズであり、静電型焦点補正レンズを上記縮
   小レンズの内部に配置したことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載した荷電粒子ビーム用集
   束装置。 ３ 上記磁界型レンズは、荷電粒子ビームのクロ
   スオーバ像または成形像を試料面上に結像させる
   対物レンズであり、静電型焦点補正レンズを上記
   対物レンズの内部に配置したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載した荷電粒子ビーム用
   集束装置。 ４ 上記荷電粒子ビーム用集束装置は、偏向器を
   磁界型レンズの内部に有し、上記静電型焦点補正
   レンズを上記偏向器より試料面側に配置したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の
   いずれかに記載した荷電粒子ビーム用集束装置。 ５ 上記荷電粒子ビーム用集束装置は、２個の偏
   向器を有し、上記静電型焦点補正レンズを上記２
   個の偏向器の間に配置したことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載し
   た荷電粒子ビーム用集束装置。