JPS636736A - 磁気レンズシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ビームが通り抜ける一対のリング状永久磁石
を有し、これ等のリングは、その軸がビームに沿って同
軸で、軸方向に離間され、軸方向に反対に磁化された、
荷電粒子のビームの磁気レンズシステムに関するもので
ある。

このようなレンズは米国特許第３８１２３６５号より知
られており、この米国特許では、レンズは電子顕微鏡の
回転なしくｒｏｔａｔｉｏｎ−ｆｒｅｅ）　＠、磁気レ
ンズして用いられている。この“回転なし”という表現
は、レンズが電子ビームのコンバーゼンスを変えるが同
時に最終的に焦点合せされた電子イメージに何等の回転
を生じないことを言う。磁気レンズの回転効果は、レン
ズを直角に貫通するレンズ軸に沿ってとった磁束密度の
積分に比例することは知られている。この積分は、軸方
向の磁束を、軸に沿って互に続くがその向きが反対であ
る同じ範囲の同じ強さの２つの部分より成るように配設
することによって零にすることができる。レンズの回転
は前記の米国特許明細書におけるようにこの場合零であ
る。けれども、このようなレンズの合焦力は軸に沿った
磁束の２乗の積分に比例するので、磁界の逆転はレンズ
の合焦力に影響を与えない。

磁気レンズシステムの主な用途は一般的に電子ビームパ
ターン発生装置、特に、特定の形状、寸法及び位置のス
ポットに焦点合せされた電子ビームを基板上の電子感応
レジストに書込む電子ビームパターン発生器である。こ
のような発生装置の電子光学は、所定のレジスト露出時
間が段階的なスポット運動の行程の間１つの位置におけ
るスポットの所定の停滞時間内に確実に得られるように
、スポットに一定の直流電流密度を発生するように配設
される。ベクトル走査書込方法で使用される場合に成形
スポットの十分な電位を得るために、スポット寸法は迅
速に、代表的には１００ｎｓで変えることができねばな
らない。−定の電流密度では、この変化は必然的に比例
した全ビーム流変化を生じる。電子間の相互作用が全ビ
ーム流に依存した量だけスポットの縁のぼけを生じるこ
とはよく知られている。したがって、ビーム流の変化が
スポットの縁の鮮明度を変える。この縁の鮮明度の幾ら
かは再焦点合せによって補正できるが、けれどもこの再
焦点合せはスポット寸法の変化と同時に行わねばならな
い。ただ、この再焦点合せは、焦点合せされた成形スポ
ットを回転してはならない。

さもなければ、スポットのオーバーラツプ及び他の領域
での露出の結果酸る領域やスポ７）間の間隙に露出過度
があるであろうから、パターンの鮮明度が失われるであ
ろう。

焦点合せ効果は磁束の２乗で決まるので、所定の変化を
遥かに大きな固定磁界に重畳することによって、磁束の
所定の変化による焦点合せ効果の大きな変化を得ること
ができる。基板の丁度前に、最終対物レンズの中心に小
さな微焦点合せレンスを置くことは公知である。けれど
も、このような組合せは回転なしではなく、また微焦点
合せレンズのコイルのインダクタンスが、対物レンズ磁
気回路の存在のために大きい。

本発明の目的は、回転なしでそしてまた迅速な焦点合せ
変化を可能とするために低インダクタンスでもある、荷
電粒子のビームの微焦点合せレンズを得ることにある。

本発明の特徴とするところは、ビームが通り抜ける一対
のリング状永久磁石を有し、これ等のリングは、その軸
がビームに沿って同軸で、軸方向に離間され、軸方向に
反対に磁化された、荷電粒子のビームの磁気レンズシス
テムにおいて、１つが夫々のリングに対する一対の離間
されたホーカスコイルが設けられ、これ等のホーカスコ
イルの軸はビーム方向に沿って同軸に存し、各ホーカス
コイルは関係のリング内にあり、また各ホーカスコイル
は逆直列に接続され、焦点合せされたビームの回転なし
にレンズによる微焦点合せのための調節可能な直流電流
を流すようにしたことにある。か（して、２つの永久磁
石と２つのコイルによる軸方向側磁界は軸に沿って磁界
の反転を有し、したがって両者は別々に回転なしである
ことができる。コイルによる磁界は永久磁石による遥か
に大きな磁界に重畳され、したがってコイルの所定の電
流変化による焦点合せ変化は前述したように遥かに増さ
れる。更にまた、コイルを貫通する磁性材料の閉路がな
いので、そのインダクタンスは低くできる。

本発明の一実施態様では、リング状永久磁石は、磁界を
軸に沿って集中し且つ、軸に向って、フェライト材料よ
り構成された磁極片によって夫々取囲まれ、各ホーカス
コイルはその関係のリングよりも小さな直径を有する。

この実施態様によれば、磁極片の磁気回路は、殆ど磁性
材料のないコイルのインダクタンスを実質的に増加する
ことがない。

したがって、このコイルは、短い焦点合せ時間を得るの
に必要な低インピーダンスである。磁極片の高電気抵抗
の軟フェライトは、コイルの電流が変えられた時に生じ
る残留渦電流効果を最少限にし、電流変化後の新たな磁
界の迅速な成形に寄与する。

本発明の別の実施態様では、磁極片の軸と反対の側は強
磁性外枠内に入れられる。この強磁性外枠は、漂遊磁束
に対する帰路を与える外に、さもなければビームの焦点
合せを妨害することのある外部磁界よりレンズアセンブ
リをしや蔽する。本発明の更に別の実施態様では、各永
久磁石の磁極片の軸に向った側は非磁性で非導電性のス
ペーサで分離される。コイルの電流変化による渦電流は
これによって避けられ、−方磁極片の機械的な剛性が確
保される。このスペーサはセラミック或いはガラスでよ
い。

本発明の更に別の実施態様では、軸から離れた側で、磁
極片と永久磁石との間にギャップが設けられ、このギャ
ップの幅と広さは、磁束を軸上に形成するように選ばれ
る。ギャップのりラフタンスは、磁石の強さに関連して
所望の軸方向磁束が得られるように選ぶことができる。

本発明の磁気レンズは、基板近くの最終対物レンズとし
て用いるのには適さず、したがって最終対物レンズより
前とすることがでる。この場合には、ビームに対するレ
ンズの機械的なミスアライメントの可能性がある。この
ミスアライメントは、ビームの傾き及びその結果として
の焦点合せされたスポットのずれをきたすことがある。

したがって、付加的なアラインメントまたは偏向の補正
が必要であろう。レンズシステムの更に別の実施態様で
は、ビームアラインメントコイルアセンブリが一対のホ
ーカスコイルの場所に設けられる。アラインメント補正
電流は、ビームアラインメントを補正するため、このコ
イルアセンブリのコイルを経て供給されねばならない。

以下に本発明を添付の図面を参照して実施例で説明する
。

第１図において、管状の真空円柱１の下端の軸方向断面
は基板支持室２にシールされている。上面に電子感応レ
ジストを有する基板３が前記の室内に示されており、基
板の任意の選択された部分を電子ビーム４の下にもたら
すためにその平面内で２次元的に基板を動かすことので
きる図示しないテーブル上に普通取付けられる。すべて
の磁気レンズ素子も軸方向断面で示しである。最終対物
レンズ５はそのコイルの断面として示してあり、関係の
磁極片は図示してない。コイル巻線は６で示されており
、この場合これ等の巻線は図の紙面に垂直である。前記
の対物レンズ５は、図示しない対応して形成されたアパ
ーチャの実像を図示しない電子源よりの広いビームで照
射された円柱の更に上に形成することによって、ビーム
４を基板上の成形スポットに焦点合せする。前記のアパ
ーチャは、本発明の要旨と関係ないためここではその説
明を省略する手段にによってその寸法よ形を変えること
ができる。

電子ビームは、路面で示した偏向コイルアセンブリ７に
よって基板上に偏向される。この偏向コイルアセンブリ
は、主偏向コイルと高速偏向コイルより成るのが普通で
ある。

最８％対物レンズ５の前にはホーカス補正レンズ８が設
けられる。ここに説明するパターン発生装置の特定め形
では、このホーカス補正レンズは、ビームコンバーゼン
スに小さな変化を生じ、この変化が最終対物レンズ５の
主なホーカス効果に加えられる。前記のホーカス補正レ
ンズ８は、最終対物レンズ５とこのレンズ８の間の点に
おいて更に円柱上後方に形成アパーチャの実像をつくら
ない。けれども、別の形では、ホーカス補正レンズは、
基板上の最終イメージかまたは円柱内の中間イメージの
何れかの実像をつくることもできる。

ホーカス補正レンズ８は、ビーム４が通り抜ける一対の
リング状永久磁石９とｌＯを有する。これ等のリングは
断面で示されており、これ等リングの軸は、ビーム方向
に沿って同軸で、円柱１の軸と一致する。この２つのリ
ングは、次に説明する磁極片と分離素子によって軸方向
に離されている。

前記の２つのリングは、矢印１１．１２で示したように
軸方向に反対に磁化されている。これ等のリングは、磁
化されたフェライト例えばＦｅｒｒｏｘｄｕｒｅＦＤＸ
２７０　　（商品名）より成る。各磁石に対し、軸に向
って、渦電流の影響を避けるために軟強磁性体より成る
リング状磁極片１３．１４．１５によって個別の環状磁
極片が設けられる。スペーサリング１６゜１７が磁極片
を分離するために設けられ、これ等はセラミックまたは
ガラスで形成される。これ等のスペーサリングは非磁性
で非導電性なので、渦電流の影響は避けられる。磁極片
の間隔も明確に規定される。セラミックまたはガラスの
非磁性リング１８が、主として磁極片１４を、ホーカス
補正レンズを包含する円筒状強磁性外枠１９より分離す
る。

磁極片１４と磁石９及び１０との間のギャップ２３と２
４は、軸よりの磁束の帰路を制御する。この帰路は、ギ
ャップ幅と磁極片１４の外径によって形成されるリラク
タンスで、したがって、永久磁石によって軸上に発生さ
れる磁束の値を制御する。前記の外枠１９はレンズを外
部発生磁束よりシールドし、さらに磁石９と１０よりの
残留磁束の帰路としても働く。

２つのリング状永久磁石９．１０は同寸法で逆方向に同
じ強ざに磁化されている。したがって、レンズ軸すなわ
ちビームに沿った磁束の積分は零で、零イメージ回転を
与える。けれども、同一でない寸法及び同じでなく磁化
された磁石でも零積分を得ることができる。

夫々の磁石に対して１つの一対のホーカスコイル２０．
２１が設けられ、関係する磁石内に置かれる。

これ等のコイルは円柱の周囲に巻回され、したがってそ
の軸はビームに沿って存する。使用時、この２つのコイ
ルは、調節可能な直流電流を流すように逆直列に接続さ
れる。この２つのコイルにより発生される逆向きの磁界
は、直流電流の大きさまたは向きと無関係に回転のない
レンズ効果を生じる。このコイルの磁界は、永久磁石の
磁界を補足する。けれども、ホーカス効果は全磁束の２
乗に比例するので、コイル磁束の所定の変化により発生
されるホーカス効果は、定常の磁束に加えられ時比例的
に大きくなる。

コイルを通る磁性体が無いことに注意され度い。

したがってこのコイルは本質的に空心でインダクタンス
は低く、迅速なスイッチングを助ける。

実際の場合には、所期のビーム流範囲による予期される
空間電荷の焦点ずれの補正は、各コイルにおいて最大約
６アンペアターンで得ることができる。電流スイッチン
グは約１００　ｎｓ内で行うことができる。永久磁石は
各ギャップに２８．２ｍＴａの軸の磁束密度を生じ、約
１０９　ｎ＋ｌＩｌの焦点距離を与える。

各コイルの１０アンペアターンの変化は磁束密度を０．
９ｍＴａ変え、焦点距離を約５．５１１１ｍ変える。レ
ンズの軸方向の長さは４０ｍｍ、外径は７０ｍｍ及び内
径は２５ｎ＋ｍである。これ等の寸法では、組合せの球
面収差は永久磁石レンズ単独の球面収差よりも極く僅か
悪い。

ホーカス補正レンズ８は対物レンズ５と離れているので
、ビームに対するホーカス補正レンズのミスアラインメ
ントの可能性がある。このミスアラインメントは、ビー
ムの傾き及びその結果として合焦スポット位置のずれを
きたすことがある。

対物レンズ５はビームアラインメントコイルアセンブリ
２２に対して良好な位置を与える。このコイルアセンブ
リは一組のビーム偏向コイルより成り、このコイルを経
て、偏向コイルアセンブリ７でビームアラインメントを
生じるために適当な直流電流を通すことができる。

最後に、ホーカス補正レンズ８は、ビームの非点収差を
補正するために適当な電流が通される一対のアスチグマ
トール四極コイルアセンブリに対しても都合のよい位置
を与える。このアスチグマトール四極コイルアセンブリ
は普通のもので、図面を見易くするために第１図には図
示してない。

以上本発明を電子ビームパターン発生装置での使用に関
して説明したが、走査電子顕微鏡のような他の電子ビー
ム装置にも使用することができる。荷電粒子のビームは
、代りにイオン化原子または分子より成るものでもよく
、或いはまた基本（［ｕｎｄａｍｅｎｔａｌ）荷電粒子
のビームでもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するための電子ビームパターン発
生装置の真空円柱の下端部の略図的断面図である。 １・・・真空円柱　　　　　２・・・基板支持室３・・
・基板　　　　　　　４・・・電子ビーム５・・・最終
対物レンズ ７・・・偏向コイルアセンブリ 訃・・ホーカス補正レンズ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ビームが通り抜ける一対のリング状永久磁石を有し
   、これ等のリングはその軸がビームに沿って同軸で、軸
   方向に離間され、軸方向に反対に磁化された、荷電粒子
   のビームの磁気レンズシステムにおいて、１つが夫々の
   リングに対する一対の離間されたホーカスコイルが設け
   られ、これ等のホーカスコイルの軸はビーム方向に沿っ
   て同軸に存し、各ホーカスコイルは関係のリング内にあ
   り、また各ホーカスコイルは逆直列に接続され、焦点合
   せされたビームの回転なしにレンズによる微焦点合せの
   ための調節可能な直流電流を流すことを特徴とする磁気
   レンズシステム。 ２、永久磁石は、磁界を軸に沿って集中し且つ、軸に向
   かって軟フェライト材料より構成された磁極片によって
   夫々取囲まれ、各ホーカスコイルはその関係のリングよ
   りも小さいな直径を有する特許請求の範囲第１項記載の
   磁気レンズシステム。 ３、磁極片の軸と反対の側は強磁性外枠内に入れられた
   特許請求の範囲第２項記載の磁気レンズシステム。 ４、各永久磁石の磁極片の軸に向った側は非磁性で非導
   電性のスペーサで分離された特許請求の範囲第２項また
   は第３項記載の磁気レンズシステム。 ５、軸から離れた側で、磁極片と永久磁石との間にギャ
   ップが設けられ、このギャップの幅と広さは、磁束を軸
   上に形成するように選ばれた特許請求の範囲第２、第３
   または第４項の何れか１項記載の磁気レンズシステム。 ６、ビームアラインメントコイルアセンブリが一対のホ
   ーカスコイルの場所に設けられた特許請求の範囲第１項
   乃至第５項の何れか１項記載の磁気レンズシステム。 ７、２つのホーカスコイルは同じ寸法で同じアンペアタ
   ーンを有し、永久磁石は同じ寸法で同じに磁化された特
   許請求の範囲第１項乃至第６項の何れか１項記載の磁気
   レンズシステム。 ８、一対のホーカスコイルの場所にアチグマトールコイ
   ルアセンブリが設けられた特許請求の範囲第１項乃至第
   ７項の何れか１項記載の磁気コイルシステム。