KR101877633B1 - 하전 입자 빔 렌즈 장치, 하전 입자 빔 컬럼 및 하전 입자 빔 노광 장치 - Google Patents

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Abstract

[과제] 소형이고 해상도가 높은 하전 입자 빔 렌즈 장치, 그리고 하전 입자 빔 컬럼 및 하전 입자 빔 노광 장치를 제공한다.
[해결수단] 하전 입자 빔을 통과시키는 관통공의 주위에 형성되어, 하전 입자 빔을 수속 또는 확산시키는 렌즈부와, 렌즈부의 외주를 에워싸는 지지부를 구비하고, 렌즈부에 있어서의 지지부와 접하는 외주 부분 및 지지부에 있어서의 렌즈부와 접하는 내주 부분 중 적어도 일방은, 렌즈부의 외주를 따라 냉각용 유체를 흘리기 위한 홈부를 갖는 하전 입자 빔 렌즈 장치를 제공한다. 이에 따라, 소형이고 해상도가 높은 하전 입자 빔 렌즈 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

Description

하전 입자 빔 렌즈 장치, 하전 입자 빔 컬럼 및 하전 입자 빔 노광 장치{CHARGED PARTICLE BEAM LENS APPARATUS, CHARGED PARTICLE BEAM COLUMN AND CHARGED PARTICLE BEAM EXPOSURE APPARATUS}
본 발명은, 하전 입자 빔 렌즈 장치, 하전 입자 빔 컬럼 및 하전 입자 빔 노광 장치에 관한 것이다.
종래, 광 노광 기술로 형성한 라인 패턴을, 전자빔 등의 하전 입자 빔을 이용하여 가공하는 컴플리멘터리·리소그래피가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 또한, 하전 입자 빔 렌즈를 갖는 하전 입자 빔 컬럼을 복수 개 나열한 하전 입자 빔 노광 장치가 알려져 있다(예를 들어, 비특허문헌 1 참조). 또한, 하전 입자 빔 렌즈의 방열 수단도 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 2, 3 참조).
일본특허공개 2013-16744호 공보 일본특허공개 소61-227356호 공보 일본특허공개 2014-120545호 공보
Proc. SPIE 7637, Alternative Lithographic Technologies II, 76370C (March 10, 2010)
이러한 노광 장치는, 하전 입자 빔 컬럼을 복수 개 나열하므로, 렌즈의 크기에 제한이 있어, 빔 전류값을 유지하면서 높은 해상성을 얻는 것이 곤란했었다. 하전 입자 빔 렌즈의 여자 전류를 증가시켜 강하게 여자하면, 높은 해상도가 얻어지지만, 하전 입자 빔 렌즈의 발열이 커져 버리고, 해당 발열의 대책으로서 하전 입자 빔 렌즈에 방열 등의 기구를 마련하면, 하전 입자 빔 렌즈가 대형화되어 버리기 때문이다. 이에 따라, 소형이고 해상도가 높은 하전 입자 빔 렌즈가 요구되었다.
예를 들어, 하전 입자 빔 렌즈의 방열 수단으로서, 이중구조를 갖는 부재를 도입하고, 그 간극에 냉각용 액체를 흘리는 수단(예를 들어, 특허문헌 2 참조) 및 여자부를 봉한 용기를 마련하고, 그 내부에 냉각용 액체를 흘리는 수단(예를 들어, 특허문헌 3 참조) 등이 제안되어 있다. 그러나, 이들 수단은, 하전 입자 빔 렌즈에 새로운 부재를 추가하여 냉각수 유로를 형성하기 때문에, 하전 입자 빔 렌즈의 크기는, 그 부재의 폭만큼 크게 변했다.
본 발명의 제1의 태양에 있어서는, 하전 입자 빔을 통과시키는 관통공의 주위에 형성되어, 하전 입자 빔을 수속(收束) 또는 확산시키는 렌즈부와, 렌즈부의 외주를 에워싸는 지지부를 구비하고, 렌즈부에 있어서의 지지부와 접하는 외주 부분 및 지지부에 있어서의 렌즈부와 접하는 내주 부분 중 적어도 일방은, 렌즈부의 외주를 따라 냉각용 유체를 흘리기 위한 홈부를 갖는 하전 입자 빔 렌즈 장치를 제공한다.
본 발명의 제2 태양에 있어서는, 하전 입자 빔을 통과시키는 관통공의 주위에 형성되어, 하전 입자 빔을 수속 또는 확산시키는 렌즈부와, 렌즈부의 외주를 에워싸는 지지부를 구비하고, 렌즈부는, 관통공의 주위에 형성되는 제1 부재와, 제1 부재의 외주를 에워싸는 제2 부재를 가지며, 제1 부재에 있어서의 제2 부재와 접하는 외주 부분 및 제2 부재에 있어서의 제1 부재와 접하는 내주 부분 중 적어도 일방은, 제1 부재의 외주를 따라 냉각용 유체를 흘리기 위한 홈부를 갖는 하전 입자 빔 렌즈 장치를 제공한다.
본 발명의 제3 태양에 있어서는, 하전 입자 빔을 방출하는 입자원과, 제1 태양 및 제2 태양 중 어느 하나의 하전 입자 빔 렌즈 장치를 갖는 하전 입자 빔 컬럼을 제공한다.
한편 상기 발명의 개요는, 본 발명의 필요한 특징 모두를 열거한 것은 아니며, 이들 특징군의 서브콤비네이션 또한 발명이 될 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 전자빔 노광 장치(100)의 구성예를 나타낸다.
도 2a는 본 실시 형태에 따른 전자빔 렌즈 장치(30)의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 2b는 본 실시 형태에 따른 전자빔 렌즈 장치(30)의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 제1 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 제2 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 제3 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 제4 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 7은 냉각수의 유량과, 홈부(61)의 양단의 압력차 및 배수 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 실시 형태에 따른 전자빔 노광 장치(100)의 변형예를 나타낸다.
도 9는 전자빔 노광 장치(100)의 변형예에 있어서의 렌즈부(40)의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 제5 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 11a는 전자빔 렌즈 및 방열 수단의 제1 예를 나타내는 단면도이다.
도 11b는 전자빔 렌즈 및 방열 수단의 제2 예를 나타내는 단면도이다.
도 11c는 전자빔 렌즈 및 방열 수단의 제3 예를 나타내는 단면도이다.
도 12는 전자빔 렌즈의 구면 수차 계수 Cs와, 전자빔 렌즈의 발열량 Qc의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 발명의 실시의 형태를 통해 본 발명을 설명하지만, 이하의 실시 형태는 특허청구범위에 따른 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 실시 형태에서 설명되고 있는 특징의 조합이 모두 발명의 해결 수단에 필수라고는 할 수 없다.
우선, 전자빔 렌즈의 렌즈특성과 렌즈의 발열과의 관계 및 전자빔 렌즈의 방열 수단에 대하여 설명한다.
도 11a는 전자빔 렌즈 및 방열 수단의 제1 예를 나타내는 단면도이다. 도 11b는, 전자빔 렌즈 및 방열 수단의 제2 예를 나타내는 단면도이다. 도 11c는, 전자빔 렌즈 및 방열 수단의 제3 예를 나타내는 단면도이다. 각각의 도면에서, 전자빔 렌즈를 구성하는 부재는, Z축에 평행한 일점쇄선으로 표시된 축 LA의 주위에 축대칭으로 배치된다. 전자빔 렌즈는, 여자부(42)와, 자성체부(43)와, 갭부(44)를 구비한다. 전자빔은, 일례로서, 대칭축 LA를 따라, 전자빔 렌즈를 통과한다. 여자부(42)는, 축 LA를 권선의 중심축으로 하는 코일이다. 여자부(42)는, 축 LA의 주위에 전류를 흘림으로써, 축 LA 상에 축 LA의 연신 방향의 자장을 발생한다.
자성체부(43)는, 여자부(42)가 여자한 자장을, 갭부(44) 부근에 집중시킨다. 이에 따라 도 11a, 도 11b 및 도 11c는 각각, 축 LA를 렌즈축으로 하는 전자빔 렌즈를 구성한다. 폭 d1은, 렌즈축 LA를 따라 전자빔을 통과시키는 전자빔 렌즈의 관통공의 내경을 나타낸다. 또한, 폭 d2는, 렌즈축 LA를 중심축으로 하여 원기둥 형상을 갖는 전자빔 렌즈의 외경을 나타낸다.
이러한 전자빔 렌즈를 대물 렌즈로 하는 전자빔 컬럼에 있어서, 렌즈의 해상성을 결정하는 기본적인 파라미터인 구면 수차 계수 Cs와, 여자부(42)의 코일에 흘리는 전류에 의해 발생하는 발열량 Qc의 관계를 검토하였다. 한편, 구면 수차 계수 Cs는, 전자빔 렌즈의 수속 반각(收束半角)을 α라 했을 때, Cs×α3이 해당 전자빔 렌즈의 수차가 되는 계수이다. 도 12는 전자빔 렌즈의 구면 수차 계수 Cs와, 전자빔 렌즈의 발열량 Qc의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 12는 가로축을 구면 수차 계수 Cs, 세로축을 전자빔 렌즈의 발열량 Qc로 한다. 도 12는 여자부(42), 자성체부(43) 및 갭부(44)의 형상 및 크기를, 보다 적은 발열량 Qc로, 보다 작은 수차 계수 Cs를 얻도록 최적화하여 얻은, 구면 수차 계수 Cs와 발열량 Qc의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12의 그래프는, 전자빔의 가속 전압이 50KV, 자성체부(43)의 내경 d1이 φ8mm 및 자성체부(43)의 외경 d2가 φ28mm인 조건으로 구한 예를 나타낸다. 또한, 여자부(42)의 코일 권선 단면의 지름 방향의 폭(일례로서, 도 11a에 있어서의 d3)은 4mm 이내, 자성체부(43)의 단면의 지름 방향의 폭은, 내측(렌즈축 LA에 가까운 측, 일례로서, 도 11a에 있어서의 d4) 및 외측(렌즈축 LA로부터 먼 측, 일례로서, 도 11a에 있어서의 d5) 모두 3mm 이내라는 조건으로 구한 예를 나타낸다.
도 12는 전자빔 렌즈의 파라미터마다 발열량 Qc와 구면 수차 계수 Cs를 시뮬레이션에 의해 산출하여 그래프로 표시한 예이다. 전자빔 렌즈의 파라미터는, 여자부(42)의 권선 부분의 단면 형상 및 Z축 방향의 길이, 여자부(42)를 에워싸는 자성체부(43)의 단면 형상 및 Z축 방향의 길이, 갭부(44)의 위치 및 간격, 그리고 빔이 출사하는 측의 렌즈의 하면과 시료 상의 결상면 사이의 간격 등이다. 한편, 도 12의 그래프는, 파라미터마다의 그래프의 결과로부터, 보다 적은 발열량 Qc로, 보다 작은 수차 계수 Cs가 얻어지고 있는 점, 즉, 세로축 및 가로축에 보다 가까운 점을 연결하여 작성한 예를 나타낸다.
도 12의 그래프로부터, 구면 수차 계수 Cs가 5mm 이하인 전자빔 렌즈의 발열량 Qc는, 100W 이상인 것을 알 수 있다. 여기서, 구면 수차 계수 Cs가 5mm 이하인 조건은, 전자빔 렌즈에 의해, 수속 반각 α가 예를 들어 10mrad인 범위의 전자빔을 수속한 경우에, Cs×α3으로 계산되는 수차가, 예를 들어 5nm 이하가 되는 조건을 나타낸다.
즉, 수속 반각 α로서 10mrad의 전자빔을 수속함으로써, 충분한 빔 전류값을 얻으면서, 소정의 해상성을 실현할 수 있는 전자빔 렌즈의 조건을 검토한 일례를 나타낸다. 즉, 이상의 시뮬레이션 결과는, 구면 수차 계수 Cs가 5mm 이하이고, 또한, 전자빔 렌즈의 온도를, 예를 들어 50℃ 이하로 유지하기 위해서는, 전자빔 렌즈로부터 적어도 100W의 열을 방열할 필요가 있는 것을 나타내고 있다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 전자빔 렌즈의 방열 수단의 예를 나타내고 있다. 도 11a의 방열 수단은, 자성체부(43)의 외주에 관(81)을 코일 형상으로 권취하여 설치한 예이다. 도 11a의 수단은, 자성체부(43)의 외벽과 관(81)을 접촉시키고, 관(81)의 내부를 통과하여 순환하는 냉각용 유체에 의해, 전자빔 렌즈가 발생하는 열을 방열한다. 도 11a의 수단은, 도 11b 및 도 11c에서 설명하는 방열 수단과 비교할 때 방열 능력이 낮아, 100W 이상 발열하는 전자빔 렌즈의 온도를, 소정의 범위 내로 유지하는 것이 곤란하다는 것을 알 수 있었다. 또한, 도 11a는, 전자빔 렌즈의 크기가, 관(81)만큼 커진다.
도 11b의 방열 수단은, 자성체부(43)에 관통공(82)을 마련한 예이다. 도 11b의 수단은, 관통공(82)을 통과하여 순환하는 냉각용 유체와 자성체부(43)를, 관통공(82)의 벽면을 통과하여 직접 접촉시킴으로써, 전자빔 렌즈가 발생하는 열을 방열한다. 도 11b의 수단은, 100W 이상 발열하는 전자빔 렌즈의 온도를 소정의 범위 내로 유지하는 것을 목적으로, 관통공(82)의 직경 및 관통공(82)의 수를 조절하면, 자성체부(43)의 크기, 특히 자성체부(43)의 단면의 지름 방향의 폭 d5를 크게 하지 않으면 해당 전자빔 렌즈를 형성하는 것이 곤란하다는 것을 알 수 있었다.
도 11c의 방열 수단은, 자성체부(43)의 내부공간에 여자부(42)를 넣는 용기(83)를 마련한 예이다. 도 11c의 수단은, 용기(83)의 내부를 통과하여 순환하는 냉각용 유체에 여자부(42)를 침지함으로써, 전자빔 렌즈가 발생하는 열을 방열한다. 도 11c의 수단은, 전류가 흐르고 있는 여자부(42)와 냉각용 유체가 직접 접촉되므로, 여자부(42)로부터 냉각용 유체로의 누전 및 여자부(42)와 냉각용 유체와의 접촉으로 인한 여자부(42)의 부식 등에 의해, 렌즈 동작에 불안정성을 초래하는 경우가 발생한다. 또한, 냉각용 유체를 순환시키면서, 여자부(42)에 안정적으로 전류를 흘리는 것은 곤란하다.
이상과 같이, 소형의 전자빔 렌즈에서, 100W 이상 발열하는 전자빔 렌즈의 온도를 소정의 범위 내로 유지하는 것은 곤란했었다. 이에, 소형이면서 100W 이상 발열하는 전자빔 렌즈의 온도를 소정의 범위 내로 유지하는 본 실시 형태에 따른 하전 입자 빔 렌즈 장치에 대하여, 다음에 설명한다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 전자빔 노광 장치(100)의 구성예를 나타낸다. 전자빔 노광 장치(100)는, 일례로서, 소정의 피치로 형성된 시료 상의 라인 패턴에 따른 위치에 하전 입자 빔을 조사하여, 해당 라인 패턴 상에 커트 패턴이나 비아 패턴을 노광한다. 전자빔 노광 장치(100)는, 스테이지부(110)와, 컬럼부(120)와, 노광 제어부(140)를 구비한다. 스테이지부(110)는, 진공 용기(112) 내에 설치된다.
스테이지부(110)는, 시료(10)를 재치한다. 여기서, 시료(10)는, 반도체, 유리 및/또는 세라믹 등으로 형성된 기판이면 되며, 일례로서, 실리콘 등으로 형성된 반도체 웨이퍼이다. 시료(10)는, 금속 등의 도전체로 라인 패턴이 표면에 형성된 기판이다. 본 실시 형태의 전자빔 노광 장치(100)는, 예를 들어, 해당 라인 패턴을 절단하여 미세한 가공(전극, 배선 및/또는 비아 등의 형성)을 하기 위해, 해당 라인 패턴 상에 형성된 레지스트를 노광한다.
스테이지부(110)는, 시료(10)를 도 1에 나타낸 XY 평면 상에서 이동시킨다. 스테이지부(110)는, XY 스테이지이어도 되고, 또한, XY 스테이지에 더하여, Z 스테이지, 회전 스테이지 및 틸트 스테이지 중 1개 이상과 조합되어도 된다.
컬럼부(120)는, 스테이지부(110)에 재치된 시료(10)에, 전자 및 이온을 갖는 하전 입자 빔을 조사하는 하전 입자 빔 컬럼이다. 컬럼부(120)는, 전자 및 이온을 갖는 하전 입자 빔을, 스테이지부(110)에 의해 움직일 수 있는 범위에 있는 시료(10)의 표면 상에 조사한다. 본 실시 형태에 있어서, 컬럼부(120)가, 전자빔을 조사하는 예를 설명한다. 본 실시 형태의 컬럼부(120)는, 예를 들어, 시료(10)에 형성된 라인 패턴을 절단하여 미세한 가공을 행하는 전자빔을 발생한다.
컬럼부(120)는, 전자원(20) 및 전자빔 렌즈 장치(30)를 갖는다. 전자빔 렌즈 장치(30)는, 렌즈부(40) 및 지지부(50)를 갖는다. 또한, 렌즈부(40)는, 장벽부(41), 여자부(42) 및 자성체부(43)를 포함한다.
전자원(20)은, 하전 입자 빔을 방출하는 입자원의 일례이다. 전자원(20)은, 전자를 전계 또는 열에 의해 방출시키고, 해당 방출한 전자에 미리 정해진 전계를 인가하여, 도 1의 -Z 방향이 되는 시료(10)의 방향으로 가속하여 전자빔 EB로서 출력한다. 전자원(20)은, 미리 정해진 가속 전압(일례로서, 50KV)을 인가하여, 전자빔 EB를 출력하여도 된다. 전자원(20)은, XY평면과 평행한 시료(10)의 표면으로부터 Z축과 평행한 수선 상에 마련되어도 된다. 전자원(20)은, 진공 용기(22) 내에 설치된다.
전자빔 렌즈 장치(30)는, 전자원(20)과 시료(10) 사이에 마련되어, 전자원(20)으로부터 방출된 전자빔 EB를 수속하고, 시료(10)의 표면 상에 조사한다. 렌즈부(40) 및 지지부(50)는, 일례로서, 전자빔 EB가 통과하는 축에 대하여 축대칭으로 배치된다.
렌즈부(40)는, 전자빔을 통과시키는 관통공의 주위에 형성되어, 전자빔을 수속 또는 확산시킨다. 렌즈부(40)는, 전자빔 EB가 통과하는 축에 가까운 측에 장벽부(41)를 갖는다. 장벽부(41)는, 예를 들어, Z축 방향으로 긴 원통 형상의 형상을 가지며, 전자빔 EB가 그 내측을 통과하는 관통공을 형성한다. 장벽부(41)는, 그 단부에 있어서, 전자원(20)이 내부에 설치되어 있는 진공 용기(22) 및 스테이지부(110)가 내부에 설치되어 있는 진공 용기(112)와 접하여도 된다.
장벽부(41)가 진공 용기(22) 및 진공 용기(112)와 접촉하는 접촉면은, 진공 시일(seal) 면을 형성하여, 진공 용기(22)의 내측의 공간, 원통 형상의 장벽부(41)의 내측의 공간 및 진공 용기(112)의 내측의 공간을 진공 상태로 유지하여도 된다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 전자원(20)으로부터 방출된 전자빔 EB는, 장벽부(41)의 내측의 진공 상태로 유지된 공간을 통과하여, 시료(10) 상에 도달한다.
여자부(42)는, 장벽부(41)에 의해 진공 상태로 유지된 상기 관통공의 내부에, 관통공의 연신 방향의 자장을 발생시킨다. 자성체부(43)는, 여자부(42)가 발생시킨 자장의 강도와 방향을 조정한다. 이에 따라, 여자부(42) 및 자성체부(43)는, 렌즈부(40)의 대칭 중심축인 렌즈축 상에, 렌즈 축 방향의 자장을 발생하고, 전자빔 EB를 수속하는 전자빔 렌즈를 형성한다.
도 1은, 전자원(20)과 시료(10) 사이에 일단의 렌즈부(40)가 마련되어 있는 경우를 나타내었으나, 이것으로 한정되지 않고, 복수 단의 렌즈부(40)가 마련되어 있어도 된다. 또한, 도 1은, 하나의 단으로 전자빔 EB를 수속하는 렌즈를 나타내었으나, 이것으로 한정되지 않고, 전자빔 EB를 수속 또는 확산시키는 렌즈부(40)가 조합되어 마련되어 있어도 된다. 이 경우, 도 11a, 도 11b, 도 11c 및 도 12에서 설명한 전자빔 렌즈의 렌즈특성과 발열의 관계는, 예를 들어, 시료(10)에 가장 가까운 전자빔 렌즈(대물 렌즈)에 대하여 적용된다.
지지부(50)는, 컬럼부(120)의 외주를 에워싸고, 렌즈부(40)를 구조적으로 지지한다. 지지부(50)는, 전자원(20)을 설치한 진공 용기(22)와 감합함으로써, 전자원(20)으로부터 방출된 전자빔 EB의 빔 궤도와 렌즈부(40)의 중심축인 렌즈축의, 축 어긋남 양의 크기를 규정한다. 지지부(50)는, 전자빔 렌즈의 렌즈 축과 빔 궤도의 축 어긋남 양의 크기가, 얼라인먼트 수단(미도시)에 의해 전자적으로 전자빔 EB의 축 맞춤이 가능할 정도의 범위 내에 들어가도록, 전자원(20)과 렌즈부(40)를 축 맞춤하여 유지한다.
노광 제어부(140)는, 스테이지부(110) 및 컬럼부(120)에 접속되며, 스테이지부(110) 및 컬럼부(120)를 제어하여 시료(10)의 노광 동작을 실행한다. 노광 제어부(140)는, 예를 들어, 시료(10)의 노광해야 할 위치와, 컬럼부(120)의 전자빔 조사 위치를 일치시키도록 스테이지부(110)를 이동시키고, 컬럼부(120)로부터 전자빔을 해당 조사 위치에 조사시킨다.
전자빔 렌즈 장치(30)의 구성예에 대하여 추가로 설명한다. 도 2a는 본 실시 형태에 따른 전자빔 렌즈 장치(30)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 도 2b는 본 실시 형태에 따른 전자빔 렌즈 장치(30)의 구성예를 나타내는 단면도이다. 도 2b는, 도 2a에 나타내는 전자빔 렌즈 장치(30)를, 렌즈축 LA를 포함하며, XZ 면에 평행한 평면으로 절단한 단면도를 나타낸다. 이하, 도 2a의 사시도와 도 2b의 단면도를 구별하지 않고, 전자빔 렌즈 장치(30)의 구성예를 나타내는 경우는, 도 2라고 하기로 한다. 도 2는, 전자빔 렌즈 장치(30)가, 렌즈부(40)에 홈부(61), 유입부(62) 및 배출부(63)를 갖는 예를 설명한다. 또한, 전자빔 렌즈 장치(30)는, 유입측 유체조(槽)(64), 배출측 유체조(65) 및 온도 조정기(160)를 갖는 예를 설명한다.
도 2에 있어서, 일점쇄선으로 나타내는 관통공의 중심축은, 렌즈축 LA에 상당한다. 전자빔 EB는, 렌즈축 LA를 따라 관통공을 통과한다. 장벽부(41)는, 렌즈축 LA를 중심축으로 하는 원통 형상을 갖는다. 장벽부(41)는, 진공 상태로 유지되어, 전자빔 EB를 통과시키는 원통의 내측 부분, 즉 관통공 부분과, 대기(大氣) 중에 있는 원통의 외측 부분을 가르는 장벽이다.
여자부(42)는, 예를 들어, 렌즈축 LA의 주위에 전류를 흘림으로써 자장을 발생시키는 코일이다. 여자부(42)는, 장기간에 걸쳐 자장을 계속 발생하는 영구 자석이어도 된다. 또한, 여자부(42)는, 코일과 영구 자석을 조합하여, 영구 자석의 자장을 코일이 발생하는 자장으로 조정하는 것이면 된다.
자성체부(43)는, 렌즈축 LA를 중심축으로 하여, 장벽부(41)보다 외측이면서 여자부(42)보다 내측에 있는 원통 형상 부분 및 여자부(42)보다 외측이면서 지지부(50)보다 내측에 있는 원통 형상 부분, 그리고, 이들 원통 형상 부분을 여자부(42)의 +Z 측 및 여자부(42)의 -Z 측에 있어서 접속시키는 부분을 포함한다.
즉, 자성체부(43)는, 여자부(42)를 에워싸도록 형성된다. 자성체부(43)는, 철, 철과 니켈의 합금, 또는 철과 코발트의 합금 등 투자율이 크고, 포화 자속 밀도가 높은 자성 재료로 제작되어도 된다. 자성체부(43)는, 렌즈축 LA에 가까운 측에서 폭 d1의 내경, 렌즈축 LA로부터 먼 측에서 폭 d2의 외경을 갖는다(도 2b 참조).
자성체부(43)는, 렌즈축 LA에 가까운 측에 갭부(44)를 갖는다. 갭부(44)는, 자성체부(43)의 일부에 마련된, 렌즈축 LA에 대하여 축대칭인 간극이다. 여자부(42)를 여자하면, 갭부(44)를 사이에 두고 대향한 자성체부(43)의 양단은, N극 및 S극으로 분극되어, 갭부(44) 근방에 국소적인 자장을 발생한다. 이 국소적인 자장은, 렌즈축 LA에 대하여 대칭으로 분포한다.
즉, 렌즈축 LA 상에서는, 렌즈부(40)가 발생시키는 자장의 방향은 렌즈축 LA의 연신 방향을 향한다. 렌즈축 LA 상의 자장의 강도는, 갭부(44)의 근방에서 극대값을 취하고, Z축 방향으로 갭부(44)로부터 멀어짐에 따라 급격히 그 강도가 저하된다. 이러한 분포를 갖는 국소적인 자장은, 렌즈축 LA를 따라 통과하는 전자빔 EB에 대하여, 볼록 렌즈에 상당하는 렌즈 작용을 미친다.
지지부(50)는, 렌즈부(40)의 외주를 에워싸고, 렌즈부(40)를 위치 맞춤하여 지지한다. 렌즈부(40)의 외주 부분의 일부는, 지지부(50)와 접하고, 지지부(50)의 내주 부분의 일부는, 렌즈부(40)와 접한다.
여기서, 렌즈부(40)에 있어서의 지지부(50)와 접하는 외주 부분 및 지지부(50)에 있어서의 렌즈부(40)와 접하는 내주 부분 중 적어도 일방에, 렌즈부(40)의 외주를 따라 냉각용 유체를 흘리기 위한 홈부(61)를 형성한다. 도 2는, 렌즈부(40)에 있어서의 지지부(50)와 접하는 외주 부분에, 렌즈부(40)의 외주를 따라, 냉각용 유체를 흘리기 위한 나선 형상의 홈부(61)가 형성된 예를 나타낸다.
홈부(61)를 형성하는 렌즈부(40)의 외주 부분은, 관통공의 연신 방향인 렌즈축 LA의 방향과 평행하여도 되고, 관통공의 중심축으로부터 대략 동등한 거리에 있어도 된다. 홈부(61)는, 렌즈부(40)의 외주를 따라, 외주에 권취되도록 나선 형상으로 형성되어 있으며, 관통공의 중심축에 대하여 축대칭으로 형성되어도 된다. 렌즈부(40)의 외주방향에 있어서, 홈부(61)는, 지지부(50)의 내주 부분이 덮개 형상으로 덮이므로, 홈부(61) 및 지지부(50)의 조합은, 냉각용 유체를 흘리는 유로가 형성된다.
이에 따라, 전자빔 렌즈 장치(30)는, 렌즈부(40) 및 지지부(50)에 대하여 새로운 부재를 추가하지 않고, 방열 수단으로서, 냉각용 유체를 흘리는 유로를 형성할 수 있다. 새로운 부재를 추가하지 않으므로, 렌즈부(40)의 내경 d1 및 외경 d2의 크기는, 전자빔 렌즈의 방열 수단이 없는 경우와 대략 동일한 값으로 할 수 있다. 즉, 렌즈부(40)의 외경 d2가 예를 들어 30mm 이내라는 제한 조건을 기초로 하여도, 전자빔 렌즈 장치(30)에 냉각용 유체를 흘리는 유로를 설치할 수 있다.
유입부(62)는, 홈부(61)의 일단과 접속된다. 또한, 배출부(63)는, 홈부(61)의 타단과 접속된다. 홈부(61)는, 유입부(62)로부터 유입하는 냉각용 유체를, 배출부(63)으로부터 배출한다. 유입부(62)는, 전자빔 렌즈 장치(30)의 전자빔 EB가 출사하는 측에 설치되어도 된다. 배출부(63)는, 전자빔 렌즈 장치(30)의 전자빔 EB가 입사하는 측에 설치되어도 된다.
유입측 유체조(64)는, 유입부(62)에 접속되어, 유입부(62)에 냉각용 유체를 공급한다. 배출측 유체조(65)는, 배출부(63)에 접속되어, 배출부(63)로부터 홈부(61)를 통과한 냉각용 유체를 배출한다. 온도 조정기(160)는, 냉각용 유체의 온도를 조절한다. 온도 조정기(160)는, 전자빔 렌즈 장치(30)의 외부에 마련되어, 유입측 유체조(64) 및 배출측 유체조(65)와 접속되어도 된다. 온도 조정기(160)는, 냉각용 유체를, 유입측 유체조(64)로부터 배출측 유체조(65)에 순환시켜도 된다.
온도 조정기(160)는, 일례로서, 냉각용 유체를, 유입측 유체조(64) 및 유입부(62)를 경유하여 홈부(61)에 보낸다. 홈부(61)를 통과하는 중에 렌즈부(40)와 열적으로 접촉함에 따라 온도가 상승된 냉각용 유체는, 배출부(63) 및 배출측 유체조(65)를 경유하여 온도 조정기(160)에 복귀한다. 온도 조정기(160)는, 온도가 상승된 냉각용 유체를 냉각하여, 온도 조정한다.
온도 조정기(160)는, 온도 조정된 냉각용 유체를 공급한다. 온도 조정된 냉각용 유체는, 빔 출사 측에 설치된 유입부(62)로부터, 빔 출사 측의 홈부(61)에 유입하고, 렌즈부(40)의 빔 출사측을 냉각한다. 전자빔 렌즈가 대물 렌즈인 경우, 온도 조정된 냉각용 유체는, 시료(10)에 면한 출사 측의 렌즈 부재의 온도를 입사 측에 비해 빠르게 제어할 수 있다. 이에 따라, 전자빔 렌즈 장치(30)는, 렌즈부(40)로부터 시료(10)로의 열의 복사를 억제하여, 시료(10)의 열 팽창을 억제할 수 있다.
다음으로, 전자빔 렌즈 장치(30)의 변형예를 설명한다. 전자빔 렌즈 장치(30)는, 전자빔을 통과시키는 관통공의 주위에 형성되어, 전자빔을 수속 또는 확산시키는 렌즈부(40)와, 렌즈부(40)의 외주를 에워싸는 지지부(50)를 구비한다. 본 실시 형태에 따른 변형예는, 장벽부(41), 여자부(42) 및 자성체부(43)를 갖는 렌즈부(40)가, 전자빔 렌즈가 발생하는 열을 방열하는 수단을 구비하는 예를 설명한다.
도 3은 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 제1 변형예를 나타내는 사시도이다. 도 4는 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 제2 변형예를 나타내는 사시도이다. 도 5는 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 제3 변형예를 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 6은 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 제4 변형예를 나타내는 사시도이다. 도 3 내지 도 6에 있어서, 도 2에 기재된 부재와 실질적으로 동일한 기능을 갖는 부재에는 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다. 도 3 내지 도 6에 있어서, 렌즈부(40)는, 렌즈축 LA를 중심축으로 하는 관통공의 주위에 형성되는 제1 부재(71)와, 제1 부재(71)의 외주를 에워싸는 제2 부재를 갖는다.
도 3 내지 도 6에 나타내는 렌즈부(40)의 변형예는, 제1 부재(71)에 있어서의 제2 부재(72)와 접하는 외주 부분 및 제2 부재(72)에 있어서의 제1 부재(71)와 접하는 내주 부분 중 적어도 일방은, 제1 부재(71)의 외주를 따라 냉각용 유체를 흘리기 위한 홈부(61)를 갖는다. 제1 부재(71)의 외주 부분 및 제2 부재(72)의 내주 부분은, 관통공의 연신 방향과 평행한 면의 적어도 일부이어도 된다. 홈부(61)는, 관통공의 중심축을 통과하는 면에 대하여 대칭으로 형성되어도 된다.
도 3에 나타내는 렌즈부(40)의 제1 변형예는, 제1 부재(71)에 있어서의 제2 부재(72)와 접하는 외주 부분에, 제1 부재(71)의 외주를 따라, 냉각용 유체를 흘리는 나선 형상의 홈부(61)를 갖는 예를 나타낸다. 도 3에 나타내는 점선의 화살표는, 냉각용 유체가 흐르는 방향을 나타낸다. 냉각용 유체는, 렌즈부(40)의 전자빔 EB의 출사측에 마련된 유입부(62)로부터 유입하고, 나선 형상의 홈부(61)를 따라, 전자빔 EB의 출사측에서부터 입사측으로 흐른다. 냉각용 유체는, 나선 형상의 홈부(61)를 통과하는 중에 렌즈부(40)의 열을 받아, 온도가 상승한다. 냉각용 유체는, 전자빔 EB의 입사측에 마련된 배출부(63)로부터 배출된다.
한편, 냉각용 유체는, 렌즈부(40)의 전자빔 EB의 출사측에 마련된 유입측 유체조(64)로부터 유입부(62)에 유입하고, 배출부(63)로부터 렌즈부(40)의 전자빔 EB의 입사측에 마련된 배출측 유체조(65)에 배출되어도 된다. 이 경우, 냉각용 유체는, 렌즈부(40)의 외부에 마련된 온도 조정기(160)에 도달하여, 렌즈부(40)로부터 받은 열을 방열한다. 여기서, 유입측 유체조(64), 배출측 유체조(65) 및 온도 조정기(160)는, 도 2a에서 나타내었으므로, 도 3에 있어서는 기재를 생략하였다.
도 3에 있어서, 제1 부재(71)는, 냉각용 유체를 흘리는 이어진 나선 형상의 홈부(61)를 1개 가지는 예를 나타내었으나, 이를 대신하여, 제1 부재(71)는, 복수의 나선 형상의 홈부(61)를 가져도 된다. 이 경우, 렌즈부(40)는, 복수의 나선 형상의 홈부(61)에 대응하여, 복수의 유입부(62) 및 복수의 배출부(63)를 가져도 된다.
도 4에 나타내는 렌즈부(40)의 제2 변형예는, 제2 부재(72)에 있어서의 제1 부재(71)와 접하는 내주 부분에, 제2 부재(72)의 내주를 따라, 냉각용 유체를 흘리는 나선 형상의 홈부(61)를 갖는 예를 나타낸다. 도 4에 나타내는 점선의 화살표는, 냉각용 유체가 흐르는 방향을 나타낸다. 냉각용 유체는, 렌즈부(40)의 전자빔 EB의 출사측에 마련된 유입부(62)로부터 유입하고, 나선상의 홈부(61)를 따라, 전자빔 EB의 출사측에서부터 입사측으로 흐른다. 냉각용 유체는, 나선 형상의 홈부(61)를 통과하는 중에 렌즈부(40)의 열을 받아, 온도가 상승한다. 냉각용 유체는, 전자빔 EB의 입사측에 마련된 배출부(63)로부터 배출된다. 냉각용 유체는, 도 3에서 설명한 예와 마찬가지로, 렌즈부(40)의 외부에 설치된 온도 조정기(160)에 도달하여, 렌즈부(40)로부터 받은 열을 방열한다. 또한, 도 4의 예에 있어서도, 제2 부재(72)는, 복수의 나선 형상의 홈부(61)를 가져도 된다.
도 3 및 도 4에 나타내는 렌즈부(40)의 예에서는, 1개 또는 복수 개의 이어진 나선 형상의 홈부(61)가, 제1 부재(71)의 외주 부분 또는 제2 부재(72)의 내주 부분을 덮는다. 유입부(62) 및 배출부(63)는, 이어진 나선 형상의 홈부(61)의 양단에, 각각 대응하여 마련되어도 되고, 이 경우, 렌즈부(40)는, 1개 또는 복수의 유입부(62) 및 배출부(63)를 갖는다. 한편, 예를 들어 5개 미만의 적은 수의 유입부(62) 및 배출부(63)가 렌즈부(40)에 마련되는 경우, 해당 유입부(62) 및 배출부(63)는, 유입측 유체조(64) 및 배출측 유체조(65)를 경유하지 않고 직접 온도 조정기(160)와 접속하여도 된다.
도 5에 나타내는 렌즈부(40)의 제3 변형예는, 제1 부재(71)에 있어서의 제2 부재(72)와 접하는 외주 부분에, 제1 부재(71)의 외주를 따라, 냉각용 유체를 흘리기 위한 복수의 직선 형상의 홈부(61)를 갖는 예를 나타낸다. 도 5에 나타내는 점선의 화살표는, 냉각용 유체가 흐르는 방향을 나타낸다. 냉각용 유체는, 렌즈부(40)의 전자빔 EB의 출사측에 설치한 복수의 유입부(62)로부터 병렬로, 유입부(62) 각각과 대응하는 홈부(61)에 유입하고, 복수의 홈부(61)를 따라, 전자빔 EB의 출사측에서부터 입사측으로 흐른다. 냉각용 유체는, 직선 형상의 홈부(61)를 통과하는 중에 렌즈부(40)의 열을 받아, 온도가 상승한다. 냉각용 유체는, 전자빔 EB의 입사측에 마련된 복수의 배출부(63)로부터 각각 배출된다. 냉각용 유체는, 도 3에서 설명한 예와 마찬가지로, 렌즈부(40)의 외부에 설치된 온도 조정기(160)에 도달하여, 렌즈부(40)로부터 받은 열을 방열한다.
도 6에 나타내는 렌즈부(40)의 제4 변형예는, 제1 부재(71)에 있어서의 제2 부재(72)와 접하는 외주 부분에, 제1 부재(71)의 외주를 따라, 냉각용 유체를 흘리기 위한, 복수의 접힌 경로를 갖는 직선 형상의 홈부(61)를 갖는 예를 나타낸다. 도 6에 나타내는 점선의 화살표는, 냉각용 유체가 흐르는 방향을 나타낸다. 냉각용 유체는, 렌즈부(40)의 전자빔 EB 출사측에 설치한 복수의 유입부(62)로부터 병렬로, 유입부(62) 각각과 대응하는 홈부(61)에 유입하고, 복수의 홈부(61)를 따라, 전자빔 EB 출사측에서부터 입사측으로 흐른다. 냉각용 유체는, 접힌 경로를 갖는 직선 형상의 홈부(61)를 통과하는 중에 렌즈부(40)의 열을 받아, 온도가 상승한다. 냉각용 유체는, 전자빔 EB의 입사측에 마련된 복수의 배출부(63)로부터 각각 배출된다. 냉각용 유체는, 도 3에서 설명한 예와 마찬가지로, 렌즈부(40)의 외부에 설치된 온도 조정기(160)에 도달하여, 렌즈부(40)로부터 받은 열을 방열한다.
도 5 및 도 6에 나타내는 예에서는, 렌즈부(40)는, 복수의 홈부(61)와, 복수의 홈부(61) 각각에 대응하는 복수의 유입부(62) 및 복수의 배출부(63)를 구비한다. 복수의 유입부(62) 각각은, 하나의 유입측 유체조(64)와 접속되어도 된다. 복수의 배출부(63) 각각은, 하나의 배출측 유체조(65)와 접속되어도 된다. 유입측 유체조(64)는, 온도 조정기(160)로부터 보내져 온 냉각용 유체를 유지하여, 복수의 유입부(62)에, 냉각용 유체를 병렬로 공급한다. 또한, 배출측 유체조(65)는, 복수의 배출부(63)가 병렬로 배출한 냉각용 유체를 유지하여, 온도 조정기(160)에 복귀시킨다.
도 3, 도 4, 도 5 및 도 6에서 나타낸 렌즈부(40)의 변형예에 있어서, 제1 부재(71)는 렌즈부(40)를 관통하는 관통공의 주위에 형성된 부재이고, 제2 부재(72)는 제1 부재(71)의 외주를 에워싸는 부재이다. 제1 부재(71) 및 제2 부재(72)는, 렌즈부(40)를 구성하는 장벽부(41), 여자부(42) 및 자성체부(43) 중, 적어도 1개를 형성한다.
예를 들어, 제1 부재(71)는 장벽부(41)의 일부이어도 되고, 제2 부재(72)는 자성체부(43)의 일부 또는 전부이다. 또한, 제1 부재(71)는, 자성체부(43)의 일부 또는 전부이어도 되고, 이 경우, 제2 부재(72)는, 여자부(42)의 일부 또는 전부이어도 된다. 또한, 제1 부재(71)는, 여자부(42)의 일부 또는 전부이어도 되고, 이 경우, 제2 부재(72)는, 자성체부(43)의 일부 또는 전부이어도 된다.
이들에 대신하여, 장벽부(41), 여자부(42), 또는 자성체부(43) 중 적어도 1개가 분할되고, 분할된 일방 및 타방을, 제1 부재(71) 및 제2 부재(72)로 하여도 된다. 이 경우, 분할된 일방 및 타방 중, 렌즈축 LA에 가까운 내측의 원통 부분 및 렌즈축 LA로부터 먼 외측의 원통 부분을, 각각, 제1 부재(71) 및 제2 부재(72)에 대응시켜도 된다.
도 3, 도 4, 도 5 및 도 6에서 나타낸 렌즈부(40)의 변형예에 있어서, 홈부(61)는, 제1 부재(71)에 있어서의 제2 부재(72)와 접하는 외주 부분 및 제2 부재(72)에 있어서의 제1 부재(71)와 접하는 내주 부분 중 적어도 일방에 형성되고, 타방의 부분에 의해 덮개 형상으로 덮인다. 홈부(61) 및 홈부(61)를 덮는 제1 부재(71)의 외주 부분 또는 제2 부재(72)의 내주 부분의 조합은, 냉각용 유체를 흘리는 유로를 형성한다.
이에 따라, 전자빔 렌즈 장치(30)는, 렌즈부(40)에 대하여 새로운 부재를 추가하는 일 없이, 냉각용 유체를 흘리는 유로를 형성할 수 있고, 해당 렌즈부(40)의 열을 방열할 수 있다. 이와 같이, 전자빔 렌즈 장치(30)는, 새로운 부재를 추가하지 않으므로, 렌즈부(40)의 내경 d1 및 외경 d2의 크기는, 냉각용 유체를 흘리는 유로가 없는 경우의 크기와 대략 동일한 값으로 할 수 있다. 즉, 예를 들어, 렌즈부(40)의 외경 d2가 대략 30mm 이내에서 설계된 전자빔 렌즈에 대하여, 외경 d2의 크기를 변경하지 않고, 냉각용 유체를 흘리는 유로를 추가로 마련한 렌즈부(40)를 제공할 수 있다.
본 실시 형태에 따른 전자빔 렌즈 장치(30)의 방열 수단과, 도 11a, 도 11b 및 도 11c에 기재한 전자빔 렌즈의 방열 수단을 비교한다. 본 실시 형태에 따른 방열 수단은, 동일한 유량의 냉각용 유체를 흘린 경우에, 도 11a에 나타내는 수단에 비해 방열 능력이 높다. 도 11a에 나타내는 수단은, 냉각용 유체가, 관(81)을 통해 렌즈 구성 부재와 간접적으로 접촉하는 것에 반해, 본 실시 형태에 따른 방열 수단은, 냉각용 유체가, 전자빔 렌즈 장치(30)의 구성 부재에 형성된 홈부(61)를 흐름으로써, 전자빔 렌즈 장치(30)의 구성 부재와 직접 접촉하기 때문이다.
도 11a의 관(81)을 자성체부(43)의 외주에 마련한 경우와, 대략 동일 형상의 렌즈부(40)에 본 실시 형태의 홈부(61)를 자성체부(43)의 외주 부분에 마련한 경우 각각에 대하여, 방열 능력을 조사하였다. 렌즈부(40)의 발열을 100W로 각각 설정하고, 동일한 유량의 냉각용 유체로 방열하는 경우의 전자빔 렌즈 장치(30)의 소정 위치의 온도를 비교하였다. 도 11a의 수단에서는, 전자빔 렌즈 장치(30)의 소정 위치의 온도가 70℃ 이상으로 상승한 것에 반해, 본 실시 형태의 방열 수단에서는, 동일한 위치의 온도는 50℃ 이하로 억제하는 것이 가능하였다.
본 실시 형태에 따른 전자빔 렌즈 장치(30)의 방열 수단과, 도 11b에 나타내는 방열 수단을 비교한다. 도 11b의 냉각용 유체는, 자성체부(43)를 관통하는 직선 형상의 관통공(82)을 흐른다. 본 실시 형태의 냉각용 유체는, 예를 들어, 자성체부(43)의 외주 부분에 마련한 홈부(61)를 따라 흐른다. 홈부(61)의 형상은, 홈부(61)의 길이 방향(냉각용 유체가 흐르는 방향) 및 단면 방향(냉각용 유체가 흐르는 방향과 직교하는 방향) 모두, 여러 가지 형상으로 형성할 수 있다.
도 11b의 직선 형상의 관통공(82)의 경우에 비해, 본 실시 형태의 방열 수단은, 냉각용 유체가 홈부(61)를 순환하는 동안, 냉각용 유체와 렌즈 구성 부재 사이의 접촉면적을 크게 할 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 따른 방열 수단은, 도 11b의 수단에 비해, 높은 방열 능력을 실현할 수 있다.
본 실시 형태에 따른 전자빔 렌즈 장치(30)의 방열 수단과, 도 11c에 나타내는 방열 수단을 비교한다. 도 11c의 여자부(42)는, 용기(83) 내부의 냉각용 유체에 침지되어 있다. 한편, 본 실시 형태의 여자부(42)는, 냉각용 유체와는 완전히 분리될 수 있다. 본 실시 형태의 냉각용 유체는, 여자부(42)와는 직접 접촉하지 않고, 렌즈 내를 순환한다. 본 실시 형태에 따른 방열 수단은, 냉각용 유체를 순환시키면서, 여자부(42)에 안정적으로 전류를 흘리는 것이 가능하다. 즉, 본 실시 형태에 따른 전자빔 렌즈 장치(30)는, 외경 등의 크기의 변경 없이, 냉각용 유체를 흘리는 유로를 형성하여, 방열 능력을 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태에 따른 홈부(61)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 홈부(61)는, 전자빔 렌즈 장치(30)를 조립하기 전에, 렌즈 구성 부재의 내주 부분 또는 외주 부분의 표면을 미리 가공함으로써 마련되어도 된다. 홈부(61)는, 일례로서, 해당 부재의 표면을 절삭함으로써 마련된다. 이 경우, 홈부(61)는, 해당 홈부(61)의 길이방향(냉각용 유체가 흐르는 방향) 및 단면방향(냉각용 유체가 흐르는 방향과 직교하는 방향)의 형상이, 소정의 형상이 되도록, 절삭 공구를 해당 부재에 대하여 상대적으로 이동하여 절삭함으로써 마련되어도 된다.
이를 대신하여, 홈부(61)는, 전자빔 렌즈 장치(30)의 구성 부재와 함께 마련되어도 된다. 예를 들어, 3D 프린터 등에 의해, 재료를 적층하여 해당 구성 부재를 제작하는 경우, 홈부(61)가 되어야 할 부분에는 재료를 적층하지 않고 제작함으로써, 소정의 홈부(61)를 갖는 구성 부재를 형성할 수 있다.
본 실시 형태에 따른 냉각용 유체의 순환에 대하여 다음에 설명한다. 냉각용 유체는, 미량의 방청 성분을 혼입한 냉각수이어도 된다. 여기서는, 물을 주성분으로 하는 냉각수를 냉각용 유체로 하여, 도 2에 나타내는 나선 형상의 홈부(61)에 흘리는 경우에 대하여 설명한다.
냉각수의 유량을 U로 하고, 홈부(61)가 형성되는 냉각수 유로의 관 직경을 D로 한 경우에, 냉각수의 흐름이 층류가 되는 조건을 검토한다. 여기서, 냉각수의 흐름이 층류가 되는 조건은, 냉각수의 흐름에 의해, 전자빔 렌즈가 진동하는 것을 방지하는 조건이라 생각된다. 한편, 냉각수 유로의 관 직경 D는, 유로와 동일한 단면적을 갖는 원형 관을 고려한 경우의, 해당 원형 관의 직경으로 하였다.
냉각수의 유속 V는, 냉각수의 유량 U와 관 직경 D로부터, 이하의 수학식 1에 의해 계산된다. 여기서, 냉각수의 밀도 ρ는 1g/cm3, 점도 μ는 1mPa·s(밀리파스칼·초)이다. 이 경우, 홈부(61)의 냉각수 유로를 흐르는 냉각수의 레이놀즈 수 Re는, 이하의 수학식 2에 의해 계산된다.
[수학식 1]
V=4×U/(πD2)
[수학식 2]
Re=V×D/(μ/ρ)
레이놀즈 수 Re가, 예를 들어 2000 이하의 값인 경우에, 냉각수의 흐름은 층류가 된다. 렌즈 구성 부재의 크기의 조건 및 레이놀즈 수 Re가 2000 이하인 조건으로부터, 냉각수의 유량 U와 홈부(61)의 단면적 또는 관 직경 D와의 관계를 추측한다.
렌즈부(40)의 외주 부분에 홈부(61)를 형성하는 경우에 있어서, 유량 U가 1mL/s 내지 2mL/s(초당 밀리리터)의 냉각수를 층류로 흘리기 위해서는, 홈부(61)의 단면적은 0.5mm2 이상 1mm2 이하이고, 유입부(62)측과 배출부(63)측 사이에 적어도 2개의 병렬된 홈부(61)가 마련되는 것이 바람직하다. 렌즈부(40)의 외경을 22mm 이상 30mm 이하로 한 경우, 홈부(61)를 형성하는 렌즈부(40)의 외주 부분의 크기로부터, 형성할 수 있는 홈부(61)의 길이 L은 0.7m 이상 1.5m 이하이다.
도 7은, 이러한 홈부(61)로 이루어진 냉각수 유로에 있어서, 냉각수의 유량 U와, 홈부(61)의 양단의 압력차 P 및 배수 온도 To의 관계를 시뮬레이션한 결과의 일례를 나타낸다. 도 7의 가로축은, 2개의 병렬된 홈부(61)에 흐르는 냉각수의 총 유량 U를 나타낸다. 냉각수의 총 유량 U는 1mL/s ~ 2mL/s의 범위의 값이다.
그래프 (a)는, 유입부(62)측과 배출부(63)측 사이에 나타나는 냉각수의 압력차 P를 나타낸다. 도 7의 좌측의 세로축은, 그래프 (a)와 대응하는 압력차의 크기를 나타낸다. 그래프 (b)는, 배출부(63)로부터 배수되는 냉각수의 온도 To를 나타낸다. 온도 조정기(160)를 경유하여 20℃로 온도 조정된 냉각수가 홈부(61)에 유입하는 것으로 하였다. 도 7의 우측의 세로축이 그래프 (b)와 대응하는 배수 온도를 나타낸다.
압력차 P는, 냉각수의 흐름에 대한 마찰계수 λ로부터, 다음에 나타내는 (수학식 3)의 관계식으로 계산된다. 여기서, 냉각수의 흐름에 대한 마찰계수 λ는, 레이놀즈 수 Re로부터 (수학식 4)의 관계식으로 계산된다. 또한, 냉각수의 배수 온도 To는, 온도 20℃에서 유입부(62)로부터 유입하고, 전자빔 렌즈의 100W의 발열을 모두 방열하는 것으로 하여 계산된다.
[수학식 3]
P=λ×(L/d)×(1/2)×(ρ×V2)
[수학식 4]
λ=64/Re
도 7은, 일례로서, 홈부(61)로 이루어진 냉각수 유로의 양단의 15×103Pa 정도의 압력차 P에 저항하여, 유량 1.5mL/s의 냉각수를 홈부(61)에 흘리면, 전자빔 렌즈의 100W의 발열을, 배수 온도 To가 40℃ 이하가 되는 조건으로 방열할 수 있음을 나타낸다. 도 7은, 도면에 나타내는 범위의 냉각수 유량 U와 압력차 P를 설정함으로써, 전자빔 렌즈의 발열이 100W 이상인 경우이어도 방열 가능한 것을 나타내고 있다.
나아가, 도 7의 조건이 얻어지는 홈부(61)의 단면적은, 0.5mm2 이상 1mm2 이하이고, 홈부(61)의 깊이는 1mm 이하이다. 즉, 홈부(61)를 형성하는 렌즈부(40)의 외주 부분, 즉 도 2에서는 자성체부(43)의 외주 부분의 지름 방향 폭이, 예를 들어 3mm 이하여도, 방열 가능한 것을 나타내고 있다. 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 외주 부분은, 이러한 홈부(61)를 형성할 수 있으므로, 전자빔 렌즈 장치(30)는, 100W 이상의 발열에 대응할 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 실시 형태에 따른 전자빔 노광 장치(100)의 변형예를 나타낸다. 본 변형예의 전자빔 노광 장치(100)에 있어서, 도 1에 나타난 전자빔 노광 장치(100)와 대략 동일한 동작을 하는 부분에는, 동일한 부호를 부여하고, 설명을 생략한다. 도 8에 나타내는 전자빔 노광 장치(100)의 변형예는, 시료(10)를 재치하여 XY 평면 방향으로 이동시키는 1개의 스테이지부(110)와, XY 평면 내에 나열되는 복수의 원기둥형의 컬럼부(120)와, 스테이지부(110) 및 복수의 컬럼부(120)를 제어하는 노광 제어부(140)를 구비한다.
복수의 컬럼부(120) 각각은, 노광 제어부(140)에 접속되며, 각각의 컬럼부(120)가, 스테이지부(110)에 의해 움직일 수 있게 되는 시료(10)의 범위를 노광한다. 복수 개의 컬럼부(120)는, 병렬로 노광을 진행할 수 있으므로, 노광의 스루풋을 대폭 향상시킬 수 있다. 또한, 시료(10)가 300mm 이상인 대구경의 반도체 웨이퍼 등이더라도, 해당 반도체 웨이퍼에 대응하여 컬럼부(120)의 수를 증가시킴으로써, 스루풋이 현저하게 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 8에 나타내는 전자빔 노광 장치(100)의 변형예는, X 방향 및 Y 방향에 있어서, 미리 정해진 간격으로 컬럼부(120)가 마련되는 예를 나타낸다. 예를 들어, 복수의 컬럼부(120)는, X 방향 및 Y 방향 모두, 피치 30mm로 배치된다. 이 경우, 직경 300mm의 시료(10) 상에, 88개의 컬럼부(120)를 배열할 수 있다. 또한, 이 경우, 컬럼부(120)를 구성하는 각각의 렌즈부(40)의 외경 d2는, 30mm 이하가 된다. 또한, 예를 들어, 복수의 컬럼부(120)는, X 방향 및 Y 방향 모두, 피치 22mm로 배치된다. 이 경우, 컬럼부(120)를 구성하는 각각의 렌즈부(40)의 외경 d2는 22mm 이하가 된다. 이에 따라, 직경 300mm인 시료(10)의 웨이퍼 상에 157개의 컬럼부(120)를 나열할 수 있다.
도 9는 도 8의 전자빔 노광 장치(100)의 변형예와 대응하는 전자빔 렌즈의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 9는, 도 8에 나타내는 복수 개의 컬럼부(120)를 XY 평면에 평행한 평면 PQRS로 절단한 단면도의 일부를 나타낸다. 도 9는, 이상의 본 실시 형태에 따른 전자빔 렌즈 장치(30)의 구성 부재와 대략 동일한 기능을 갖는 부재에는, 동일한 부호를 부여하여, 설명을 생략한다. 도 9는, 복수의 컬럼부(120)가, X 방향 및 Y 방향 모두 피치 30mm로 배치된 예를 나타낸다. 또한, 도 9는, 렌즈부(40)의 외경 d2가 각각 30mm인 예를 나타낸다.
각각의 컬럼부(120)의 중심을 통과하여, XY 단면과 수직인 복수의 직선은, 복수의 컬럼부(120)를 구성하는 렌즈부(40)에 각각 대응하는 렌즈축 LA에 상당한다. 복수의 렌즈부(40)는, 렌즈축 LA를 중심으로 단면이 동심원 형상인 장벽부(41), 여자부(42) 및 자성체부(43)를 각각 갖는다.
또한, 하나의 컬럼부(120)가 갖는 렌즈부(40)와, 하나의 컬럼부(120)에 인접하는 컬럼부(120)가 갖는 렌즈부(40) 사이에는, 지지부(50)가 마련된다. 즉, 복수의 컬럼부(120)가 각각 가지는 렌즈부(40)는, 외주 부분의 일부에 있어서, 지지부(50)의 대응하는 부분과 접한다. 컬럼부(120)가 배열되는 피치가 대략 동일한 채로, 렌즈부(40)의 외경이 작아지면, 인접하는 컬럼부(120) 사이의 간극은 증가하고, 지지부(50)는, 증가한 간극의 영역에 대응하여 마련되어도 된다. 이에 따라, 지지부(50) 각각은, 인접하는 컬럼부(120) 사이의 XY 면내 방향의 간격을 규정한다.
이와 같이, 지지부(50) 및 렌즈부(40)는, 접해서 마련되므로, 렌즈부(40)에 있어서의 지지부(50)와 접하는 외주 부분 및 지지부(50)에 있어서의 렌즈부(40)와 접하는 부분 중 적어도 일방에, 렌즈부(40)의 외주를 따라 냉각용 유체를 흘리는 홈부(61)를 마련하여도 된다. 이러한 렌즈부(40)에 대하여 도 10을 이용하여 설명한다. 도 10은, 본 실시 형태에 따른 렌즈부(40)의 제5 변형예를 나타내는 사시도이다. 도 10은, 렌즈부(40)가, 지지부(50)와 접하는 외주 부분에, 냉각용 유체를 흘리는 홈부(61)를 갖는 예를 나타낸다.
도 10은 도시되어 있지 않은 지지부(50)의 측에서부터, 렌즈부(40)의 외주를 구성하는 자성체부(43)와 홈부(61)를 나타낸 사시도이다. 한편, 도 10은, 지지부(50)를 생략하고, 렌즈부(40)의 직경을 30mm 미만으로 하여, 홈부(61)의 배치를 확인할 수 있도록 한 도면이다. 도 10은, 지지부(50)와 접하는 자성체부(43)의 외주 부분에, 4개의 홈부(61)가, 각각의 자성체부(43)를 감싸고 대칭으로 배치된 예를 나타낸다. 렌즈부(40) 각각에 마련된 4개의 홈부(61)를 흐르는 냉각용 유체는, 렌즈부(40)가 각각 발생하는 열을 방열한다.
일례로서, 88개의 컬럼부(120)를 갖는 전자빔 노광 장치(100)의 컬럼부 전체가 발생하는 8.8KW(=100W×88) 이상의 열은, 복수의(88개의) 렌즈부(40)에 각각 마련된, 복수의 홈부(61)를 순환하는 냉각용 유체에 의해 방열된다. 예를 들어, 홈부(61)를 모두 순환하는 냉각용 유체의 총 유량은, 대략 530mL/s(=1.5mL/s×4×88)이다. 이는, 대략 32L/m(분당 리터)의 유량에 상당한다. 온도 조정기(160)는, 유입측과 배출측의 대략 15×103Pa의 압력차에 저항하여, 대략 40℃로 상승한 배수 온도 To를 20℃로 온도 조정하면서, 전체적으로 대략 32L/m의 냉각수를 순환시킨다.
이에 따라, 복수의 컬럼부(120)를 구비하는 전자빔 노광 장치(100)에 있어서도, 복수의 컬럼부(120)의 외경 등의 크기의 변경 없이, 냉각용 유체를 흘리는 유로를 형성하여, 방열 능력을 향상시킬 수 있다. 한편, 도 10에 있어서, 복수의 렌즈부(40)가, 지지부(50)와 접하는 자성체부(43)의 외주 부분에, 홈부(61)를 형성하는 예를 설명하였다. 이를 대신하여, 복수의 렌즈부(40)는, 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6에서 나타낸 바와 같이, 렌즈부(40)를 구성하는 제1 부재(71) 및 제2 부재(72) 중 적어도 일방에 형성되어도 된다.
이상, 본 발명을 실시의 형태를 이용하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시의 형태에 기재된 범위에는 한정되지 않는다. 상기 실시의 형태에, 다양한 변경 또는 개량을 가할 수 있음이 당업자에게 분명하다. 이러한 변경 또는 개량을 가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함될 수 있다는 것이, 특허청구범위의 기재로부터 분명하다.
특허청구의 범위, 명세서 및 도면 중에서 나타낸 장치, 시스템, 프로그램 및 방법에 있어서의 동작, 순서, 스텝 및 단계 등의 각 처리의 실행순서는 특별히 「보다 전에」, 「앞서」 등으로 명시하고 있지 않고, 또한, 전 처리의 출력을 후 처리에서 이용하는 것이 아닌 한, 임의의 순서로 실현 가능하다는 것에 유의해야 한다. 특허청구의 범위, 명세서 및 도면 중의 동작 플로우에 관해, 편의상 「우선, 」, 「다음으로, 」 등을 이용하여 설명하였더라도, 반드시 이 순서대로 실시해야만 한다는 것을 의미하는 것은 아니다.
10 시료
20 전자원
22 진공 용기
30 전자빔 렌즈 장치
40 렌즈부
41 장벽부
42 여자부
43 자성체부
44 갭부
50 지지부
61 홈부
62 유입부
63 배출부
64 유입측 유체조
65 배출측 유체조
71 제1 부재
72 제2 부재
81 관
82 관통공
83 용기
100 전자빔 노광 장치
110 스테이지부
112 진공 용기
120 컬럼부
140 노광 제어부
160 온도 조정기

Claims (14)

  1. 하전 입자 빔을 통과시키는 관통공의 주위에 형성되어, 상기 하전 입자 빔을 수속 또는 확산시키는 렌즈부; 및
    상기 렌즈부의 외주를 에워싸는 지지부
    를 구비하고,
    상기 렌즈부에 있어서의 상기 지지부와 접하는 외주 부분 및 상기 지지부에 있어서의 상기 렌즈부와 접하는 내주 부분 중 적어도 일방은, 상기 렌즈부의 외주를 따라 냉각용 유체를 흘리기 위한 홈부를 갖는,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  2. 하전 입자 빔을 통과시키는 관통공의 주위에 형성되어, 상기 하전 입자 빔을 수속 또는 확산시키는 렌즈부; 및
    상기 렌즈부의 외주를 에워싸는 지지부
    를 구비하고,
    상기 렌즈부는,
    상기 관통공의 주위에 형성되는 제1 부재; 및
    상기 제1 부재의 외주를 에워싸는 제2 부재
    를 가지며,
    상기 제1 부재에 있어서의 상기 제2 부재와 접하는 외주 부분 및 상기 제2 부재에 있어서의 상기 제1 부재와 접하는 내주 부분 중 적어도 일방은, 상기 제1 부재의 외주를 따라 냉각용 유체를 흘리기 위한 홈부를 갖는
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외주 부분 및 상기 내주 부분은, 상기 관통공의 연신 방향과 평행한 면의 적어도 일부인,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 홈부는, 상기 관통공의 중심축을 통과하는 면에 대하여 대칭으로 형성되는,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 홈부의 일단과 접속하는 유입부; 및
    상기 홈부의 타단과 접속하는 배출부
    를 구비하고,
    상기 홈부는, 상기 유입부로부터 유입하는 냉각용 유체를 상기 배출부로부터 배출하는,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유입부는, 상기 렌즈부의, 상기 하전 입자 빔이 출사하는 측에 형성되고,
    상기 배출부는, 상기 렌즈부의, 상기 하전 입자 빔이 입사하는 측에 형성되는,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 유입부에 접속되어, 상기 유입부로부터 냉각용 유체를 공급하는 유입측 유체조(槽); 및
    상기 배출부에 접속되어, 상기 배출부로부터 상기 홈부를 통과한 냉각용 유체를 배출하는 배출측 유체조
    를 구비하는,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    복수의 상기 홈부와, 복수의 상기 홈부의 각각에 대응하는 복수의 상기 유입부 및 복수의 상기 배출부를 구비하는,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈부는, 상기 관통공의 연신 방향과 평행한 중심축을 갖는 원기둥 형상으로 형성되어, 외경이 22mm 이상 30mm 이내인,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 홈부는, 물을 포함하는 냉각수를 상기 냉각용 유체로 하여 흘리는,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 홈부는, 단면적이 0.5mm2 이상 1mm2 이하이고, 길이가 0.7m 이상 1.5m 이하인,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 렌즈부는,
    상기 관통공을 형성하는 장벽부;
    상기 관통공의 연신 방향의 자장을 발생시키는 여자부; 및
    상기 여자부가 발생시킨 자장의 방향을 조절하는 자성체부
    를 가지며,
    상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는, 상기 장벽부, 상기 여자부 및 상기 자성체부 중 적어도 1개를 형성하는,
    하전 입자 빔 렌즈 장치.
  13. 하전 입자 빔을 방출하는 입자원; 및
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 하전 입자 빔 렌즈 장치
    를 갖는,
    하전 입자 빔 컬럼.
  14. 제13항에 기재된 하전 입자 빔 컬럼을 1개 또는 복수 개 구비하는 하전 입자 빔 노광 장치.
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