(57)【要約】永久磁石を用い、微細なパターンを効率的に描画する。Ｚ軸を中心軸とした円筒型強磁性体からなる外側円筒（２０１）と、前記外側円筒の内側に配置された、Ｚ軸方向に着磁された円筒型永久磁石（２０２）と、前記円筒型永久磁石の内側に、前記円筒型永久磁石と間隙をおいて配置され、前記円筒型永久磁石によるＺ軸方向の磁界強度を調整する補正用コイル（２０４）と、前記円筒型永久磁石と、前記補正用コイルとの間隙に配置され、内部に冷媒が流通されて、前記円筒型永久磁石の温度変化を抑制する冷媒流路（２０３）と、を有する。
2012057166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームをＺ軸方向に射出する電子銃を具備する電子ビーム装置において利用される電子レンズであって、
Ｚ軸を中心軸とした円筒型強磁性体からなる外側円筒と、
前記外側円筒の内側に配置された、Ｚ軸方向に着磁された円筒型永久磁石と、
前記円筒型永久磁石の内側または外側に、前記円筒型永久磁石と間隙をおいて配置され、前記円筒型永久磁石によるＺ軸方向の磁界強度を調整する補正用コイルと、
前記円筒型永久磁石と、前記補正用コイルとの間隙に配置され、内部に冷媒が流通されて、前記円筒型永久磁石の温度変化を抑制する冷媒流路と、
を有する電子レンズ。
【請求項２】
請求項１に記載の電子レンズであって、
前記円筒型永久磁石における電子ビーム射出側のＺ軸方向端面に、前記円筒型永久磁石による磁界を平均化する、薄い強磁性体リングを設置する電子レンズ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電子レンズであって、
前記円筒型永久磁石は、
Ｚ軸方向に並んで配置され、前記電子ビームの入射側に位置する第１円筒型永久磁石と電子ビームの射出側に位置する第２円筒型永久磁石を含み、
前記第１円筒型永久磁石と第２円筒型永久磁石は、互いに反対方向の磁界を発生するように着磁されており、前記第１円筒型永久磁石は第２円筒型永久磁石に比べ内径が大きく、前記第２円筒型永久磁石により発生される中心磁界に対し、第１円筒型永久磁石による中心磁界が重ねられる電子レンズ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電子レンズであって、
前記円筒型永久磁石の、前記電子ビームの入射側に配置される他の円筒型永久磁石をさらに含み、
前記他の円筒型永久磁石は、前記円筒型永久磁石側に発生する磁界が前記円筒型永久磁石により発生される磁界を強める磁界となるように径方向着磁されている電子レンズ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の電子レンズであって、
前記冷媒流路は、前記間隙に位置する円筒状の流路を有する電子レンズ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子レンズをＺ軸に略直交する平面上に複数個配列した複数の電子ビームを試料に向けて照射する電子ビーム装置。
【請求項７】
少なくとも１段の電子ビームを収束結像する円筒型半径方向薄肉磁界型の電子レンズであって、
Ｚ軸を中心軸とした外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体からなる強磁性体と、
前記外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体の内側に、長さが略２分の１以下の半径方向に着磁された円筒型半径方向薄肉永久磁石と、
前記円筒型半径方向薄肉永久磁石の内側に、少なくとも前記円筒型薄肉永久磁石とＺ方向の長さが同じかまたは長い、内周の円筒型半径方向薄肉強磁性体と、
を具備する電子レンズ。
【請求項８】
請求項７に記載の電子レンズであって、
内部に円筒状の非磁性空間を具備し、前記円筒状の非磁性空間の半径は前記外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体の外周の半径の略３分の１よりも大きな半径であることを特徴とする電子レンズ。
【請求項９】
請求項８に記載の電子レンズにおいて、
前記外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体の内側に、半径方向に着磁された前記円筒型半径方向薄肉永久磁石を挟むように設置された、前記円筒型半径方向薄肉永久磁石内径と略内径が等しい1対の電磁コイルを具備し、
前記１対の電磁コイルは前記薄肉永久磁石の強度を補正する逆向き磁界を発生することを特徴とする電子レンズ。
【請求項１０】
請求項９に記載の電子レンズにおいて、
前記外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体の上面または下面の一方、またはその両面に略外周半径の３分の１よりも大きな円形開口を具備する円板状の強磁性体を具備することを特徴とする電子レンズ。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれか１つに記載の電子レンズをＺ軸に略直交する平面上に複数個配列した複数の電子ビームを対象物に向けて照射する電子ビーム装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載する電子ビーム装置であって、
前記Ｚ軸方向とそれぞれに略直交するＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの方向に、Ｘ軸方向にはピッチ略ＰＸで等間隔に複数個配列し、Ｙ軸方向にはピッチ略ＰＹで等間隔に複数個配列した複数個の電子レンズ群を有し、
前記電子レンズ群に液体または気体冷媒を流して温度制御をおこなうことを特徴とする電子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体（ＬＳＩ）製造工程の回路パターンを描画するリソグラフィ分野で活用される電子ビーム描画技術における、電子レンズ、マルチコラム電子ビーム描画装置および電子ビーム検査装置などの電子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体リソグラフィ技術は従来、光による写真製版技術によって微細化、高集積化、コスト低減を果たしてきた。光の波長が短くなることで解像性が向上する原理から、光の波長は微細化の進展とともに短波長化が進み、ｇ線（波長４３６ｎｍ）からｉ線（波長３６５ｎｍ）と変遷し、現在は波長が１９３ｎｍのエキシマレーザー光が使われている。今後さらに短波長の１３．５ｎｍの極短紫外線（ＥＵＶ）を用いたリソグラフィ技術が精力的に開発されている。【０００３】
しかし、光による写真製版ではネガに相当するマスクが必ず必要になる。半導体の微細化の進展に伴ってマスク開発コストが増大の一途をたどり、１品種のＬＳＩ当り数億円にまでなって来ている。一方、電子ビーム描画装置はパターン発生機能を有する特徴からマスク開発に使われてきた。しかし、光リソグラフィ技術の進展により、光の波長以下の転写性を実現する超解像技術の導入や、高集積化に伴うマスクデータの肥大によって処理時間が増大し、マスク描画処理時間は、マスク１層当り数十時間を要するようになってきている。【０００４】
そこで、マスク描画処理時間の短縮を通じて、マスク価格の高騰を抑える目的や、高価なマスクを介さない電子ビーム描画装置による直接描画を実現する目的で、電子ビーム描画装置の単位時間当たりの処理能力向上を目指し、複数の電子ビームを用いるマルチビーム型の装置が提案され、処理能力を数十倍以上にすることが期待されている。【０００５】
電子ビームを複数発生させるには大きく分けて二つの方法がある。第一の方法は、電子銃を１つのみ使用し、前記電子銃から出る電子を多数の穴のあいた構造体（スプリッタ）を通して多数本の電子ビームに分割整形するタイプで、第二の方法は露光処理する電子ビーム毎に電子銃を持つ多電子銃タイプである。【０００６】
電子ビームを分割整形するタイプの描画方式では前記スプリッタの間隔がマイクロメートル単位であることから、個々の穴に入る電子ビーム強度の均一性制御や、分割した電子ビーム毎の軸調整や偏向位置きめが難しい事から、複数の電子ビームに対し一つの電子レンズ光学鏡筒（コラム）を使い、ＯＮ／ＯＦＦだけを個別に制御し描画パターンを得る方式が使われている。しかし、分割した個々のビームの強度を描画に必要な精度で調整することが困難で、高精度に描画できない欠点がある。【０００７】
また、１本のコラムの中のビームは、電子同士が同じ負電荷を持つことから電子の総量が大きいと電子同士がクーロン斥力で反発する現象から、ビームボケが顕著になるので、使用できる電子量をたとえば数マイクロアンペアに制限することが必要になる。この電子ビーム一本あたりの処理能力の限界を乗り越える技術としても、マルチ電子ビーム技術は注目されている。【０００８】
一方、多電子銃タイプでは一個の電子銃の大きさが１から２センチメートル単位である事から、電子光学鏡筒（コラムと呼ぶ）もそれぞれ独立して電子ビーム毎に複数個持つことから、マルチコラム方式と呼ばれ、単独のエレメント（要素）コラムを数十本束ねた構造のものである。【０００９】
前記マルチコラム方式ではビームの強度や放射角や電流密度など、描画精度を左右するパラメーターを個別に制御できるので描画精度を得やすく、コラムが独立して複数個あるために、クーロン斥力によるビームボケに対する電子ビームの総量を数マイクロアンペアで制限した場合にでも、全体で数十マイクロアンペア以上の電子ビームを使用して露光できるので、処理能力が飛躍的に向上しシリコンウェハを１時間あたり、数十枚露光できるようになる。【００１０】
従来の、単一のコラムを用いた電子ビーム描画装置では１時間当たり０．１から０．２枚の処理能力であった。そこで、コラムを複数個並列化した、マルチコラム方式として、１時間当たり１０枚から２０枚の処理能力の実現を図る場合には、３００ｍｍウェハ内部に略１００本程度のコラムを並べる必要がある。その場合にはコラムを長方形または正方形の格子座標に並べる必要がある。たとえば１つの升目が２５ｍｍの正方格子の場合３００ｍｍの円形中には１３２本または１２０本などのマルチコラムを並べることが必要となる。前記マルチコラムの必要本数は処理能力の要請からきている。【００１１】
略２５ｍｍピッチでコラムを並べるためには１本のコラムの太さは最大でも略２５ｍｍ以下でなくてはならない。このためには電子レンズが最大でも直径略２３ｍｍ以下でなくてはならないことを意味している。【００１２】
電子レンズには静電型と電磁型がある。静電レンズでは直径２３ｍｍ以下の電子レンズを作るのは容易である。また静電レンズは電位をすべてのレンズで一致させやすいのでマルチコラム化には適している。しかしながら静電レンズは電子ビーム描画装置を構成するには適していない。理由は電子ビーム描画装置では静電偏向器を多用する。なぜなら静電偏向器では高速に電子ビームを偏向できるからである。ほかの偏向の選択肢である電磁偏向器は、渦電流やインダクタンスの問題があって電子ビームを位置決めする偏向器の切り替えに時間がかかるので高速描画装置にはほとんど使用されない。【００１３】
高速の静電偏向器を多用する電子ビーム描画装置においては、静電偏向器と静電レンズの電界干渉が起こりやすく、レンズ電界の軸対称性が容易に崩れることが多い。そのためにレンズによる高精度のビーム形成が出来なくなる。これを避けるためには、ビーム軸方向に距離を十分に長く離す必要がある。以上の理由で静電偏向器と静電レンズの短距離の描画装置には静電レンズは使用できない。静電偏向器と静電レンズの距離を長くすると長いコラムになり、クーロン斥力によるビームボケが大きくなるので、電子ビーム総量の使用できる上限を小さく制限する必要がある。そのために電子ビーム描画装置の処理能力が小さくなる。したがってウェハ描画処理量の高速化を目指す電子ビーム描画装置では静電レンズを使用することができない。【００１４】
前項の結論から処理能力を高めるためには、電子レンズとして磁界レンズを使用することが必須になる。そして電子ビーム描画装置ではこれまですべて電磁石による磁界レンズが使用されてきた。しかしながらマルチコラム方式ではコラム数が数本から数十本以上になると、電磁石に流す電流によるジュール発熱が大きく、コラム全体では数百Ｗから数ＫＷ以上と電力が膨大なものとなるので、このようなマルチコラム方式自体が非現実的なものとなる。【００１５】
そこで電磁石の代わりに永久磁石を使用することが考えられる。しかし、ただ単に永久磁石を使用するだけでは、マルチコラムに適した電子レンズは構成できない。一般的に永久磁石は現在ではサマリウムコバルトやネオジムといった、希土類元素を用いた強い永久磁石が入手可能となっているが、それらの着磁は一様でないことが多く、均一な軸対称性の必要な電子レンズに使用することは容易ではなかった。従来の公知例ではたとえば特許文献１および図５に見るように、大きな外周のポールピースの内側に軸から離れた大きな半径のリング状永久磁石を用いる。強磁性体で製作したポールピースの電子レンズ磁極ギャップをビーム軸に十分近づけるものがほとんどであった。このようにすれば、強磁性体で永久磁石の不均一性が平均化されて、ポールピース付近には十分軸対称なレンズ磁界ができる。【００１６】
しかし、前記の形状の永久磁石を使用した電子レンズでは、マルチコラムに適したレンズを形成することはできない。マルチコラムに適したレンズとは少なくともレンズ内部の空間が大きく、ここに直径数ミリメートル以上の静電偏向器が設置できるようなものである必要がある。そして静電偏向場が収束磁界と重畳され得るようなものでなくてはならない。その理由はコラムの全長を短くし、クーロン効果によるビームボケを減少せしめ、収束偏向収差を低減させることができるための必要不可欠条件であるからである。【００１７】
また３００ミリメートルウェハ上に数十本以上並べるためには、レンズの直径が２３ミリメートル以下の外径でなくてはならない。前記の形状の永久磁石を使用した電子レンズでは到底外径を２３ｍｍ以下に出来るようには考えられない。【００１８】
従ってこれまでは、マルチコラムに適した磁界型の電磁レンズは実在しなかった。そのために高解像度かつ低消費電力の数十本以上のコラムを有するマルチコラム電子ビーム描画装置が実現できなかった。【００１９】
また電子ビーム描画装置では可変矩形ビームや、セルプロジェクション（以下ではＣＰと省略する。）を使用することが多い。前者は第一矩形アパーチャと第二矩形アパーチャの間の電子ビーム像を偏向することによって、矩形ビームの縦横の寸法を任意に変化するものである。後者はＬＳＩパターンに使用するパターンの小区画に含まれる部分パターンをＣＰパターンとしてシリコンマスクパターン上に穴あきマスクとして形成しておき、ＣＰマスク上の所定の領域の矩形部分を選択的にビーム照射し、穴あきマスクに従ったビーム成型を行って、部分一括転写をするものである。さらに１つのコラムの中に数百から数千本の個別のビームをビットマップによって、ＯＮまたはＯＦＦの状態をきめて描画する、マルチコラム・マルチビームシステムであっても良い。【００２０】
これらの技術を使用しないで単にガウシアンのスポットビームのみを使用する電子ビーム描画装置では、マルチコラムの電子ビーム描画装置を形成しても、十分大きな描画処理能力特性を有することができなかった。したがって、可変矩形ビームや、セルプロジェクション，マルチビームを使用しつつマルチコラムを形成することが、高速描画装置実現に不可欠となる。このような電子光学系を実現することがレンズの直径が２３ミリメートル以下の外径である磁界レンズで達成されることが必要であった。【００２１】
特許文献１には、永久磁石を使用した電子レンズの例（第５図）が示されている。この電子レンズでは低消費電力化は実現できる。しかしながらこの電子レンズでは、マルチコラム用に複数並べた場合には個数を多く並べることができず、高スループットのマルチビーム電子ビーム描画装置を構成することができなかった。また、温度安定性が得られず、個別のビームの焦点と照射位置安定性が得られなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００７−３１１１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
上記で示されたように、電子ビームマルチコラムにおいては静電偏向器との干渉の問題から、静電レンズは使用できない。磁界レンズは使用できるが、数十本以上のマルチコラムの全てのレンズを電磁コイルで構成すると、発熱量が膨大になって破綻する。【００２４】
永久磁石を用いて磁界レンズを製作することによりひとつのレンズの発熱量を抑制できることは古くから知られており、特許文献１にも永久磁石を用いた電子レンズの例（第５図）がしめされている。しかし強磁性材料を用いて永久磁石を包むように、外径が大きく、内径の小さなポールピースを用いて、ビーム軸付近に一方向の磁界を形成する方法では、３００ｍｍシリコンウェハを１０枚／時間以上の処理能力を得るための必要な本数である数十本並列化できるような太さ２３ｍｍ以下のレンズが形成できなかった。仮に外形が小さくできたとしてもレンズ磁界の中に静電偏向器が設置できるような大きなポールピース内部の非磁性空間が形成できなかった。【００２５】
また、永久磁石を用いて磁界レンズを製作する場合には、永久磁石自体は発熱しないが、磁界レンズとしての必要な強度に一致させるために、永久磁石の付近に強度調整用の補正用コイルを設置して電流を流す必要がある。この補正用のコイルは磁界強度で±５％以下である。これらのコイルによる発熱は容易に永久磁石の温度を変化させて、磁界強度を変化させる。このために磁界レンズの安定性が損なわれる。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、電子ビームをＺ軸方向に射出する電子銃を具備する電子ビーム装置において利用される電子レンズであって、Ｚ軸を中心軸とした円筒型強磁性体からなる外側円筒と、前記外側円筒の内側に配置された、Ｚ軸方向に着磁された円筒型の永久磁石と、前記永久磁石の内側または外側に、前記永久磁石と間隙をおいて配置され、前記永久磁石によるＺ軸方向の磁界強度を調整する補正用コイルと、前記永久磁石と、前記補正用コイルとの間隙に配置され、内部に冷媒が流通されて、永久磁石の温度変化を抑制する冷媒流路と、を有することを特徴とする。【００２７】
また、前記円筒型永久磁石における電子ビーム射出側のＺ軸方向端面に、前記円筒型永久磁石による磁界を平均化する、薄い強磁性体リングを設置することが好適である。【００２８】
また、前記円筒型永久磁石は、Ｚ軸方向に並んで配置され、前記電子ビームの入射側に位置する第１円筒型永久磁石と電子ビームの射出側に位置する第２円筒型永久磁石を含み、前記第１円筒型永久磁石と第２円筒型永久磁石は、互いに反対方向の磁界を発生するように着磁されており、前記第１円筒型永久磁石は第２円筒型永久磁石に比べ内径が大きく、前記第２円筒型永久磁石により発生される中心磁界に対し、第１円筒型永久磁石による中心磁界が重ねられることが好適である。【００２９】
また、前記冷媒流路は、前記間隙に位置する円筒状の流路を有するものであると好適である。【００３０】
また、本発明に係る電子ビーム装置は、前記電子レンズをＺ軸に略直交する平面上に複数個配列した複数の電子ビームを試料に向けて照射することが好適である。【００３１】
また、電子ビーム装置において、処理能力を上げることに対しては、少なくとも１段の電子ビームを収束結像する磁界による電子レンズが、前記電子ビームの進行方向を中心軸とした外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体からなる強磁性体を具備し、前記外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体の内側に、長さが略２分の１以下の半径方向に着磁された円筒型半径方向薄肉永久磁石を具備し、前記円筒型半径方向薄肉永久磁石の内側に、少なくとも前記円筒型薄肉永久磁石と長さが略同じ、内周の円筒型半径方向薄肉強磁性体を具備する円筒型半径方向薄肉磁界型電子レンズを前記電子ビームの進行方向に平行に複数個配置したことを特徴とする。【００３２】
電子レンズの主たる磁界発生手段として永久磁石を用い、所望の磁界レンズとしての必要な強度に正確に一致させるために、前記永久磁石の付近に強度調整用の補正用コイルを設置して電流を流し、ジュール発熱による温度変化と温度変化に伴う永久磁石の強度変化を低減する目的で、永久磁石を含む空間に液体を充填し環流させ、液体全体の温度を一定化させ、永久磁石の磁界強度を安定化させることが好適である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、軸方向に着磁した永久磁石を用いて、電子レンズを構成でき、また補正用コイルにより発生した熱の悪影響を抑制することができる。【００３４】
また、前記電子ビーム軸を中心軸とする前記半径方向に着磁された円筒型半径方向薄肉永久磁石による磁界は、電力をほとんど使用せずに、磁界型電子レンズを形成できるとともに、直径が２３ｍｍ以下の電子レンズを構成できるので３００ｍｍウェハを１時間あたり１０枚以上描画する高速の電子ビーム描画装置を製造できる。また磁界強度調整用のコイルによるジュール発熱を液体による温度安定化によって、永久磁石強度が安定化して、レンズ強度の安定な電子ビーム描画装置ができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の電子レンズの第一の実施形態を説明する図である。
【図２】本発明の電子レンズの第二の実施形態を説明する図である。
【図３】本発明の電子レンズの円筒の中心軸と垂直な面（図１Ａ−Ａ’面）での断面図である。
【図４】本発明の電子レンズを使用したマルチコラム電子ビーム描画装置の図である。
【図５】特許文献１の特開２００７−３１１１１７号公報に示された電子レンズの図である。
【図６】マルチコラムとウェハの説明図である。
【図７】電子ビーム描画装置の縦断面図である。
【図８】電子レンズをマルチコラムで使用した場合の断面図である。
【図９】本発明の電子レンズの第三の実施形態を説明する図である。
【図１０】電子レンズにおける磁界の状態を示す図である。
【図１１】冷媒通路の構成を説明する図である。
【図１２】本発明の電子レンズの第四の実施形態を説明する図である。
【図１３】本発明で使用しているスティグコイルの実施形態を説明する図である。
【図１４】本発明で使用しているスティグコイルによるビーム断面の補正の様子を説明する図である。
【図１５】本発明の電子レンズの第五の実施形態を説明する図である。
【図１６】本発明の電子レンズの第五の実施形態の変形例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明を実施する形態について図を参照しながら説明する。
【００３７】
「第一の実施形態」
本実施形態は、半導体（ＬＳＩ）製造工程の回路パターンを描画するリソグラフィ分野で活用される電子ビーム描画技術における処理能力を飛躍的に高める多数個の電子ビームを用いたマルチコラム電子ビーム装置において、微細径レンズ構造が可能で、低消費電力の、高精度描画を可能にする、永久磁石を用いた電子レンズ、これを用いたマルチコラム電子ビーム描画装置に関する。技術の中心となるレンズ技術は電子ビームを用いた電子ビーム検査装置に同様に使用でき、効果も同様に並列化による高速化が出来るのでマルチコラム電子ビーム検査装置にも適用できるが、詳細な説明は主に電子ビーム描画装置について行う。
【００３８】
図１は、本発明の電子レンズの第一の実施形態を説明する図である。電子レンズは、電子ビームをＺ方向に射出する電子銃を複数個具備する電子ビーム装置において少なくとも１段用いられる。少なくとも１段の電子ビームを収束結像する磁界による電子レンズは、前記Ｚ軸を中心軸とした外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体１０１からなる強磁性体を具備し、前記外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体の内側に、長さが略２分の１以下の半径方向に着磁された円筒型半径方向薄肉永久磁石１０２を具備し、前記円筒型半径方向薄肉永久磁石の内側に、少なくとも前記円筒型薄肉永久磁石とＺ方向の長さが同じかまたは長い、内周の円筒型半径方向薄肉強磁性体１０３を具備する円筒型半径方向薄肉磁界型電子レンズである。この円筒型半径方向薄肉電子レンズは、内部に円筒状の非磁性空間を具備し、前記円筒状の非磁性空間の半径は前記外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体の外周の半径の略３分の１よりも大きな半径である。
【００３９】
なお、Ｘ軸、Ｙ軸方向は、Ｚ軸と直交する方向であり、マルチコラムの場合には、電子レンズがＸ軸、Ｙ軸で規定される平面上に配置される。厳密にＸ，Ｙ平面ではなく、略Ｘ，Ｙ平面上でもよい。また、Ｘ軸と、Ｙ軸は直交し、どこをＸ軸、Ｙ軸としてもよいが、電子レンズがＸ，Ｙ方向に配列されているようにＸ，Ｙ軸を決定する。
【００４０】
前記Ｚ軸を中心軸とした外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体１０１からなる強磁性体は、電子レンズの外部への漏れ磁場を抑制するために用いる。半径方向に着磁された円筒型半径方向薄肉永久磁石１０２から円筒軸の中心方向に出て行く磁力線は、永久磁石１０２の着磁が均一ではない場合には軸対象磁界を形成できない場合がある。そこで前記円筒型半径方向薄肉永久磁石の内側に、少なくとも前記円筒型薄肉永久磁石とＺ方向の長さが同じかまたは長い、内周の円筒型半径方向薄肉強磁性体１０３を具備することによって、電子レンズの内部に軸対称な強度分布を有する磁力線１０４を形成することができる。
【００４１】
なお、円筒状の永久磁石１０２の上下には、上部の補正用電磁コイル１０７、下部の補正用電磁コイル１０８が配置されている。この上部の補正用電磁コイル１０７、下部の補正用電磁コイル１０８は互いに逆方向の電流を流し、永久磁石１０２によって生じる磁界をそれぞれ補正する。
【００４２】
「第二の実施形態」
図２は、本発明の電子レンズの第二の実施形態を説明する図である。この電子レンズは、円筒型半径方向薄肉磁界型電子レンズである。電子レンズは、外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体の内側に、半径方向に着磁された前記円筒型半径方向薄肉永久磁石を挟むように設置された、１対の前記円筒型半径方向薄肉永久磁石１１２と１２２と、前記円筒型半径方向薄肉永久磁石の内径と略内径が等しい１対の電磁コイル（補正用電磁コイル）１１４と１１５および１１６を具備前記各々の対の前記円筒型半径方向薄肉永久磁石および電磁コイルは逆向き磁界を発生する。電子ビーム描画装置または電子ビームを用いて基板の検査を行なう電子ビーム検査装置は、前記電子銃と前記円筒型半径方向薄肉磁界型電子レンズを、前記Ｚ軸に平行に複数個並んだ電子ビーム光学鏡筒を有する。
【００４３】
ここで、永久磁石１１２と１２２は、図示の通り互いに逆方向の磁界を発生する。また、永久磁石１１２，１２２の上部、中間部、下部に配置された３つの補正用電磁コイルである、上部の補正用電磁コイル１１４、中央部の補正用電磁コイル１１５、下部の補正用電磁コイル１１６は、永久磁石１１２，１２２により発生される磁界を補正するものである。上部の補正用電磁コイル１１４と、下部の補正用電磁コイル１１６は、ほぼ同じ強さで、発生する磁界の方向は等しく、中央部の補正用電磁コイル１１５は、上部の補正用電磁コイル１１４と、下部の補正用電磁コイル１１６の２倍の強さで、発生する磁界の方向は反対である。
【００４４】
図３は、図１で説明した本発明の電子レンズの第一の実施形態におけるＡ−Ａ’線の断面図である。電子レンズは、外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体１０１からなる強磁性体を具備し、前記外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体の内側に、長さが略２分の１以下の半径方向に着磁された円筒型半径方向薄肉永久磁石１０２を具備する。また、この電子レンズは、前記円筒型半径方向薄肉永久磁石の内側に、少なくとも前記円筒型薄肉永久磁石とＺ方向の長さが同じかまたは長い、内周の円筒型半径方向薄肉強磁性体１０３を具備する円筒型半径方向薄肉磁界型電子レンズである。
【００４５】
図４には本発明の電子銃を利用したマルチコラム電子ビーム描画装置の図を示す。マルチコラム電子ビーム描画装置はたとえば略１５ｍｍから略４０ｍｍ程度の太さの個別コラムエレメント３０１と呼ぶコラムを２次元的に１０本から２５０本以上という数で複数個並べた構造３０２をしている。そのために高速なＳｉ（シリコン）ウェハ３０３（たとえば３００ｍｍφ）の露光が可能となるものである。このマルチコラム構造は、半導体基板の検査を行う電子ビーム検査装置にも適用できる。
【００４６】
個別コラムエレメント３０１は以下の部品から構成される。電子銃陰極部３０４から発射された電子ビームは第１の矩形のアパーチャ３０５で矩形に整形され、前段のレンズ光学系３０６で第２の矩形アパーチャまたはＣＰ（キャラクタプロジェクション）マスク３０８上に結像される。矩形アパーチャまたはＣＰマスク上での位置はビーム偏向器によって、意図したサイズまたは形状のビームに再整形される。可変矩形ビームの場合には２つの矩形アパーチャによって任意のサイズの矩形ビームが形成される。ＣＰ（キャラクタプロジェクション）の場合には２番目に設置された所定の位置のキャラクタにビームを照射することでキャタラクタを通過した電子ビームをキャラクタに形成された開口通りの任意かつ意図したビーム形状に整形される。さらに後段のレンズ光学系３０９でウェハ３０３上へ適切な位置に偏向し結像される。電子レンズ系３０６、３０９はさらに分解すると磁界レンズ３０７で構成される。
【００４７】
図６は、マルチコラムとウェハを説明する図である。コラム１本当たり２５×２５ｍｍ角の領域を電子ビーム描画あるいは電子ビーム検査することになる。３００ｍｍ、Ｓｉウェハ上に２次元の水平方向（Ｘ方向）に２５ｍｍピッチに等間隔でコラムエレメント５０１が整列し、垂直方向（Ｙ方向）に２５ｍｍピッチに等間隔でコラムエレメント５０１が整列している。３０３は３００ｍｍ、Ｓｉウェハの円形の外周円を表している。各コラムエレメントが描画する２５ｍｍ四角の矩形エリアの略半分程度がウェハの外周以内に入る場合にコラムエレメント５０１が設置される。それ以外の小矩形エリアにはコラムエレメントは設置されない。ちなみに図６では１２０本のコラムエレメントが設置されてウェハ全体を描画できる。
【００４８】
図７は、電子ビーム描画装置の縦断面を示す図である。電子銃陰極部６００から発射された電子ビームはサプレッサー電極６０１、引き出し電極６０２で電流射出量と射出形状を制御される。電子銃レンズ電極６０３で適切な静電レンズ作用を受けた電子ビームは陽極（アース電位）６０４で５０ｋＶに加速される。さらにビームはブランキング偏向電極６１０を通過し、第１の矩形のアパーチャ６０５で矩形に整形され、前段のレンズ光学系６２１で第２の矩形アパーチャまたはＣＰ（キャラクタプロジェクション）マスク６０６上に結像される。矩形アパーチャまたはＣＰマスク上での位置はビーム偏向器６１１ａと６１２ｂによって、意図したサイズまたは形状のビームに再整形されると同時に最終結像イメージの電子ビーム密度が変化しないように、ビームが交差しているクロスオーバー像が不動となるように偏向される。可変矩形ビームの場合には２つの矩形アパーチャによって任意のサイズの矩形ビームが形成される。ＣＰ（キャラクタプロジェクション）の場合には２番目に設置された所定の位置のキャラクタにビームを照射することで、キャタラクタを通過した電子ビームをキャラクタに形成された開口通りの任意かつ意図したビーム形状に整形される。さらに後段のレンズ光学系６２４、６２５および位置決め偏向器６０８でウェハ６０９上の適切な位置に偏向し結像される。
【００４９】
図７では６２１、６２２、６２３、６２４、６２５は主にサマリウムコバルトまたはネオジム磁石からなる永久磁石による磁界型レンズであるが、所望のレンズ光学系を構成するためには、焦点位置や倍率が±５％程度誤差があるので、電磁石による補正用コイル６３１ａ、６３１ｂ、６３２ａ、６３２ｂ、６３３ａ、６３３ｂ、６３４ａ、６３４ｂ、６３５ａ、６３５ｂによって精密な位置に焦点を合わせて倍率を調整する。
【００５０】
さて永久磁石を電子レンズに用いる場合には、大きさが小さくて強度の強いサマリウムコバルト永久磁石かまたはネオジム磁石が好ましい。特にネオジム磁石は現時点での最強の磁石であり、円筒リングでの半径方向の着磁ができる唯一の磁石であるので、ネオジム磁石を有効に活用したいと考えるのが一般的である。
【００５１】
しかしながらこのような小型で強い永久磁石には、温度によって磁界強度が変化するという望ましくない性質がある。特にネオジム磁石では常温０度Ｃ附近での１度Ｃの温度変化（上昇）で磁界強度で約１１００ｐｐｍの変化（低下）をもたらすために温度の安定化を実施しなくては安定な強度では使用できないという現象がある。サマリウムコバルトでも同様で常温０度Ｃ附近での１度Ｃの温度変化（上昇）で磁界強度で約３００ｐｐｍの変化（低下）をもたらす。このような温度の不安定性は室温の変化や、永久磁石が丁度必要な磁界を発生する値から外れている場合の補正用コイルの発熱によってもたらされる。ネオジム磁石の磁界強度での１１００ｐｐｍの変化は３０ｍｍの焦点深度の電磁レンズで、３３μｍの焦点変化を発生させとなり、収束半角が５ｍｒａｄで１６５ｎｍの焦点ボケを発生する。偏向フィールドサイズも片側５０μｍ偏向の時に５０ｎｍの位置変動を発生する。従って温度制御を行わなくては、使用上到底許容できるものではない。
【００５２】
以上のような温度不安定性を安定化せしめて使用に供するためには約２３度Ｃから２４度Ｃでのシステム動作温度で、０．００１度Ｃ以下の精度でネオジム磁石の温度を制御する必要がある。この精度で温度制御されるときには、焦点深度の不安定性は３３ｎｍ以下となり、０．１６５ｎｍの焦点ボケと０．０５ｎｍの横位置ずれに収まることができるので十分使用に供することができる。またこの温度安定化条件では、サマリウムコバルトでは温度変化による強度変化係数が１／３以下となり、１度あたり０．００３ｐｐｍとなるので問題はさらに緩和される。
【００５３】
実際のネオジム磁石の冷却は複数個のネオジム磁石を含むマルチコラムレンズの１段部分を水またはフロリナートなどの絶縁性の液体の冷媒に浸漬することで行う。液体の冷媒を環流することで、温度を計測し、加熱と冷却を交互に繰り返すことで一定の温度範囲に制御することができる。
【００５４】
マルチコラムの光学鏡筒で温度制御が必要なものは、ネオジム磁石のみではなく、第一の矩形アパーチャの保持板全体、第二のアパーチャの保持板全体など、マルチコラム縦方向の各段の構成物全体が温度制御されて、熱膨張による位置変動の不安定性を有しないように温度管理をされていることが、全体のビームの位置的安定性を保証するためには重要になる。
【００５５】
図８は、マルチコラムの電子レンズの横断面図である。各電子レンズは、Ｏ−リング１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄと真空シール筒１３１により、電子ビームが通る真空部１３３と隔絶されている。さらに、電子レンズ周りはジュール発熱による温度変化と温度変化に伴う永久磁石の強度変化を低減する目的で、永久磁石を含む空間に液体１３２（例えばフロリナートなど）を充填し環流させ、かつ高精度な温度制御方式を適用して液の温度を０．００１度Ｃ以下の安定度に保っている。
【００５６】
「第三の実施形態」
図９には、第三の実施形態の構成が示されている。この電子レンズは、円筒状の薄肉強磁性体からなる外側円筒２０１を有している。この外側円筒２０１が純鉄などからなり、電子レンズの外部への漏れ磁場を抑制する。この強磁性体の外側円筒２０１により、上述のようにして、電子銃をマルチコラム化した際に隣接するコラムとの間で磁界干渉が起きないようにすることができる。
【００５７】
外側円筒２０１の内側には、外側円筒２０１より小径で円筒状の永久磁石（円筒型永久磁石）２０２が配置されている。この永久磁石２０２は、上述の実施形態とは異なり、軸方向（Ｚ軸に平行な方向）に着磁されている。従って、永久磁石２０２からの磁力線は、永久磁石２０２の上下端部（Ｚ軸方向の両端部）からｚ軸と平行な方向に出た後中心方向にまでぐるっと曲がり、中心軸（ｚ軸）方向を通る形となる。永久磁石２０２は、例えばサマリウムコバルトで形成されている。この永久磁石２０２によって、電子ビームを収束することができる。
【００５８】
また、外側円筒２０１の内側に空間を仕切り、その空間に永久磁石２０２の内側に収容する上下端に外側に向けてつば状に広がるフランジ部を有するつば付内筒部材２０３が設けられている。すなわち、つば付内筒部材２０３の外周面と、上側および下側のフランジ部の下面および上面においてドーナツ状の空間が仕切られ、この空間内に円筒状の永久磁石２０２が配置される。この例では、永久磁石２０２は、その内周面がつば付内筒部材２０３の内周面および下側フランジ部の上面に接している。
【００５９】
このつば付内筒部材２０３は、内部が中空であり、ここが冷媒通路になっている。特に、ｚ方向に伸びる部分は、全体として２重構造になっており、永久磁石２０２を内側から接触して冷却する。ここで、冷媒は非磁性材料からなる流体であり、各種の市販の冷媒（例えばフロリナート）が利用可能であり、水でもよい。また、つば付内筒部材２０３もアルミニウムなどの非磁性材料で形成することが好適である。
【００６０】
つば付内筒部材２０３には、下側のフランジ部の周辺から冷媒が供給され、ここを横方向から中心部に向けて流れ、その後冷媒は筒状部分を上方に向けて流れ、上側のフランジ部を周辺に向けて流れ、外部へと流出する。冷媒は、冷媒タンクからポンプでつば付内筒部材２０３に供給され、ここからの冷媒が熱交換器などで冷却された後、冷媒タンクに戻る。なお、後述するように冷媒の流れる方向は反対でもよい。
【００６１】
また、つば付内筒部材２０３の内側には、円筒状の補正用コイル２０４が配置されている。これは、永久磁石２０２によって発生する磁界を補正するためのもので、ここに流す電流によって磁界強度を所定のものに調整することができる。すなわち、永久磁石２０２による磁界強度の過不足を補うために補正用コイル２０４が使用される。なお、この例では、つば付内筒部材２０３の一部を内側に突出させて、補正用コイル２０４を下側から支持している。
【００６２】
ここで、図に示すようにつば付内筒部材２０３のフランジ部は、外側円筒２０１を通過するため、外側円筒２０１はフランジ部の上下で別部材に分割されている。しかし、フランジ部を複数の部分に分割し、その間隙部分は外側円筒２０１としてもよい。特に、フランジ部は、内部が冷媒通路になっているが、流路面積は十分あり、周辺部において、管路と接続するため、管路面積として大きな断面積は必要とせず、複数に分割されていても問題はない。さらに、つば付内筒部材２０３は、補正用コイル２０４からの熱を吸収して、永久磁石２０２の温度変化を抑制することが目的であり、半径方向の通路については、大きな断面積は不要であり、管路などにしてもよい。通路は、らせん状にしたり、蛇行する通路としたり、複数の流路に分割するなど各種の形態をとることができる。
【００６３】
補正用コイル２０４の上方には、電子ビームを整形するためのスティグコイル（ｓｔｉｇ  ｃｏｉｌ）２０５が設けられている。つば付内筒部材２０３は、スティグコイル２０５の発熱も吸収する。
【００６４】
ここで、スティグコイル２０５は、図１３に示すように、４つのコイルを十字状に配置したコイル組であって、４つのコイルの配置方向が互いに４５度異なるコイル組を２つビームの進行方向に沿って２組配置したものである。図１３の上に配置されている図において、縦方向に対向する２つのコイルはいずれも中心側にＳ極が向いており、横方向に対向する２つのコイルはＮ極が中心方向に向いている。そして、図１３の下に配置されている図においては、上の図に比べて４５度回転された形状となっている。従って、２つのコイルによって中心を紙面に垂直な方向に通過するビームを整形し、図１４に示されているように、任意の角度の楕円形状のビーム形状を円形に整形することができる。
【００６５】
また、この例では、つば付内筒部材２０３の上側のフランジ部上に、外側円筒２０１と同様の磁性材料で形成されたドーナツ状の円板部２０６が設けられており、永久磁石２０２の磁界が支配する空間と上方の空間とを仕切っている。
【００６６】
そして、上述のような構成の下には、電子ビームが照射される、試料２０７が配置され、ここに電子レンズで制御された電子ビームが照射される。
【００６７】
このような構成の電子レンズにおける、磁界の強さを図１０に示す。この図では、ｚ軸が横軸となっており、左側が上、右側に試料が位置している。磁界の強さは、ｚ軸方向で、永久磁石２０２の内部にマイナスの大きな値となり、永久磁石２０２の上下近傍において、正のある程度の山を有する。
【００６８】
この例では、永久磁石２０２は、−２０ｍｍ〜０ｍｍの位置に配置されており、試料２０７は、１０ｍｍの位置に配置されている。図中、菱形の点を結んだ線（系列１）は、磁石の厚みが１２ｍｍ、四角の点を結んだ線（系列２）は厚みが１０の場合を示している。
【００６９】
このような構成の電子レンズによって、電子ビームを細く収束させると共に、温度による電子レンズの収差の発生などを抑制することができる。
【００７０】
すなわち、マルチコラムの電子ビーム照射装置においては、電子レンズをできるだけ小さく細く作る必要がある。しかし、クーロン効果によるボケを小さくするために１０ｍｒａｄ程度の収束半角が必要である。そして、１０ｍｒａｄ程度の収束半角をとっても、ビームが５ｎｍ程度に絞れるようにするためには、球面収差係数は５ｍｍ程度である必要がある。従って球面収差係数を非常に小さくする必要がある。
【００７１】
そのためには、電子ビームの照射対象である試料（ウェハ）の直上の２０ｍｍ−３０ｍｍの空間に大きな厚肉レンズによる磁界を形成出来るような永久磁石レンズを使用する必要がある。
【００７２】
上述した実施形態に係る径方向の着磁の永久磁石リングでは、プラス方向とマイナス方向の２つの磁界を利用するものであり、これらが距離を隔てた２枚の薄肉レンズにように作用するので、球面収差係数は、１０ｍｍ〜２０ｍｍ以下にすることが困難であった。
【００７３】
そこで、本実施形態では、永久磁石２０２の円筒型の軸方向への着磁を施したものを利用する。
【００７４】
これによって、図１０に示すように、最初のピークはプラス方向に向く。ここで、電子レンズのビームの収束強度は磁界Ｂの自乗をＺ軸方向に積分した量に比例するように効き、レンズの磁界がＺ方向に長めで、かつ試料面に近接して強い。このため、磁界を発生しているものが球面収差は小さくなる。
【００７５】
従って、図１０の２つめのプラスの磁界の山の途中に試料面があるものが望ましい。このように比較的長めのマイナス磁界を実効的なレンズ磁界とし、試料面がこれに近接しており、ワークキングディスタンスが小さいものになっている。
【００７６】
ここで、上述したつば付内筒部材２０３内に冷媒を循環して行われる冷却は、永久磁石２０２の熱的安定性を確保するために行う。永久磁石２０２がサマリウムコバルトで形成される場合には、３００ｐｐｍ／度Ｃの温度係数で磁界強度が変化する（１度の変化に対する磁界強度の変化が３００／百万）。
【００７７】
そこで、温度変化が３ｍ度Ｋとなるような温度安定度で、永久磁石２０２の温度を制御すれば、１ｐｐｍ／°Ｃの安定度に保てる。なお、冷媒は、例えば熱伝導率が高いフッ素系不活性流体であるフロリナートを用いることが好適である。
【００７８】
また、冷媒の循環により、永久磁石２０２などが振動すると、電子ビームの収束に悪影響を及ぼす。従って、冷媒流通をスムーズに行い、微少振動が乗らないような配慮が必要である。なお、冷媒は、永久磁石２０２と補正用コイル２０４、スティグコイル２０５などジュール熱を出す部材と、永久磁石２０２の間の熱的分離を行う。これによって、永久磁石２０２の温度安定性も確保する。
【００７９】
図１１には、冷媒の水路を模式的に表している。一列に並んだレンズ群を一列ごとに電子レンズの上側フランジ部から入った流体が内筒部を通過して下側フランジに抜ける場合、
下側フランジ部から入った流体が内筒部を通過して上側フランジに抜ける場合を考慮し、上側で隣接するコラムのつば付内筒部材２０３に至る場合を実線、下側で隣接するコラムのつば付内筒部材２０３に至る場合を点線で表している。
【００８０】
上側フランジ部を流れた冷媒は次のレンズの上側フランジ部に流れ込み今度は中心部のコイルと永久磁石の間の筒状部材を通って，下側フランジ部に流れる。このような流路を交互に繰り返し一方向に流体が流れていく。この例では、左端の流路から流入する流体は４列に別れて各流路を通り右端の流路から外部に出ていく。
【００８１】
ここで、補正用コイル２０４の発熱量を見積もる必要がある。通常のジュール熱による電磁石コイルでの発熱は１つのレンズあたり３００−５００Ｗである。補正用コイル２０４は、永久磁石２０２の着磁界誤差で±５％である。従って、発熱量は０．２５％となるので、１．２５Ｗを超えない。１００個のレンズがあっても１２５Ｗであるので３０Ｃａｌで、１秒間に１００ＣＣ流れていれば出口と入り口では０．３度の温度差は発生するが、定常的な温度安定度は０．００３以下に制御することは温度計をレンズの各部所につけて冷媒の貯槽である、チラーに流体を戻して温度制御を行うことで十分達成できる。すなわち、特別の熱交換器などは不要と考えられる。
【００８２】
「第四の実施形態」
図１２には、第四の実施形態では、第三の実施形態に比べ、永久磁石２０２と、補正コイル２０４の内外が入れ替わっている。
【００８３】
また、この実施形態では、強磁性材料のドーナツ状の円板部２０６は、省略している。これは、円板部２０６は、同じ平面内部での磁気ポテンシャルを一致させるために使用するものであり、磁界レンズとしては必須というものではないからである。
【００８４】
永久磁石２０２と、補正用コイル２０４の間に冷媒が流れて熱分離がなされていれば両者の位置は、永久磁石２０２が内側にあっても外側に設置されていてもよい。そこで、本実施形態では、永久磁石２０２を内側、補正コイル２０４を外側に配置し、その間に冷媒が流通されるつば付内筒部材２０３を配置した。
【００８５】
永久磁石２０２は、第三実施形態のように一体型の円筒型永久磁石であってもよいが、本実施形態では、軸上での磁界強度のばらつきや軸対称性の崩れがある場合に備えて、軸方向に複数に分割した構造体としている。すなわち、永久磁石２０２は、軸方向に短い一体型サマリウムコバルトで形成した分割リング磁石２０２ａ，２０２ｃ，２０２ｅ，２０２ｇ，２０２ｉを軸方向に積層して形成している。従って、各分割リング磁石２０２ａ，２０２ｃ，２０２ｅ，２０２ｇ，２０２ｉは、全体の厚みの約５分の１の厚みを有する。
【００８６】
そして、分割リング磁石２０２ａ，２０２ｃ，２０２ｅ，２０２ｇ，２０２ｉの軸方向の間隙には、薄膜円形リング板形状である、リング板２０２ｂ，２０２ｄ，２０２ｆ，２０２ｈが配置されている。これらリング板２０２ｂ，２０２ｄ，２０２ｆ，２０２ｈは、アルミニウムなどの非磁性体、または強磁性体である純鉄または、永久磁石ネオジムなど別の種類の永久磁石で形成されている。
【００８７】
永久磁石２０２が、一体型円筒である場合に等価な磁界レンズを製作した場合に、中心のＺ軸上での磁界分布強度がばらついたり、磁界ベクトルがＺ軸から曲がっていることがある。たとえば、磁界強度のばらつきはプラスマイナス５％程度であることがある。
【００８８】
そこで、あらかじめ平均値付近の比較的弱めの強度に目標強度をきめ、分割リング磁石２０２ａ，２０２ｃ，２０２ｅ，２０２ｇ，２０２ｉの強度が部品としての平均値よりも強度が高いときは接合部分に非磁性のリング板２０２ｂ，２０２ｄ，２０２ｆ，２０２を挟み、弱いときは強磁性体のリング板２０２ｂ，２０２ｄ，２０２ｆ，２０２を、磁界を強める方向になるように挟む。
【００８９】
また、Ｚ軸方向への磁界ベクトルに傾斜がある場合には、個別の分割リング磁石２０２ａ，２０２ｃ，２０２ｅ，２０２ｇ，２０２ｉを回転させて組み立てることによって５枚の分割リング磁石２０２ａ，２０２ｃ，２０２ｅ，２０２ｇ，２０２ｉを加算した磁界強度が目標値に近くなり、また中心軸Ｚ軸方向に沿っての磁界ベクトルが直線に最も近くなるように構造体を構成するように組み立てることができる。
【００９０】
なお、Ｚ軸方向の磁界の軸対称性の不均一性を平滑化するためにリング状の永久磁石２０２，２０２ａ，２０２ｃ，２０２ｅ，２０２ｇ，２０２ｉの上下に、材料は例えばパーマロイ、純鉄、またはパーメンダ（パーメンジュールとも呼ばれる）などを使用した厚さの薄い強磁性体の円板ではさんでもよい。
【００９１】
その他の構成については、第三の実施形態と同様であり、同様の効果が得られる。
【００９２】
「第五の実施形態」
次に、第五の実施形態について、図１５に基づいて説明する。
【００９３】
この実施形態では、薄肉の強磁性体リング２１１が電子レンズを構成する円筒型永久磁石２１２の試料２０７側、すなわち電子ビームの射出側の端面に配置されている。特に、この例では、強磁性体リング２１１は、その内径が円筒型永久磁石２１２とほぼ同一であるが、外径は円筒型永久磁石２１２の外径より小さくなっており、強磁性体リング２１１の半径方向の幅は、円筒型永久磁石２１２の半径方向の幅の１／３程度となっている。なお、この例において、強磁性体リング２１１の外径は、後述する円筒型永久磁石２１３の内径とほぼ同様となっている。
【００９４】
強磁性体リング２１１は、円筒型永久磁石２１２によりＺ軸付近での軸非対称性磁界ができてレンズ特性に悪影響を及ぼすことを阻止するための磁界均一化のための強磁性体の薄肉リングである。
【００９５】
永久磁石を利用した電子レンズでは、描画対象の試料２０７の表面のごく近傍に強い磁界を発生してレンズの球面収差係数を低減する必要がある。なぜなら、クーロン反発による収差を減らすためにはビームの収束半角αを大きく取る必要があるからであり、通常１０  ｍｒａｄ  程度の大きなαを取れば、大きな試料電流値３００  ｎＡ程度をとってもビームボケが１０ｎｍ程度の小さな値に収まる。
【００９６】
このためには、試料２０７の表面上の１０ｍｍ  程度の高さの位置に４０００Ｇａｕｓｓ  以上の強磁界を作って、球面収差係数を１０ｍｍ  以下にせねばならない。そのような強い軸方向磁界を形成するためには、円筒型永久磁石２１２を軸方向着磁のサマリウムコバルトで構成し、その穴径（内径）が６ｍｍ以下でなくてはならない。
【００９７】
また、電子ビーム飛来方向（入射側）に、穴径が大きな（内径が大きな）電子レンズである円筒型永久磁石２１３を、円筒型永久磁石２１２とは、極性を逆向きに設置する。
【００９８】
この構成によって得られる磁界曲線を、図１５の上側に示す。磁界分布曲線２１６が主たる永久磁石である円筒型永久磁石２１２によって得られる。一方、従たる電子レンズである円筒型永久磁石２１３による磁界は、磁界分布曲線２１７のようなものである。従って、両者が加算された、２つの円筒型永久磁石２１２，２１３を合わせた電子レンズによって得られる磁界は磁界分布曲線２１８のように、試料２０７の表面直上の磁界の極大値が大きくなる。Ｚ軸に沿った磁界の自乗のＺ方向への積分値がレンズ強度と等しくなるので、試料２０７の表面の直上でのレンズ磁界の強度が高いことで小さな球面収差を得ることができる。
【００９９】
従って、本実施形態ではビームの収束半角αは１０ｍｒａｄでクーロン効果によるビームの焦点深度の変化が小さく、球面収差係数が１０ｍｍで、球面収差そのものの大きさも１０ｎｍ程度のレンズが主たる永久磁石レンズの内径が８ｍｍ以上で達成できる。永久磁石レンズ（円筒型永久磁石２１２，２１３）の内径が小さいことは偏向器の設置が困難であるために、少しでも大きな内径にできることは望ましいことである。
【０１００】
なお、上述のように、本実施形態では、強磁性体リング２１１を試料２０７に対向する円筒型永久磁石２１２の端面に設けているため、試料２０７の表面直上の磁界を円周方向において均一なものとでき、精度のよい電子レンズが得られる。
【０１０１】
以上のように、本実施形態によれば、クーロン効果によるビームボケが小さく、かつ球面収差係数の小さな低収差レンズが実現できるので、電子ビーム露光装置の高解像度化に威力を発揮することができる。
【０１０２】
さらに、本実施形態では、円筒形状の強磁性体２０１のすぐ内面に永久磁石の磁界強度の補正用コイル２１４，２１５が設置されている。この例では、円筒型永久磁石２１２，２１３に対応して、補正用コイル２１４，２１５が設けられており、それぞれ適切な補正磁界を発生するが、補正用コイルは１つにしてもよく、３以上としてもよい。そして、補正用コイル２１４，２１５の発熱が、円筒型永久磁石２１２，２１３に伝わらないようにつば付内筒部材（冷媒流路）２０３が形成されている。なお、円筒型永久磁石２１２，２１３は、上述したようにそれぞれ複数に分割して形成したり、内部に磁性体を挟んだりして構成することもできる。
【０１０３】
図１６には、第五実施形態の変形例を示している。この例では、上述した円筒型永久磁石２１３に代えて径方向着磁した円筒型永久磁石２１９が設けられている。そして、この円筒型永久磁石２１９は、円筒型永久磁石２１２側に発生する磁界が円筒型永久磁石２１２の主たるレンズ磁界を強める磁界となるように、径方向着磁されている。この構成によっても、電子ビームの射出部付近の磁界を強めることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
マルチコラム電子ビーム描画装置は２０１５年以降２０２０年に必要とされる１５ｎｍから１０ｎｍ線幅のＬＳＩパターンを３００ｍｍウェハで１時間当たりたとえば略１０枚から略２０枚以上の処理能力で露光することのできる技術として、もっとも可能性が高い描画装置である。他に提案されている技術ではたとえば極短紫外線（ＥＵＶ）露光装置では１時簡に１枚程度の処理能力しか持たない可能性が高い。また電子ビーム描画装置では、略１５ｎｍから略１０ｎｍ線幅のＬＳＩパターンは１００μＣ／ｃｍ２より感度が低いレジスト（感光物質）でしか露光できないために、マルチコラムを除くマルチビームでは電子間相互作用のために大きな電流でビームがぼけてしまうので、コラム１本あたり略数マイクロアンペア程度の電流値しか使用することができない。３００ｍｍウェハは約６００平方ｃｍあるので６００００秒以上の露光時間がかかることになる。数十本以上の複数本のマルチコラムではこれを略６００秒以下とすることができる。かつ、図５で説明したＣＰ（キャラクタプロジェクション）では、平均塗りつぶし率が略２０％以下のパターンで記述できるので、換算すると略１２０秒以下で露光ができる可能性がある。これは１時間当たり２０枚以上の処理能力に対応する。【０１０５】
３００ｍｍ直径のシリコンウェハを数十本以上のマルチコラムで並列に露光処理するために、コラムエレメントの太さを見積もる。この場合にはコラムエレメントの太さは少なくとも２５ｍｍ以下の直径でなくてはならない。【０１０６】
また特許文献１に示す方法では１枚のウェハに数本から１０本以上のコラムを並べることはできないが、本発明のコラムは２５ｍｍ以下と従来の数分の１以下に小さくできるためにレンズにできるために数十本から１００本のマルチコラム化が可能である。【０１０７】
以上の理由でマルチコラム電子ビーム描画装置の構成には必要不可欠の技術であり、マルチコラム電子ビーム描画装置を実用化し、次世代微細リソグラフィ技術の中核を担う技術として電子産業に貢献するところが大きいと考えられる。
【符号の説明】
【０１０８】
１０１      外周の円筒薄肉強磁性体からなる継磁石
１０２      円筒薄肉永久磁石
１０３      内周の円筒薄肉強磁性体からなる継磁石
１０４      磁束
１０５      上部の強磁性体からなる円板継磁石
１０６      下部の強磁性体からなる円板継磁石
１０７      上部の補正用電磁コイル
１０８      下部の補正用電磁コイル
１０９      Ｏ−リング
１１０      磁束密度分布
１１２      上部の円筒薄肉永久磁石
１１３      上部の内周の円筒薄肉強磁性体からなる継磁石
１１４      上部の補正用電磁コイル
１１５      中央部の補正用電磁コイル
１１６      下部の補正用電磁コイル
１２２      下部の円筒薄肉永久磁石
１２３      下部の内周の円筒薄肉強磁性体からなる継磁石
１３１      真空シール筒
１３２      冷却用フロリナート
２０１      外側円筒
２０２      永久磁石
２０３      つば付内筒部材
２０４      補正用コイル
２０５      スティグコイル
２０７      描画試料またはシリコンウェハ
２１１  強磁性体リング
２１２，２１３  円筒型永久磁石
２１４，２１５  補正用コイル
２１６  円筒型永久磁石２１２による軸方向磁界分布曲線
２１７  円筒型永久磁石２１３による軸方向磁界分布曲線
２１８  円筒型永久磁石２１２と円筒型永久磁石２１３の合計の軸方向磁界分布曲線
２１９  他の円筒型永久磁石
３０１      一本の電子ビームコラム
３０２      マルチ電子ビームコラム
３０３      半導体ウェハ
３０４      電子銃
３０５      第一矩形アパーチャ
３０６      矩形整形偏向器
３０７      磁界レンズ
３０８      第二矩形アパーチャ
３０９      位置決め偏向器
６０１      サプレッサー電極
６０２      引き出し電極
６０３      レンズ電極
６０４      陽極（アース電位）
６０５      第一矩形アパーチャ
６０６      第二矩形アパーチャ
６０７      ラウンドアパーチャ
６０８      位置決め偏向器
６０９      試料（Ｓｉウェハ）
６１０      ブランキング電極
６１１ａ    矩形整形偏向器１
６１１ｂ    矩形整形偏向器２
６２１      投影レンズ
６２２      電子レンズ
６２３、６２４  縮小レンズ
６２５      投影レンズ
６３１ａ、６３１ｂ〜６３５ａ、６３５ｂ  補正用コイル
【図１】
2012057166.tif 000003
【図２】
2012057166.tif 000004
【図３】
2012057166.tif 000005
【図４】
2012057166.tif 000006
【図５】
2012057166.tif 000007
【図６】
2012057166.tif 000008
【図７】
2012057166.tif 000009
【図８】
2012057166.tif 000010
【図９】
2012057166.tif 000011
【図１０】
2012057166.tif 000012
【図１１】
2012057166.tif 000013
【図１２】
2012057166.tif 000014
【図１３】
2012057166.tif 000015
【図１４】
2012057166.tif 000016
【図１５】
2012057166.tif 000017
【図１６】
2012057166.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成24年2月29日(2012.2.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
また、外側円筒２０１の内側に空間を仕切り、その空間に永久磁石２０２の内側に収容する上下端に外側に向けてつば状に広がるフランジ部を有するつば付内筒部材２０３が設けられている。すなわち、つば付内筒部材２０３の外周面と、上側および下側のフランジ部の下面および上面においてドーナツ状の空間が仕切られ、この空間内に円筒状の永久磁石２０２が配置される。この例では、永久磁石２０２は、その内周面がつば付内筒部材２０３の外周面および下側フランジ部の上面に接している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームをＺ軸方向に射出する電子銃を具備する電子ビーム装置において利用される電子レンズであって、
Ｚ軸を中心軸とした円筒型強磁性体からなる外側円筒と、
前記外側円筒の内側に配置された、Ｚ軸方向に着磁された円筒型永久磁石と、
前記円筒型永久磁石の内側または外側に、前記円筒型永久磁石と間隙をおいて配置され、前記円筒型永久磁石によるＺ軸方向の磁界強度を調整する補正用コイルと、
前記円筒型永久磁石と、前記補正用コイルとの間隙に配置され、内部に冷媒が流通されて、前記円筒型永久磁石の温度変化を抑制する冷媒流路と、
を有する電子レンズ。
【請求項２】
請求項１に記載の電子レンズであって、
前記円筒型永久磁石における電子ビーム射出側のＺ軸方向端面に、前記円筒型永久磁石による磁界を平均化する、Ｚ軸方向の厚みが薄い強磁性体リングを設置する電子レンズ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電子レンズであって、
前記円筒型永久磁石は、
Ｚ軸方向に並んで配置され、前記電子ビームの入射側に位置する第１円筒型永久磁石と電子ビームの射出側に位置する第２円筒型永久磁石を含み、
前記第１円筒型永久磁石と第２円筒型永久磁石は、互いに反対方向の磁界を発生するように着磁されており、前記第１円筒型永久磁石は第２円筒型永久磁石に比べ内径が大きく、前記第２円筒型永久磁石により発生される中心磁界に対し、第１円筒型永久磁石による中心磁界が重ねられる電子レンズ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電子レンズであって、
前記円筒型永久磁石の、前記電子ビームの入射側に配置される他の円筒型永久磁石をさらに含み、
前記他の円筒型永久磁石は、前記円筒型永久磁石側に発生する磁界が前記円筒型永久磁石により発生される磁界を強める磁界となるように径方向着磁されている電子レンズ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の電子レンズであって、
前記冷媒流路は、前記間隙に位置する円筒状の流路を有する電子レンズ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子レンズをＺ軸に略直交する平面上に複数個配列した複数の電子ビームを試料に向けて照射する電子ビーム装置。
【請求項７】
電子ビームをＺ軸方向に射出する電子銃を具備する電子ビーム装置において利用される電子レンズであって、
Ｚ軸を中心軸とし、円筒型強磁性体からなる外側円筒と、
前記外側円筒の内側に配置され、Ｚ軸方向の長さが前記外側円筒の略２分の１以下で半径方向に着磁された円筒型永久磁石と、
前記円筒型永久磁石の内側に配置され、Ｚ方向の長さが前記円筒型永久磁石と同じかまたは長く、円筒型強磁性体からなる内側円筒と、
を具備する電子レンズ。
【請求項８】
請求項７に記載の電子レンズであって、
内部に磁性体が含まれない円筒状空間を具備し、前記円筒状空間の半径は前記外側円筒の外周の半径の略３分の１よりも大きいことを特徴とする電子レンズ。
【請求項９】
請求項８に記載の電子レンズにおいて、
前記外側円筒の内側に、半径方向に着磁された前記円筒型永久磁石を挟むように設置され、内径が前記円筒型永久磁石の内径と略等しい一対の電磁コイルを具備し、
前記一対の電磁コイルは前記薄肉永久磁石の強度を補正する逆向き磁界を発生することを特徴とする電子レンズ。
【請求項１０】
請求項９に記載の電子レンズにおいて、
前記外側円筒のＺ軸方向の上面または下面の一方、またはその両面に、前記外側円筒の外周の半径の３分の１よりも大きな円形開口を具備する円板状の強磁性体を具備することを特徴とする電子レンズ。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれか１つに記載の電子レンズをＺ軸に略直交する平面上に複数個配列し、複数の電子ビームを対象物に向けて照射する電子ビーム装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載する電子ビーム装置であって、
前記Ｚ軸方向とそれぞれに略直交するＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの方向に、Ｘ軸方向にはピッチＰＸで等間隔に複数個配列し、Ｙ軸方向にはピッチＰＹで等間隔に複数個配列した複数個の電子レンズ群を有し、
前記電子レンズ群に向けて液体または気体冷媒を流して温度制御をおこなうことを特徴とする電子ビーム装置。
【手続補正書】
【提出日】平成24年11月2日(2012.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図１は、本発明の電子レンズの第一の実施形態を説明する図である。電子レンズは、電子ビームをＺ方向に射出する電子銃を複数個具備する電子ビーム装置において少なくとも１段用いられる。少なくとも１段の電子ビームを収束結像する磁界による電子レンズは、前記Ｚ軸を中心軸とした外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体（外側円筒という）１０１からなる強磁性体を具備し、前記外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体（外側円筒）の内側に、長さが略２分の１以下の半径方向に着磁された円筒型半径方向薄肉永久磁石（円筒型永久磁石）１０２を具備し、前記円筒型半径方向薄肉永久磁石（円筒型永久磁石）の内側に、少なくとも前記円筒型薄肉永久磁石（円筒型永久磁石）とＺ方向の長さが同じかまたは長い、内周の円筒型半径方向薄肉強磁性体（内側円筒という）１０３を具備する円筒型半径方向薄肉磁界型電子レンズである。この円筒型半径方向薄肉の電子レンズは、内部に円筒状の非磁性空間（磁性体が含まれない円筒状空間）を具備し、前記円筒状の非磁性空間の半径は前記外周の円筒型半径方向薄肉強磁性体の外周の半径の略３分の１よりも大きな半径である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームをＺ軸方向に射出する電子銃を具備する電子ビーム装置において利用される電子レンズであって、
Ｚ軸を中心軸とした円筒型強磁性体からなる外側円筒と、
前記外側円筒の内側に配置された、Ｚ軸方向に着磁された円筒型永久磁石と、
前記円筒型永久磁石の内側または外側に、前記円筒型永久磁石と間隙をおいて配置され、前記円筒型永久磁石によるＺ軸方向の磁界強度を調整する補正用コイルと、
前記円筒型永久磁石と、前記補正用コイルとの間隙に配置され、内部に冷媒が流通されて、前記円筒型永久磁石の温度変化を抑制する冷媒流路と、
を有する電子レンズ。
【請求項２】
請求項１に記載の電子レンズであって、
前記円筒型永久磁石における電子ビーム射出側のＺ軸方向端面に、前記円筒型永久磁石による磁界を平均化する、Ｚ軸方向の厚みが薄い強磁性体リングを設置する電子レンズ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電子レンズであって、
前記円筒型永久磁石は、
Ｚ軸方向に並んで配置され、前記電子ビームの入射側に位置する第１円筒型永久磁石と電子ビームの射出側に位置する第２円筒型永久磁石を含み、
前記第１円筒型永久磁石と第２円筒型永久磁石は、互いに反対方向の磁界を発生するように着磁されており、前記第１円筒型永久磁石は第２円筒型永久磁石に比べ内径が大きく、前記第２円筒型永久磁石により発生される中心磁界に対し、第１円筒型永久磁石による中心磁界が重ねられる電子レンズ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電子レンズであって、
前記円筒型永久磁石の、前記電子ビームの入射側に配置される他の円筒型永久磁石をさらに含み、
前記他の円筒型永久磁石は、前記円筒型永久磁石側に発生する磁界が前記円筒型永久磁石により発生される磁界を強める磁界となるように径方向着磁されている電子レンズ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の電子レンズであって、
前記冷媒流路は、前記間隙に位置する円筒状の流路を有する電子レンズ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子レンズをＺ軸に略直交する平面上に複数個配列した複数の電子ビームを試料に向けて照射する電子ビーム装置。
【請求項７】
電子ビームをＺ軸方向に射出する電子銃を具備する電子ビーム装置において利用される電子レンズであって、
Ｚ軸を中心軸とし、円筒型強磁性体からなる外側円筒と、
前記外側円筒の内側に配置され、Ｚ軸方向の長さが前記外側円筒の略２分の１以下で半径方向に着磁された円筒型永久磁石と、
前記円筒型永久磁石の内側に配置され、Ｚ方向の長さが前記円筒型永久磁石と同じかまたは長く、円筒型強磁性体からなる内側円筒と、
を具備する電子レンズ。
【請求項８】
請求項７に記載の電子レンズであって、
内部に磁性体が含まれない円筒状空間を具備し、前記円筒状空間の半径は前記外側円筒の外周の半径の略３分の１よりも大きいことを特徴とする電子レンズ。
【請求項９】
請求項８に記載の電子レンズにおいて、
前記外側円筒の内側に、半径方向に着磁された前記円筒型永久磁石を挟むように設置され、内径が前記円筒型永久磁石の内径と略等しい一対の電磁コイルを具備し、
前記一対の電磁コイルは前記薄肉永久磁石の強度を補正する逆向き磁界を発生することを特徴とする電子レンズ。
【請求項１０】
請求項９に記載の電子レンズにおいて、
前記外側円筒のＺ軸方向の上面または下面の一方、またはその両面に、前記外側円筒の外周の半径の３分の１よりも大きな円形開口を具備する円板状の強磁性体を具備することを特徴とする電子レンズ。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれか１つに記載の電子レンズをＺ軸に略直交する平面上に複数個配列し、複数の電子ビームを対象物に向けて照射する電子ビーム装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載する電子ビーム装置であって、
前記Ｚ軸方向とそれぞれに略直交するＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの方向に、Ｘ軸方向にはピッチＰＸで等間隔に複数個配列し、Ｙ軸方向にはピッチＰＹで等間隔に複数個配列した電子レンズ群を有し、
前記電子レンズ群に向けて液体または気体冷媒を流して温度制御をおこなうことを特徴とする電子ビーム装置。
【国際調査報告】
2012057166.tif 000019
2012057166.tif 000020