(57)【要約】【課題】  レンズ軸方向に略均一な磁場を発生することができる電子レンズ用磁気回路装置を提供する。【解決手段】  レンズ軸と一致する軸線Ｚを有する円筒状ヨーク２の内周側に、半径方向に磁化された複数の永久磁石からなる磁石体３１ａ、３２ａ、３３ａを有する第１の磁石ユニット３ａと、軸線を含む縦断面において軸線Ｚと直交する中心線Ｘを基準として対称に配置され、第１の磁石ユニット３ａを構成する磁石体３１ａ、３２ａ、３３ａとは逆極性に磁化された永久磁石からなる磁石体３１ｂ、３２ｂ、３３ｂを有する第２の磁石ユニット３ｂを有する。磁石体３１ａ、３２ａは希土類焼結磁石で形成し、磁石体３３ａはフェライト焼結磁石で形成することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ軸と一致する軸線を有する円筒状ヨークと、前記ヨークの内周側に配置され、半径方向に磁化された永久磁石を有する第１の磁石ユニットと、前記軸線を含む縦断面において前記軸線と直交する中心線を基準として対称に配置され、前記第１の磁石ユニットを構成する永久磁石とは逆極性に磁化された永久磁石を有する第２の磁石ユニットとを備え、レンズ軸に沿った磁束密度分布を有することを特徴とする電子レンズ用磁気回路装置。
【請求項２】
前記第１の磁石ユニット及び前記第２の磁石ユニットは、前記レンズ軸方向に沿って配置された複数の磁石体を有し、各磁石体は回転対称に配置された厚さ方向に磁化された複数のブロック磁石を有し、前記中心線寄りに位置する磁石体を構成するブロック磁石は、他の前記磁石体を構成するブロック磁石よりも磁気特性の低い材料からなるブロック磁石を有し、隣接する前記磁石体を構成するブロック磁石は互いに異なる厚さと長さとを有することを特徴とする請求項１に記載の電子レンズ用磁気回路装置。
【請求項３】
前記第１の磁石ユニット及び前記第２の磁石ユニットは、異方性希土類焼結磁石からなるブロック磁石を有し、互いに隣接する第１磁石体及び第２磁石体と、第２磁石体と隣接し異方性フェライト焼結磁石からなるブロック磁石を有する第３磁石体からなり、前記第1磁石体を構成するブロック磁石は前記第３磁石体を構成するブロック磁石よりも大なる体積を有しかつ前記第３磁石体を構成するブロック磁石は前記第２磁石体を構成するブロック磁石よりも大なる体積を有することを特徴とする請求項２に記載の電子レンズ用磁気回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線により基板上にパターンを直接描画する装置の電子光学系に使用される電子レンズ用磁気回路装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路は半導体基板上に所定形状のデバイスや配線をリソグラフィーとプロセス工程の繰り返しにより形成することにより作製される。半導体集積回路の高集積化に伴い最小加工寸法（解像度）の微細化（例えばＤＲＡＭ配線層のハーフピッチ寸法は３年で０．７倍の微細化）が進んでいる。この微細化に対応するために、スループットは低いが、最小加工寸法が小さく（現状の描画装置のうちでは解像度が最も高い）また露光領域の面積に制限がないなどの利点を有する電子線を使用した直接描画装置が開発され、少量多品種のデバイスの生産や最先端デバイスの研究開発の分野で採用されている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００３】
電子線描画装置（ポイントビーム型）は、電子線描画機能、ＳＥＭ機能及び簡易測長機能をもち、電子銃、電子光学系、ステージ及びこれらを収納する真空チャンバを有する本体と、制御用コンピュータ及びインターフェースを介してコンピュータと本体を結ぶ制御系、パターンデータを蓄積するデータストレージ並びに高圧電源などから構成される。
【０００４】
電子線の制御を行う電子光学系は、電子銃から放出された電子を電子レンズで細く絞り、形状、寸法及び偏向位置を制御して、試料（例えば半導体基板）に照射する。電子レンズとしては、ヨークとコイルからなる磁界レンズ、複数の電極からなる電界レンズ及び非点収差を補正する多極子磁界レンズが使用されている。電子線描画装置のスループット向上のために、例えば複数の電子光学系を設け、多数の電子線を基板に照射することが考えられる。電子光学系の配列ピッチを狭めてスループット向上を図るためには、電子レンズの小型化が必要となり、永久磁石式電子レンズを使用することが考えられる。例えば特許文献３には、軸方向に磁化した複数の永久磁石を磁性緩和板を介して異極性の磁極が隣接するように設けた永久磁石式電子レンズが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４４８４０号公報（第６−９頁、図１）
【特許文献２】特許第４０７７９３３号公報（第４−６頁、図１）
【特許文献３】特開昭５２−１００１９５号公報（第２頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら特許文献３に記載された磁気回路では、磁石の偏磁を減少することはできるものの、レンズ軸に沿って均一な磁束密度分布が得られないという問題がある。
【０００７】
従って本発明の目的は、従来よりも小型化を図ることができるとともに、レンズ軸に沿って略均一な磁束密度分布を有する電子レンズ用磁気回路装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の電子レンズ用磁気回路装置は、レンズ軸と一致する軸線を有する円筒状ヨークと、前記ヨークの内周側に配置され、半径方向に磁化された永久磁石を有する第１の磁石ユニットと、前記軸線を含む縦断面において前記軸線と直交する中心線を基準として対称に配置され、前記第１の磁石ユニットを構成する永久磁石体とは逆極性に磁化された永久磁石を有する第２の磁石ユニットとを備え、レンズ軸に沿った磁束密度分布を有することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の電子レンズ用磁気回路装置は、前記第１の磁石ユニット及び前記第２の磁石ユニットは、前記レンズ軸方向に沿って配置された複数の磁石体を有し、各磁石体は回転対称に配置された厚さ方向に磁化された複数のブロック磁石を有し、前記中心線寄りに位置する磁石体を構成するブロック磁石は、他の前記磁石体を構成するブロック磁石よりも磁気特性の低い材料からなるブロック磁石を有し、隣接する前記磁石体を構成するブロック磁石は互いに異なる厚さと長さとを有する構成とすることができる。
【００１０】
本発明の電子レンズ用磁気回路装置は、前記第１の磁石ユニット及び前記第２の磁石ユニットは、異方性希土類焼結磁石からなるブロック磁石を有し、互いに隣接する第１磁石体及び第２磁石体と、第２磁石体と隣接し異方性フェライト焼結磁石からなるブロック磁石を有する第３磁石体からなり、前記第１磁石体を構成するブロック磁石は前記第３磁石体を構成するブロック磁石よりも大なる体積を有しかつ前記第３磁石体を構成するブロック磁石は前記第２磁石体を構成するブロック磁石よりも大なる体積を有する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電子レンズ用磁気回路装置によれば、円筒状ヨークの内部に、半径方向に磁化された永久磁石からなる第１の磁石ユニットとこの磁石ユニットと逆極性の磁極が現出するように半径方向に磁化された永久磁石からなる第２の磁石ユニットを軸線と直交する中心線を基準として対称に配置するので、レンズ軸に沿って略均一な磁束密度分布が得られることから、電子レンズの外径が小さくなり、もって電子レンズの設置スペースを狭くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は電子線描画装置の電子光学系を模式的に示す概略図、図２は実施の形態に係わる電子レンズ用磁気回路装置の縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図２に示す磁気回路の磁束線の分布状態を示す図、図５は軸方向の磁束密度分布を示す図である。
【００１３】
［電子光学系］
図１に示す電子線描画装置（ポイントビーム型）の電子光学系１０は、 ステージ（不図示）にセットされた試料（ウエハ１００）に照射される電子線（電子ビーム）を発生する電子銃（例えばＴＦＥ：熱電界放出電子銃）１１と、微細パターンを均一に描画するために電子線を例えば最大１００ｋＶまで加速する加速器１２と、電子線の中心軸をレンズ軸に合わせるビーム軸合せ装置１３と、電子線を結像・集束する電子レンズ１４と、不連続な線からなる任意の図形を描画するために試料上に到達する電子ビームをオンオフするブランキング装置１５と、ビーム形状を真円に近づける非点収差補正器１６（例えば８極のコイル）と、電子線を試料上の目的の位置に精度良く照射するために電子線の偏向角度を制御する静電偏向器１７を備えている。ビーム軸合せ装置１３は、各段のレンズの直前に設けられるビーム軸合せコイル１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄから構成され、各軸合せコイルは例えば、２段１組のアライメントコイルを有する。また図示を省略するが、電子銃から発生する電子ビームを分光することにより、複数の電子ビームを試料に照射することができる。この場合は、電子ビームごとにビーム軸合せ装置及び電子レンズなどが設けられる。
【００１４】
この電子レンズ１４は、ビーム電流制御と電子線源のサイズの縮小率を調整するために、電子銃直下に配置してビーム角電流密度を増大させるプリ集束レンズ１４ａ（電界レンズ）と、対物レンズへの電子線集束点（ズーム焦点）Ｆを固定するための２つの磁界レンズ１４ｂ、１４ｃと、対物レンズとなる電子レンズ１４ｄを有する。２つの磁界レンズ１４ｂ、１４ｃでズームレンズを構成し、ズーム焦点を固定することにより、対物レンズの励磁を変えることなくビーム径の縮小率や照射電流の調整が可能で、数ｎｍ〜数百ｎｍのパターンを安定して描くことができる。
【００１５】
この電子光学系１０を備えた描画装置は、スポット径が１５ｎｍ〜２０ｎｍの電子ビームを例えば４段の電子レンズを経て、試料表面にビーム径が例えば１．８ｎｍの電流密度の大なる電子ビームを照射して、超微細な図形を描画できるように制御される。すなわちこの電子線描画装置においては、データストレージに蓄積されたデータを、ディジタル制御系及びアナログ制御系を介して電子光学系（偏向制御部）に送り、電子線の位置を制御してパターンの描画を行う。またウエハに直接描画する場合は、基板位置や基板の変形などの情報を検出し、これを補正して描画を行う。
【００１６】
［磁気回路装置］
（全体の構造）
対物レンズ１４ｄは、電子ビームをウエハ上に結像するために、レンズ軸Ｚに沿って磁束を発生させる磁気回路装置１（図２及び図３参照）を備えている。この磁気回路装置１は、強磁性体（例えば鉄鋼材料）からなる円筒状のヨーク２と、その内周面側でかつレンズ軸Ｚと直交する中心線Ｘを基準にして対称に固設された第１の磁石ユニット３ａ及び第２の磁石ユニット３ｂを有する。第１の磁石ユニット３ａと第２の磁石ユニット３ｂとの間には、スペーサ４が設置されるとともに、ヨーク２の一端側には、ヨーク２の端面と第１の磁石ユニット３ａの端面に当接する形状を有するキャップ５が装着され、またヨーク２の他端側には、ヨーク２の端面と磁石ユニット３ｂの端面に当接しかつヨーク２の一端側まで伸長する長さを有するキャップ６が装着されている。スペーサ４と、キャップ５、６は、各永久磁石から発生する磁束をレンズ軸に収束できるようにするために非磁性体（例えばＡｌ合金）で形成される。
【００１７】
電子ビームが対物レンズを構成する上記の磁気回路装置を通過する（第１の磁石ユニットから第２の磁石ユニットに向って進む）ときに、半径（ｒ）方向の磁界（磁場）により電子はレンズ軸（Ｚ）を中心に回転する。回転している電子はＺ方向の磁界によりＺ方向に力を受けて、電子軌道が所定角度（θr）だけ曲がり、θrはレンズ軸から遠ざかるにしたがって大きくなるので、電子は一点に集束する。
【００１８】
（磁石ユニットの構造）
第１の磁石ユニット３ａは、レンズ軸方向に沿って連接された第１磁石体３１ａと、第２磁石体３２ａと、第３磁石体３３ａとを有する。第１磁石体３１ａは、矩形状断面（台形状断面でもよい）を有しかつ厚さ方向に磁化された複数のブロック状永久磁石（以下単にブロック磁石という）３１１ａ〜３１６ａを、各ブロック磁石の磁化方向がレンズ軸に向く（例えばレンズ軸側の磁極が総てＮ極となる）ように、ヨーク２の内周面に回転対称（例えば６回対称）となるように配置した構造を有する。第２磁石体３２ａは、矩形状断面を有し（台形状断面でもよい）かつ厚さ方向に磁化された複数のブロック磁石３２１ａ〜３２６ａ（３２１ａと３２４ａのみ図示）を、各ブロック磁石の磁化方向がレンズ軸に向き（例えばレンズ軸側の磁極が総てＮ極となる）、ヨーク６１の内周面に回転対称（例えば６回対称）となるように配置した構造を有する。第３磁石体３３ａは、矩形状断面を有し（台形状断面でもよい）かつ厚さ方向に磁化された複数のブロック磁石３３１ａ〜３３６ａ（３３１ａと３３４ａのみ図示）は、各ブロック磁石の磁化方向がレンズ軸に向く（例えばレンズ軸側の磁極が総てＮ極となる）ように、ヨーク６１の内周面に回転対称（例えば６回対称）に配置した構造を有する。
【００１９】
第２の磁石ユニット３ｂは、磁石ユニット３ａと同様に、レンズ軸方向に沿って連接された第１磁石体３１ｂと、第２磁石体３２ｂと、第３磁石体３３ｂとを有する。第１磁石体３１ｂは、矩形状断面を有し（直方体状に形成される）かつ厚さ方向に磁化された複数のブロック磁石３１１ｂ〜３１６ｂを、各ブロック磁石の磁化方向が磁石ユニット３ａとは反対側（外周側：レンズ軸側の磁極が総てＳ極となる）に向き、ヨーク２の内周面に回転対称（例えば６回対称）に配置した構造を有する。第２磁石体３２ｂは、矩形状断面を有し（直方体状に形成される）かつ厚さ方向に磁化された複数のブロック磁石３２１ｂ〜３２６ｂ（３２１ｂと３２４ｂのみ図示）を、各ブロック磁石の磁化方向が反対側（外周側：レンズ軸側の磁極が総てＳ極となる）に向くように、ヨーク２の内周面に回転対称（例えば６回対称）に配置した構造を有する。第３磁石体３３ｂは、矩形状断面を有し（直方体状に形成される）かつ厚さ方向に磁化された複数のブロック磁石３３１ｂ〜３３６ｂ（３３１ｂと３３４ｂのみ図示）は、各ブロック磁石の磁化方向が反対側（外周側：レンズ軸側の磁極が総てＳ極となる）に向くように、ヨーク６１の内周面に回転対称（例えば６回対称）に配置した構造を有する。
【００２０】
本発明においては、レンズ軸方向に沿って所定長さ（電子を集束可能とする長さ）だけ略均一な磁場を形成できるようにするために、隣接する磁石体を構成するブロック磁石の磁気特性（材質）と大きさ（寸法）が異なるような磁気回路構造としている。例えば第１磁石体３１ａ（３１ｂ）を形成するブロック磁石３１１ａ〜３１６ａ（３１１ｂ〜３１６ｂ）と、第２磁石体３２ａ（３２ｂ）を形成するブロック磁石３２１ａ〜３２６ａ（３２１ｂ〜３２６ｂ）は、希土類磁石材料で形成し、さらに、第３磁石体３３ａ（３３ｂ）を形成するブロック磁石３３１ａ〜３３６ａ（３３１ｂ〜３３６ｂ）を異方性フェライト焼結磁石で形成する。各磁石体を構成するブロック磁石は、幅Ｗは同一であるが、ブロック磁石３１１ａ（３１１ｂ）の長さをｌ１、その厚さをｔ１、ブロック磁石３２１ａ（３２１ｂ）の長さをｌ２、その厚さをｔ２、ブロック磁石３３１ａ（３３１ｂ）の長さをｌ３、その厚さをｔ３とすると、ｌ１＞ｌ２＞ｌ３かつｔ１＞ｔ３＞ｔ２になるような寸法関係を設定する。すなわち各磁石体の大きさは、第１磁石体３１ａ（３１ｂ）の体積＞第３磁石体３３ａ（３３ｂ）の体積＞第２磁石体３２ａ（３２ｂ）の体積といった関係となる。このような寸法関係を設定することにより、磁気回路装置１を図２のＢ方向から見た場合、第２磁石体３１ａ及び第３磁石体３３ａの投影面は、第１磁石体３１の投影面に重なる（含まれる）ことになる。同様に第２磁石体３１ｂ及び第３磁石体３３ｂの投影面も、第１磁石体３１ｂの投影面に重なる（含まれる）ことになる。
【００２１】
本発明において、第１磁石体と第２磁石体を形成するブロック磁石は、第３磁石体を形成するブロック磁石（例えばフェライト磁石）よりも高い磁気特性を有する磁石材料（例えば希土類磁石）で形成することが好ましく、特に、Ｒ（ＲはＮｄ等の希土類元素のうちの一種又は二種以上である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系異方性焼結磁石（耐食性の点から各種の表面処理を施したもの）を使用することがより好ましい。またこのＲ−Ｔ−Ｂ系異方性焼結磁石のうちでは、レンズ軸上に高い磁場を発生させるために、最大エネルギー積が５０ＭＧＯｅ以上となる磁気特性を有するものがより好ましい。
【００２２】
このような磁石材質と寸法関係を組合わせることにより、図４に示すような磁束線が発生する。すなわち第１磁石体３１ａにより、ヨーク２の端部からの漏洩磁束が防止されるとともに、第２磁石体３２ａと第３磁石体３３ａにより、レンズ軸方向に沿った磁束線を発生することができる。しかも第１磁石体３１ａと第２磁石体３２ａを希土類磁石で形成することにより、磁気回路装置の外径Ｄを例えば５０ｍｍ以下とした場合でも、レンズ軸に沿って５０ｍＴ以上（例えば５０〜１００ｍＴ）の高い磁場を発生できるので、設置スペースの小型化を図ることができ、しかも良好な結像作用を得ることができる。また本発明においては、ヨーク２の厚さを適切な値に設定することにより、図４に示すように、ヨーク２の背面（外周面）からの漏洩磁場を防止することができる。これにより、所定長さにわたって略均一な磁束密度分布を得ることができる。
【００２３】
なお、上記の各磁石ユニットにおいて、磁石体を構成する総てのブロック磁石を同一の磁石材料で形成することができる。例えば総てのブロック磁石をＲ−Ｔ−Ｂ系異方性焼結磁石で形成した場合は、第３磁石体３３ａ（３３ｂ）の厚さ（ｔ３）を第２磁石体３２ａ（３２ｂ）よりも薄くする（例えば０．５ｍｍ）ことによりレンズ軸に沿って８０ｍＴ程度の磁場を発生することができる。
【００２４】
（シミュレーション）
図２及び図３において、外径（Ｄｏ）＝２５ｍｍ、厚さｔ＝２．５ｍｍのヨークをＳＳ材で形成し、内径（Ｄｉ）＝１０ｍｍのスペーサをアルミニウム合金（例えばＡｌ−Ｍｇ系合金）で形成し、第１磁石体及ぶ第２磁石体を形成するブロック磁石は、異方性Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（日立金属社製ＮＭＸ−Ｓ５４）で形成し、各磁石の寸法をｌ１＝１１ｍｍ、Ｗ１＝９ｍｍ、ｔ１＝２．５ｍｍ、ｌ２＝７ｍｍ、Ｗ２＝９ｍｍ、ｔ２＝２．０ｍｍに設定するともに、第３磁石体を形成するブロック磁石は、異方性フェライト焼結磁石（日立金属社製ＮＭＦ−３Ｄ）で形成し、ｌ３＝９ｍｍ、Ｗ３＝９ｍｍ、ｔ３＝２ｍｍに設定した場合のレンズ軸上（図２のＺ１方向）の磁束密度分布（シミュレーションで算出した結果）を図５に示す。また図示を省略するが、Ｚ１とは反対方向の磁束密度分布も図５と同様である。したがって本発明の磁気回路装置によれば、レンズ軸に沿って所定長さ（３０〜４０ｍｍ）にわたって略均一な８０〜９０ｍＴの範囲にある磁束密度分布が得られることがわかる。
【００２５】
本発明は、上記の構造に限定されず、種々の変更が可能である。例えば半径方向に磁化方向を有する永久磁石を使用し、レンズ軸の上段側と下段側とで極性が異なるように配置することにより、レンズ軸方向に略均一な磁束の流れを発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電子線描画装置を構成する電子光学系を模式的に示す図である。
【図２】実施の形態に係わる磁気回路装置の縦断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図２に示す磁気回路の磁束線の分布状態を示す模式図である。
【図５】軸方向の磁束密度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１：磁気回路装置、２：ヨーク、３ａ、３ｂ；磁石ユニット、３１ａ、３１ｂ：第１磁石体、３２ａ、３２ｂ：第２磁石体、３３ａ、３３ｂ：第３磁石体、３１１ａ、３１１ｂ、３２１ａ、３２１ｂ、３３１ａ、３３１ｂ：ブロック磁石、１０：電子光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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