(57)【要約】【課題】基板の一方の主面の温度上昇と基板の温度勾配を低減することにより基板の反りを効果的に低減し、良好な光学特性を有する荷電粒子光学系や光学素子アレイ構造体を提供する。【解決手段】荷電粒子光学系は、荷電粒子ビームに荷電粒子光学的に作用する電場を形成する対向電極を含む対向電極アレイが設けられた第一の基板１を有する。荷電粒子ビームの光軸を法線とし、第一の基板の対向電極が形成されている面を第一の主面とし、第一の主面の反対側の面を第二の主面とし、第一の主面から第二の主面への方向の寸法を厚さとして、第一の基板１は、第二の主面から厚さ方向へ伸びた、第一の基板１よりも熱伝導性が高い第一の充填材料が設けられた領域７を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の荷電粒子ビームにそれぞれ荷電粒子光学的に作用する電場を形成する複数の対向電極を含む対向電極アレイが設けられた第一の基板を有する荷電粒子光学系であって、
前記荷電粒子ビームの光軸を法線とし、前記第一の基板の前記対向電極が形成されている面を第一の主面とし、前記第一の主面の反対側の面を第二の主面とし、第一の主面から第二の主面への方向の寸法を厚さとして、前記第一の基板は、前記第二の主面から厚さ方向へ伸びた、前記第一の基板よりも熱伝導性が高い第一の充填材料が設けられた領域を有することを特徴とする荷電粒子光学系。
【請求項２】
前記第一の基板はシリコン基板であり、
前記対向電極アレイは、前記シリコン基板に、制御回路と、前記制御回路への制御信号を受信するインターフェース部と、前記制御信号に基づいて前記複数の荷電粒子ビームに荷電粒子光学的に作用する電場を形成する複数の対向電極と、を有することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子光学系。
【請求項３】
前記第一の基板は、前記複数の荷電粒子ビームがそれぞれ通過するための前記第一の基板を厚さ方向へ貫く複数の貫通孔を有し、
前記複数の対向電極が形成される前記第一の基板の領域の厚さが、前記対向電極が形成される領域以外の領域の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子光学系。
【請求項４】
前記第一の充填材料は、前記第一の基板の材料またはシリコンよりも熱膨張係数が高いことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の荷電粒子光学系。
【請求項５】
前記第一の充填材料が充填されている領域は、１つ以上の柱状構造の領域であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の荷電粒子光学系。
【請求項６】
開口アレイを更に有し、
前記開口アレイは、前記対向電極アレイに入射する前記荷電粒子ビームをそれぞれ制限する複数の開口を第二の基板に有し、 
前記第二の基板は、 前記光軸を法線とし、一方の面を第三の主面とし、前記第一の主面の反対側の面を第四の主面とし、第三の主面と第四の主面の間の方向の寸法を厚さとして、厚さ方向に前記第二の基板よりも熱伝導性が高い第二の充填材料が設けられた領域を有し、
前記第三の主面は、前記対向電極アレイの前記第二の主面に熱的に接触して配されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の荷電粒子光学系。
【請求項７】
前記第二の充填材料が充填されている領域は、１つ以上の柱状構造の領域であり、前記第三の主面から前記四の主面へ貫通していることを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子光学系。
【請求項８】
複数の荷電粒子ビームを通す複数の開口が形成された第一の基板を有する光学素子アレイ構造体であって、
前記荷電粒子ビームの光軸を法線とし、前記第一の基板の一方の面を第一の主面とし、前記第一の主面の反対側の面を第二の主面とし、第一の主面から第二の主面への方向の寸法を厚さとして、前記第一の基板は、前記第二の主面から厚さ方向へ伸びた、前記第一の基板よりも熱伝導性が高い第一の充填材料が設けられた領域を有することを特徴とする光学素子アレイ構造体。
【請求項９】
請求項１から８の何れか１項に記載の荷電粒子光学系または光学素子アレイ構造体を有し、
複数の荷電粒子ビームを用いて基板上へ描画を行うことを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビーム等の荷電粒子線を用いた装置に使用される荷電粒子光学系等の技術分野に属し、特に露光装置などに用いられる荷電粒子光学系、及びそれを用いた露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの生産において、電子ビーム露光技術は、０.１μｍ以下の微細パターン露光を可能とするリソグラフィの有力候補である。こうした露光装置では、電子ビームの光学特性を制御するための電子光学素子が用いられる。電子ビーム露光技術において、マスクを用いずに複数本の電子ビームで同時にパターンを描画するマルチビームシステムの提案がなされている。マルチビームシステムでは電子光学素子を１次元または２次元のアレイ状に配列した電子光学素子が用いられる。このような電子光学素子アレイは、偏向電極や多極子レンズをマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）製造技術で形成し、１素子を小型化、高密度配置し大規模なアレイを作製することができる。更に、偏向電極が形成された基板と同一の基板に制御回路も集積化し、高速化・大規模アレイ化を可能とできる。（特許文献１、非特許文献１参照）また、ＭＥＭＳ製造技術を用いて、偏向電極と同様の対向した電極構造を用いて非点収差補正器を小型化することもできる。（非特許文献１参照）
【０００３】
こうした電子光学素子アレイでは、１素子の小型化・高密度配置化に伴い光学素子アレイ間のアライメントに、より高い精度が求められたり、描画パターンの微細化に伴い、より小さい光学収差が求められたりする。そのため、熱変形が小さい電子光学素子アレイを実現することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００９１２７６５８
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ８４（２００７）  ＰＰ１０２７−１０３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電子光学素子アレイと制御回路が同一基板に集積化されたデバイスでは、制御回路の発熱が基板上の電子光学素子アレイを熱変形させてしまうという懸念があった。特に、制御回路は、制御信号をデバイスへ入力するためのフォトダイオード等の光インターフェース部、若しくは金属バンプや金属パッド等の電気インターフェース部も基板の同一面側に有している。そのため、この面側では、冷却の排熱エリアを大きくすることが容易とは言い難い。従って、熱変形を十分に低減できないことがあるという課題がある。一方、この面の反対側の裏面から冷却することが考えられる。この場合、基板の熱抵抗のため、十分に排熱できなかったり、基板の厚さ方向に温度勾配が生じ曲げ応力が発生したりすることがあり得る。そのため、この場合も、熱変形を十分に低減できないことがあるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の荷電粒子光学系は、複数の荷電粒子ビームにそれぞれ荷電粒子光学的に作用する電場を形成する複数の対向電極を含む対向電極アレイが設けられた第一の基板を有し、前記荷電粒子ビームの光軸を法線とし、前記第一の基板の前記対向電極が形成されている面を第一の主面とし、前記第一の主面の反対側の面を第二の主面とし、第一の主面から第二の主面への方向の寸法を厚さとして、前記第一の基板は、前記第二の主面から厚さ方向へ伸びた、前記第一の基板よりも熱伝導性が高い第一の充填材料が設けられた領域を有し、前記第二の主面が前記対向電極アレイから外部へ熱を排出する排熱面として作用することを特徴とする。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、本発明の光学素子アレイ構造体は、荷電粒子ビームを通す開口が複数形成されたシリコン基板などの第一の基板を有し、荷電粒子ビームの光軸を法線とし、第一の基板の一方の面を第一の主面とし、第一の主面の反対側の面を第二の主面とし、第一の主面から第二の主面への方向の寸法を厚さとして、第一の基板は、第二の主面から厚さ方向へ伸びた、第一の基板よりも熱伝導性が高い第一の充填材料が設けられた領域を有し、第二の主面が外部へ熱を排出する排熱面として作用することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の荷電粒子光学系及び光学素子アレイ構造体は、シリコン基板などの基板より熱伝導性が高い充填材料が第二の主面から第一の主面側へ伸びて設けられた領域を有することにより、基板の熱抵抗を効果的に低減することができる。そのため、第一の主面側に制御回路やインターフェース部などが形成された構造であっても、第一の主面側の部分から発生する熱を第二の主面から排熱して、第一の主面の温度上昇を低減することができる。加えて、基板の厚さ方向への温度勾配も低減することができる。第一の主面の温度上昇と基板の温度勾配の両方を低減することにより基板の反りを効果的に低減できる。そのため、例えば、対向電極アレイの位置・傾き・電極間ギャップの誤差が低減されるため、良好な荷電粒子光学特性を有する対向電極アレイとすることができる。また、冷却手段を第二の主面側に設置できるため、第一の主面に冷却手段を置く場合と比べ、例えば、制御信号のインターフェース部と対向電極の形成エリアを大きくすることができる。つまり、同じデバイスサイズで、対向電極アレイなどのアレイ数を大きくすることが可能となる。従って、より安価にデバイスを製造できる。そして、シリコン基板を用いる構成では、基板上に半導体製造技術によりＣＭＯＳ等の半導体デバイスを利用した制御回路を一体的に形成することができる。そのため、個数の多い大規模な対向電極アレイに対応した制御回路を実現できる。また、対向電極もＭＥＭＳ製造技術を利用して作成できるため、微細で高精度な対向電極アレイを大規模に形成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の荷電粒子光学系の実施例１の対向電極アレイの上面と断面を示す図。
【図２】本発明の荷電粒子光学系を用いた露光装置の例を示す概念図。
【図３】実施例１の対向電極形成領域の上面及び対向電極部分の断面を示す図。
【図４】対向電極が一対の場合及び２対の場合の上面図。
【図５】本発明の荷電粒子光学系の実施例２の対向電極アレイの上面と断面を示す図。
【図６】本発明の変形低減効果を説明するグラフ。
【図７】実施例３の対向電極アレイと開口アレイのユニットの断面と上面を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の特徴は、荷電粒子光学系ないし光学素子アレイ構造体において、第二の主面から第一の主面側へと厚さ方向に伸びた、基板よりも熱伝導性の高い充填材料が設けられた領域を基板が有することである。荷電粒子ビームを通過させる光学素子アレイ構造体としては、ブランカデバイス、ビーム形成部材、荷電粒子ビームの進行を荷電粒子光学的に制御する荷電粒子光学系（静電レンズ、荷電粒子ビームを偏向するための静電偏向器など）等がある。例えば、荷電粒子線露光装置に用いるブランカデバイスは、非ビームエリアは発熱するため、熱分布が生じることから、放熱する工夫が必要になる。また、露光系を小型化していくと、ブランカデバイスとアパーチャアレイとを組み合わせる構成などが考えられるが、こうした場合も放熱対策（冷却対策）が必要になる。一方、上記のような組み合わせ構成等の場合、スペース的に放熱経路を確保することが困難になる。本発明は、こうした課題を解決するために基板内の放熱経路に熱伝導性の高い材料を配置ないし充填するものである。こうした考え方に基づき、本発明の荷電粒子光学系ないし光学素子アレイ構造体は、上記課題を解決するための手段のところで述べた様な基本的な構成を有する。
【００１２】
以下、本発明の実施形態を説明する。
本発明の一実施形態である荷電粒子光学系は、複数の荷電粒子ビームを生成する光源と、その複数の荷電粒子ビームに対応してそれぞれ荷電粒子光学的に作用する対向電極アレイを有している。対向電極アレイは、第一の基板であるシリコン基板などの基板上に複数の対向電極と制御回路と該制御回路へ制御信号を外部から供給するためのインターフェース部を有している。複数の対向電極は、この制御回路によって制御信号に基づき制御される。インターフェース部は、電気的に制御信号の授受（受信と送信）を行うもの（例えば金属バンプ）でも、光から電気信号へ変換を行うもの（例えばフォトダイオード）でもよい。対向電極は、荷電粒子ビームに光学的に作用するための電場を形成するため、例えば、一対２個の電極間にギャップを有している。このギャップを荷電粒子ビームが通過することにより、ビームが電場から光学的な作用を受ける。光学的な作用は、１つの荷電粒子ビームに対する対向電極の数と電位の印加方法によって、偏向器・レンズ・収差補正器の何れかまたはその組み合わせの作用とできる。これらの対向電極は同一基板上の制御回路で制御されるため、動作速度を高速とできる。また、インターフェース部で受けた信号をシリアルパラレル変換する回路も含めれば、対向電極への配線数を低減することができる。
【００１３】
また、対向電極アレイは、上記対向電極・制御回路・インターフェース部が形成される面（第一の主面）の反対側の面（第二の主面）に、熱をデバイス外部へ放出するための排熱面を有している。ここでは、荷電粒子ビームの光軸を法線とし、第一の基板の対向電極が形成されている面を第一の主面とし、第一の主面の反対側の面を第二の主面とし、第一の主面から第二の主面への方向の寸法を厚さとしている。この排熱面には、冷却手段が熱的に接触して、熱を排出することができる。冷却手段には、熱を系の外部へ輸送可能な手段、例えば、ヒートシンク、冷媒を用いた冷却素子、ペルチェ素子、ヒートパイプ等を用いられる。また、上記排熱面に、加熱手段を有していてもよい。駆動初期の温度安定化のために、この加熱手段を用いることもできる。加熱手段には、一般的な抵抗加熱素子や、セラミックヒーター等を用いることができる。この様にして、冷却手段を第二の主面側に設置すると、第一の主面に冷却手段を置く場合と比べ、制御信号のインターフェース部と対向電極の形成エリアを大きくできる。つまり、同じデバイスサイズで、対向電極アレイのアレイ数を大きくすることができる。従って、より安価にデバイスを製造可能となる。また、本実施形態の対向電極アレイは、基板より熱伝導性が高い充填材料（第一の充填材料）を第二の主面から第一の主面側へ上記厚さの方向に伸びて配置ないし充填した領域を有している。この領域は、基板の熱抵抗を低減するもので、第二の主面から冷却を行う場合でもデバイスの熱変形を低減できる。そのため、対向電極アレイの位置・傾き・電極間ギャップの誤差が低減されるため、良好な荷電粒子光学特性を有する対向電極アレイとできる。材料には、例えば、銅やタングステン等の金属を用いることができる。
【００１４】
基板の熱抵抗を下げることにより、第一の主面の温度とシリコン基板の厚さ方向の温度分布との両方を低減できる。第一の主面の温度と基板の温度勾配が重要な理由は以下の通りである。第一の主面の温度は、基板上に形成された制御回路に対する配線層（絶縁膜を含む）・対向電極・インターフェース部等の線膨張係数が基板と異なる材料との熱応力に関係する。第一の主面側だけに大きな熱応力が発生すれば、基板全体はその応力の方向に応じた向きに反りが発生してしまう。また、基板の温度勾配は、シリコン基板内で厚さ方向の熱応力の勾配となる。厚さ方向の応力勾配は、曲げモーメントとなるため、基板に反りが発生することになる。この様に、上記２つの要因の両方または何れか１つによって、対向電極が形成されている基板には反りが発生することになる。このような反りは、対向電極の位置・傾き・対向電極間のギャップの誤差となる。本発明では、シリコン基板などの基板に該基板よりも熱伝導性の良い材料を設けることで、基板の熱抵抗を低減し、上記２つの反りの要因について低減することができる。これにより、対向電極の構造誤差を低減することができる。
【００１５】
また、第一の基板をシリコン基板とした場合、基板全体をシリコンより熱伝導性の良い材料とする場合と比べて、以下の効果を有する。第一に、半導体製造技術によりＣＭＯＳ等の半導体デバイスを利用した制御回路をシリコン基板上に一体的に形成できる。そのため、個数の多い大規模な対向電極アレイに対応した制御回路を実現可能となる。第二に、対向電極の形成はＭＥＭＳ製造技術を利用して作成可能なため、微細で高精度な対向電極アレイを大規模に形成できる。
【００１６】
また、本実施形態の荷電粒子光学系の対向電極アレイは、シリコン基板などの第一の基板を対向電極が形成されている領域の厚さのみ薄くした構成とすることができる。これにより、本実施形態は以下の３つの効果を奏することができる。第一に、基板に、荷電粒子ビームが通過するための貫通孔を高精度に形成できる。貫通孔が深い（つまり基板の厚み方向の寸法が大きい）と貫通孔の直径や孔の中心軸の傾きを加工上制御するのが難しくなる。このような誤差が生じると、荷電粒子ビームを遮断してしまう恐れがある。また、貫通孔の直径が誤差で大きくなると、近接して配置されている対向電極まで貫通孔が到達して対向電極を破損させてしまう恐れもある。そのため、加工のマージンを見越して、荷電粒子ビームに対する孔径を大きくし、孔径に対して対向電極のギャップを大きくする必要が生じてしまう。そして、対向電極のギャップが大きくなるため、対向電極へ印加する電圧が高電圧化してしまう。本実施形態のように、対向電極形成エリアのみ薄くした構成では、貫通孔の加工深さを小さくし貫通孔の加工精度を良好とできるため、対向電極へ印加する電圧を低電圧とすることができる。電圧を低電圧化できれば、回路や配線の発熱を更に低減できる。
【００１７】
第二に、貫通孔の孔径とピッチを微細化することが可能となる。貫通孔を形成する領域の厚さが薄いため、孔径の小さい貫通孔を形成しても、孔径に対する深さの比（アスペクト比）を小さくできる。アスペクト比が小さければ、孔径を小さくしても貫通孔加工が可能となる。特にシリコンの深堀ドライエッチングの場合、アスペクト比は１〜１００程度の範囲となる。また、より好適には、１〜５程度とすると良い。また、上記第一の理由により孔の加工精度も高いため、近接したレイアウトとしても正確に加工される。そのため、ピッチも微細化することができる。上記のように孔径とピッチを微細化できれば、より集積度の高い対向電極アレイを形成できる。第三に、対向電極が形成されないエリアは厚く保たれているため、デバイス全体の剛性を低下させないで高く保てる。そのため、製造・組み立て工程でデバイスが破損したり変形したりするのを防ぐことができる。
【００１８】
また、本実施形態の荷電粒子光学系の対向電極アレイは、熱膨張係数がシリコンより大きい材料を充填材料とすることができる。このことにより、低温側となる第二の主面側の伸びを大きくし、シリコン基板などの基板全体の反りを低減することができる。更に、基板上に形成された制御回路とインターフェース部とを結ぶ配線に、半導体集積回路の多層配線を用いた場合でも基板の反りを効果的に低減できる。
【００１９】
また、本実施形態の荷電粒子光学系の対向電極アレイは、１つ以上の柱状構造に充填材料の埋め込みがなされている構成とできる。広い面積に渡って基板の熱抵抗を低減する場合は、複数の柱状構造を配列する。このことにより、広い面積の全てを柱状に分割しない場合と比べ、充填材料に残留応力があっても変形を低減することができる。また、発熱箇所に応じて柱状構造の形成密度を調整できるので、必要な熱抵抗の低減量に応じて、必要最低限の充填材料を配置することができる。そのため、充填材料に残留応力があっても変形の少ない構成とできる。また、充填材料を埋め込む場合は、半導体集積回路で用いられる埋め込み貫通配線の製造技術を適用できるため、基板上に集積された制御回路の動作特性を劣化させることなく歩留まり良く埋め込み領域が製造可能となる。特に、熱抵抗を低減したい領域の面積が設計により変化しても、柱状構造の寸法を変化させないで、形成する個数とピッチを変化させれば対応することができる。そのため、柱状構造の製造工程の条件を調整・適用して様々な面積に対して熱抵抗を低減できる。また、充填材料として、例えば銅、タングステンやそれを含む合金を用いることができる。
【００２０】
また、本実施形態の荷電粒子光学系は、対向電極アレイと該アレイへ入射する荷電粒子ビームを制限する開口を有する開口アレイとを組み合わせたユニットとすることができる。開口アレイは、シリコン基板などの基板に、荷電粒子ビームが通過するための貫通孔が形成されている。また、最表面に電気伝導性の良い被膜を施してもよい。具体的には、白金、モリブデン等を用いることができる。開口アレイは、対向電極アレイの第二の主面と熱的に接触する面である第三の主面を有している。そして、第三の主面の反対側の第四の主面を有している。第四の主面は、対向電極アレイと開口アレイの熱を外部へ放出するための排熱面となっている。そして、本実施形態の開口アレイは、シリコンなどより熱伝導性が高い充填材料を充填した領域を有している。この充填した領域は、開口アレイの基板の熱抵抗を低減するものである。この様にして、開口アレイの第四の主面から熱を排熱しても、対向電極アレイと開口アレイのいずれの熱抵抗も低減されているため、ユニット全体の熱変形を低減することができる。特に、対向電極アレイと開口アレイを近接して配置できるため、ユニット組み立ての光軸合わせが容易となる。従って、よりピッチの小さい対向電極アレイ・開口アレイでも高精度の位置決めをして組み立てが可能となる。充填材料としては、銅やタングステン、またはそれを含む合金を用いることができる。
【００２１】
上記組み合わせたユニットにおいて、開口アレイの基板に充填材料が充填された領域を柱状構造とすることができる。そして、第三の主面から第四の主面へ柱状構造が伸延した構造とできる。開口アレイの基板を充填材料が貫通していることで、第三の主面に流入する対向電極アレイからの熱を効果的に第四の主面へ伝導させることができる。また、柱状構造とすることにより、広い面積に渡って熱抵抗を低減する場合は、複数の柱状構造を配列できる。これにより、広い面積の全てを柱状に分割しない場合と比べ、充填材料に残留応力があっても変形を低減することができる。ここでの効果も、上記第一の基板における柱状構造の充填材料のものと実質的に同じである
【００２２】
また、本実施形態の荷電粒子光学系を用いて、複数の荷電粒子ビームによって基板上へパターンの描画を行う露光装置を構成できる。光学系の熱変形が低減されているため光学収差の少ない正確なパターン描画を行うことができる。また、対向電極アレイのアレイ数と密度を大きくできるので、描画速度を向上しスループットの高い露光装置が実現できる。
【００２３】
以下、より具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
（実施例１）
図を用いて本発明の実施例１を説明する。図２は、本発明の荷電粒子光学系を用いた荷電粒子描画装置の構成を示す。ここでは、荷電粒子が電子である場合を説明する。荷電粒子描画装置はコントローラ１０１を有しており、図２に示す回路によって、荷電粒子光学系とステージを制御してウエハ上に所望のパターンを形成することができる。
【００２４】
電子源１０７から放射電子ビームが射出され、コリメータレンズ１０８によって平行ビームとなり、アパーチャアレイ１０９へと照射される。アパーチャアレイ１０９によって分割された複数の電子ビームは、レンズ制御回路１０５で制御される集束レンズアレイ１１０によって個別に集束され、対向電極アレイ１１１上に結像される。対向電極アレイ１１１は個別の対向電極を持ったデバイスである。対向電極アレイ１１１は、描画パターン発生回路１０２、ビットマップ変換回路１０３、ブランキング指令回路１０６によって生成されるブランキング信号に基づき、描画パターンに応じて個別にビームのＯＮ／ＯＦＦを行う。
【００２５】
ビームがＯＮの状態のときには、対向電極アレイ１１１の偏向電極には電圧を印加せず、ビームがＯＦＦの状態のときには、対向電極アレイ１１１の偏向電極に電圧を印加してマルチ電子ビームを偏向する。対向電極アレイ１１１によって偏向されたマルチ電子ビームは、後段にあるストップアパーチャアレイ１１２によって遮断され、ビームがＯＦＦの状態となる。ストップアパーチャアレイ１１２を通過した電子ビームは、静電偏向器１１３により偏向される。偏向器１１３は対向電極によって形成されており、ここでは、偏向方向について２段の偏向を行うため２つの静電偏向器が配置されている。これらの静電偏向器１１３は偏向器制御回路１０４の信号に従って駆動される。最後に、レンズ制御回路１０５によって駆動される対物レンズアレイ１１４により複数の電子ビームは、縮小されてウエハ１１５上に結像される。パターン描画中は、ウエハ１１５はステージ１１６によって連続的に移動する。そして、対向電極アレイ１１１によって描画パターンに応じてビームのＯＮ／ＯＦＦが個別になされる。これにより、ウエハ１１５面上に所望のパターンを高速に描画することができる。コントローラ１０１は全体の回路を制御する。
【００２６】
次に本実施例の対向電極アレイ１１１についてより詳細に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）及び図３（ａ）、（ｂ）は、本実施例の対向電極アレイ１１１を示す図である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線での断面図である。図１に示すように、対向電極アレイはシリコン基板１上に対向電極形成領域９と制御回路形成領域１０を有している。対向電極形成領域９は、対向電極を複数対有している。一方、制御回路形成領域１０には、ブランキング指令回路１０６が形成されている。図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１は第一の主面２とその反対側の面である第二の主面３を有している。第一の主面の制御回路形成領域１０にはブランキング指令回路１０６として制御回路４が形成されている。また、制御回路４の上には、多層配線層６とインターフェース部５が図示の通り形成されている。多層配線層６は、導電性の層間ビアを含む絶縁体膜と金属配線膜が交互に積層された構造を有している（各層は不図示）。多層配線層６によって、インターフェース部５と制御回路４、制御回路４と対向電極１１がそれぞれ電気的に結ばれている。多層配線層６は、導電性の材料として例えばアルミニウムや銅、絶縁体膜として酸化シリコンなどを用いることができる。本実施例では、導電性材料と絶縁膜としてそれぞれ銅と酸化シリコンを用いている。ビットマップ変換回路１０３からの信号は、インターフェース部５に光で導かれる。従って、インターフェース部は、光電変換を行うためのフォトダイオードを有している。このため制御回路４には、このフォトダイオードを駆動する駆動回路も含んでいる。
【００２７】
次に図３（ａ）（ｂ）を用いて対向電極形成領域９を詳しく説明する。図３（ａ）は対向電極形成領域９の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線での断面図である。対向電極形成領域９には、円形の破線で示した一対２個の対向電極１１と貫通孔１２を１つの素子とした荷電粒子光学素子１３が縦横４素子ずつ、合計１６素子配列されている。図３（ｂ）に示すように、対向電極１１Ａ、１１Ｂは、多層配線層６上に形成されている。対向電極１１Ａ、１１Ｂは共に金で形成されたバンプ構造となっている。また、対向電極１１Ａ、１１Ｂの間には貫通孔１２が形成される。貫通孔１２は、多層配線層１６及びシリコン基板１を貫通して形成される。そして、１６素子は縦横４本ずつの配線と結ばれ、それぞれの素子はスイッチ素子及びメモリ素子と結ばれており（不図示）、制御回路４によってアクティブマトリックス駆動を行い描画パターンに応じた電圧を印加することができる。１つの対向電極形成領域９に配列される荷電粒子光学素子１３の数は、図３では説明のため１６素子としたが、本実施例では２６個×２６個の６８０個程度形成されている。また、ＭＥＭＳ製造技術を用いれば、数千〜数万個の規模で形成することができる。
【００２８】
電極１１Ａはグランド電位に保たれており、電極１１Ｂにはグランド電位より高い電圧が印加される。電極１１Ｂに印加する電圧は、１〜２０Ｖ程度、より好ましくは１〜３Ｖ程度である。本実施例では２Ｖ程度を印加する。図３（ｂ）には電圧を印加した場合の荷電粒子ビーム（ここでは電子ビームを想定する）の軌道を実線Ｄとして示した。破線Ｃは電圧を印加しない場合の荷電粒子ビームの軌道である。この様に電極１１Ｂに電圧を印加すると荷電粒子ビームを偏向することができる。
【００２９】
荷電粒子光学素子１３は、図３（ａ）に示す対向電極が一対ないし一組の構成に限らない。それ以外にも、対向電極の対数ないし組数を増やすことが可能である。図４（ａ）、ｂ）は１つの荷電粒子光学素子１３を拡大した上面図である。図４（ａ）は、図３と同様の対向電極１１Ａ、１１Ｂが一対形成されている例である。一方、図４（ｂ）では、対向電極１１Ａ、１１Ｂと対向電極１１Ｃ、１１Ｄとして二対形成されている。この様に、１つの荷電粒子光学素子１３の中に複数組の対向電極を形成してもよい。また、図４（ｂ）の場合に、例えば対向電極１１Ａ、１１Ｂを或る電位Ａの同電位として、対向電極１１Ｃ、１１Ｄを電位Ａとは別の電位Ｂで同電位として動作するように、制御回路と配線を構成すれば、非点収差補正器として動作することもできる。そして、対向電極１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄを全て同電位とすればレンズとして作用させることができる。また、上記の電圧の足し合わせを行えば、偏向器・レンズ・非点収差補正器の機能の組み合わせとすることもできる。
【００３０】
本実施例の制御回路４は駆動中に発熱し対向電極アレイ全体を昇温する。また、対向電極形成領域９全体も、制御回路より発熱量は小さいものの、スイッチ素子や配線６を有するため発熱する。こうした構成において、基板１の第二の主面３は図１（ｂ）に示すようにホルダ基板８に荷電粒子ビーム（矢印αの方向に進む）が通過できるように固定されている。ホルダ基板８は、図示しない冷却手段を有しており、第二の主面３から熱をホルダ基板８へ排出することができる。冷却手段は、ホルダ基板８自体を熱伝導性の良い材料で形成したり、流路を形成して冷媒を流したりすることで実施できる。本実施例では、ホルダ基板８は、内部に流路が形成されており、水を冷媒として冷却を行うことができる。ホルダ基板８の部材も銅で形成される。
【００３１】
シリコン基板１は、熱伝導率がシリコンより高い金属が充填されたビア７を有している。特に本実施例では、充填材料として銅が埋め込まれている。ビア７は図１（ａ）（ｂ）に示すように柱状の構造を有しており、制御回路４の下側の領域と対向電極形成領域９に複数本密集して設置されている。そして制御回路４の熱を効果的に第二の主面３へ伝導することができる。上記柱状の断面形状は、図示例では円形であるが、その他、正方形、長方形、三角形等、どの様なものでもよい。ビア７の形成法も、孔を開けておいてそこに金属を電気メッキなどで充填する方法等、どの様なものでもよい。銅の熱伝導係数は３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、シリコン（１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ））に比べて２．６倍程度高い。従って、この部分の熱抵抗を半分以下にすることができる。この様に埋め込まれたビア７は、本実施例では、発熱量の大きい制御回路４と対向電極形成領域９の直下にだけ形成されている。この様に発熱量の大きい箇所の基板１の熱抵抗を下げることで、制御回路４や多層配線層６の昇温を低減することができる。
【００３２】
次に具体的な寸法例を説明する。シリコン基板１の厚さは３４０μｍである。また、多層配線層６の厚さは１０μｍとなっている。対向電極形成領域９は４ｍｍ×４ｍｍのエリアに形成されており、このエリアの中にピッチ１５０μｍで荷電粒子光学素子１３が２６個×２６個形成されている。貫通孔１２は、典型的には直径１０μ〜３０μｍ程度であり、本実施例では直径１５μｍである。対向電極１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ幅１０μｍ×長さ２０μｍ×高さ１５μｍで金バンプを利用して構成される。一方、制御回路４は、対向電極形成領域９と０．１ｍｍ離間して６ｍｍ×１．５ｍｍのエリアで形成されている。また、銅のビア７は、対向電極形成領域９の直下では、ピッチ１５０μｍ、直径１５０μｍで、荷電粒子光学素子１３の形成されていない領域に形成される。制御回路４の直下では直径３００μｍ、ピッチ１５０μｍで形成されている。いずれのビア７も第二の主面３から深さ１８０μｍの領域に形成されている。
【００３３】
こうした構成において、１つの制御回路４、対向電極形成領域９ではそれぞれ６Ｗ、２Ｗ程度の発熱が発生している。そして、第二の主面３とホルダ基板８は対向電極形成領域９では接着されず、それ以外の部分で熱的に良好な接続が得られるよう接着される。ホルダ基板８に搭載された冷却手段により、１００００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の熱伝達率で排熱される。従って、第一の主面２は第二の主面３よりも高温になっている。
【００３４】
このとき、ビア７を全て含まず基板１のみで駆動を行うと、発熱による熱変形によって、対向電極形成領域９の光軸方向の並進ずれは、図１（ｂ）矢印αの方向へ平均変位６２ｎｍである。一方、本実施例では、１３％程度低減することができ、５４ｎｍとなる。また対向電極形成領域９内の変形分布も１７ｎｍから１５ｎｍへ低減することができる。以上のように、本実施例では、ビア７を形成することによって、対向電極形成領域９の熱変形を低減することができる。従って、対向電極形成領域９に形成される複数の荷電粒子光学素子１３の位置精度が向上できるので、収差の少ない荷電光学素子とすることができる。また、荷電粒子光学系の中で、別の光学素子との位置関係も駆動前後での変化量が減ることとなるため、荷電粒子光学系全体の組み立てを簡略にすることができる。
【００３５】
また、本実施例で充填材料として用いた銅はシリコンより線膨張係数が５〜６倍高い。このことは以下のような効果を有している。制御回路４やインターフェース部５へ電気的に配線するための多層配線層６は、酸化シリコン膜と銅が交互に積層された構造を有している。従って、シリコンより線膨張係数が高い。そして、多層配線層６は、自身が発熱するとともに制御回路４に近接しているので昇温する。このような状況で、第一の主面２側は多層配線層６の伸びによる応力を受ける。そのため、本実施例のようにビア７の銅の埋め込み深さを、シリコン基板を貫通するのではなく、途中で止めることによって、第二の主面３側の伸びを大きくし多層配線層６による熱応力の変形への影響を低減することができる。また、シリコン基板１とビア７を電気的に接続した構成とすることもできる。その場合、シリコン基板１の電位を規定する給電手段としてビア７を用いることができる。これにより、基板１への特別な給電用のパッド等を設けることなく、シリコン基板１が高抵抗の場合でも電位分布を低減して電位規定を行うことができる。
【００３６】
本実施例の対向電極アレイの製造方法は以下の通りである。一般的な半導体製造技術を用いてシリコン基板上に制御回路４と多層配線層６を形成した後、フォトダイオードを実装する。その後、貫通孔１２をＭＥＭＳ製造技術で作製し、貫通孔１２を埋め戻して平坦化する。そして、第二の主面３側からビア７用の孔をＭＥＭＳ製造技術で形成し、電気メッキで銅のビア７を形成する。その後、第一の主面２側から電気めっきで金のバンプを形成し、対向電極１１Ａ、１１Ｂとする。最後に、貫通孔１２の埋め戻し材料を除去して、対向電極アレイを形成することができる。この様に、本実施例の対向電極アレイは、半導体製造技術とＭＥＭＳ製造技術を組み合わせることで形成できるため、高密度で大規模な対向電極アレイを精度良く形成することができる。
【００３７】
（実施例２）
図５（ａ）、（ｂ）を用いて、本発明の実施例２を説明する。尚、実施例１と同じ機能を有する個所には、同じ記号を付し説明を簡略化し、同じ効果についても説明を簡略化ないし省略する。実施例１と本実施例では、シリコン基板１の対向電極形成領域９の厚さが異なっている。本実施例では、この領域の厚さがその領域以外の領域の厚さより薄い構成となっている。図５（ａ）は本実施例の対向電極アレイの上面図、（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ’線での断面図である。図５（ｂ）の破線で示した対向電極形成領域９はその他の領域より薄くなっている。また、実施例１とは異なり、ビア７は対向電極形成領域９には形成されていない。
【００３８】
次に具体的な寸法例を説明する。シリコン基板１の対向電極形成領域９の厚さは４０μｍとなっている。その他の厚さは３４０μｍである。貫通孔１２の直径は典型的には０．５μｍ〜２０μｍであり、本実施例では１．５μｍである。シリコンへの深堀ドライエッチングの加工特性により、アスペクト比の高い貫通孔の加工は、その直径や中心軸の傾きを制御するのが難しくなる。このような誤差が生じると、荷電粒子ビームを遮断してしまう恐れがある。また、貫通孔の直径が誤差により大きくなると、近接して配置されている対向電極まで貫通孔が到達して対向電極を破損させてしまう恐れもある。そのため、加工のマージンを見越して、荷電粒子ビームに対する孔径を大きくし、孔径に対して対向電極のギャップを大きくする必要が生じてしまう。本実施例では、目標とする貫通孔の直径に応じて、基板１を薄化する量を選択することにより、サブミクロンオーダの直径の貫通孔を対向電極の間に形成することもできる。更に、貫通孔１２のピッチも微細化することができ、荷電粒子光学素子１３を高密度に配置できる。
【００３９】
また、ビア７は、制御回路４の直下において、直径３００μｍ、ピッチ１５０μｍで形成されている。そして、いずれのビア７も第二の主面３から深さ２４０μｍの領域に形成されている。また、本実施例では、制御回路４のみ６Ｗで発熱が生じている。その他の寸法・排熱量は実施例１と同じである。
【００４０】
シリコン基板１は、第一の主面２から第二の主面３に向かって温度勾配を有しており第一の主面側に大きな熱応力が生じる。更に、多層配線層６はシリコンより大きな線膨張係数を有しているため、この効果を増大させる。そして、対向電極形成領域９は第一の主面２側に薄く膜状に形成されているため、上記のような昇温と厚み方向への温度勾配の効果によって、図５（ｂ）の矢印β方向へ並進変位を生じることとなる。このとき、対向電極形成領域９の上面のこの方向（Ｚ方向）変位を図６に示す。図６は、中空のプロットがビア７を含まずシリコン基板１のみの場合、中実のプロットが本実施例の場合を示している。横軸は、図５（ａ）に示す線分Ｏ−Ｘの位置を示している。図示の通りビア７を形成しない場合は、最大変位が０．１５μｍである。一方、本実施例の場合は、最大変位が０．０８μｍとなり、最大変位を低減することができる。また、全体の幅が４ｍｍである対向電極形成領域９の８割程度を実際に利用する領域とすると、図６の線Ｐ、線Ｑに示す差が重要な変位分布となる。従来技術の変位分布は８０ｎｍ程度、本実施例の変位分布は１５ｎｍ程度であり、変位分布もビア７により低減可能であることが分かる。
【００４１】
以上のように、基板１の対向電極形成領域９のみ薄化した場合においても、ビア７を形成することにより効果的に制御回路４の発熱による変形を低減することができる。また、本実施例では、対向電極形成領域９にはビア７を形成する必要がないため、対向電極アレイを非常に高密度に形成することができる。そして、対向電極形成領域９に充填材料が形成されないため、充填材料の残留応力に起因する変形を無くすことができる。
【００４２】
（実施例３）
図７（ａ）、（ｂ）を用いて、本発明の実施例３を説明する。尚、実施例１、２と同じ機能を有する個所には、同じ記号を付し説明を簡略化し、同じ効果についても説明を簡略化ないし省略する。本実施例は、対向電極アレイと開口アレイの２つのデバイスをホルダ基板８に組み立てした一体のユニットである点が先の実施例とは異なっている。
【００４３】
図７（ａ）は本実施例のユニットの断面図を示している。破線Ｒで囲った部分は、実施例２の対向電極アレイが第二の主面３を図示の通りの向きとして第二の基板１６の第三の主面１４と接合している。本実施例では、第二の主面３と第三の主面１４は、熱伝導性の良好な接着剤を用いて接着している。図７（ｂ）は、図７（ａ）の矢印γの方向からみた上面図である。図示のように第二のシリコン基板１６には開口１８が対向電極と対応する位置に形成されている。荷電粒子ビームは矢印γの方向から入射し、開口１８により所望の形状に成形されて、対向電極へ入射する。開口１８とシリコン基板１の貫通孔１２は、中心軸をアライメントして設置される。シリコン基板１と第二のシリコン基板１６を、本実施例のように別の部材を介しないで接合することにより、２つの基板のアライメントを良好にすることができる。加えて、ウエハレベルで接合して最後にデバイスサイズに切断することにより、高精度にアライメントされたユニットを安価に製造できる。
【００４４】
第二のシリコン基板１６は、開口１８が形成される領域が薄くなっている。従って、実施例２の貫通孔１２と同様に、微小な直径・ピッチの孔加工を精度良く行うことができる。一方、それ以外の部分の厚さは厚くなっており、第二のシリコン基板１６全体の剛性を高く保っている。このような構造とすることによって、微小な直径・ピッチの開口アレイを形成しても、製造工程で第二のシリコン基板１６が破損したり、外部からの応力によって変形したりするのを防ぐことができる。そして、薄くなっていない部分は、第四の主面１５でホルダ基板８に熱的に良好な接続を有するように固定されている。先の実施例で説明したように、ホルダ基板８に搭載された冷却手段によって、第四の主面１５から熱を外部へ排出することができる。
【００４５】
第二のシリコン基板１６は、図７（ａ）に示すように第三の主面１４から第四の主面１５へ貫通するように第二のビア１７を有している。第二のビア１７は、対向電極アレイに形成されたビア７と熱的に良好に接続できるように、図示のようにビア７と対応する位置に形成されている。第二のビア１７の第二の充填材料は、ビア７と同様に銅、タングステンなどの金属を用いることができる。本実施例では充填材料は銅である。第一の主面２側に形成されている制御回路４、インターフェース部５、多層配線層６からの熱は第二の主面３を通して対向電極アレイから排出される。続いて、第二の主面３と第三の主面１４は熱的に良好に接続されているので、第三の主面１４から第四の主面１５へ熱が伝導し、ホルダ基板８へ排出される。このとき、ビア７と第二のビア１７によって、シリコン基板１と第二のシリコン基板１６の厚さ方向の熱抵抗が低減されているため、第一の主面２からの熱を効果的に排出することができる。そして、第一の主面２の昇温を低減することができる。この様に、シリコン基板１と第二のシリコン基板１６を接合した構造を、ビア７と第二のビア１７により良好に冷却できる。
【００４６】
また、シリコン基板１とビア７、第二のシリコン基板１６と第二のビア１７を電気的に接続した構成とすることもできる。その場合、シリコン基板１と第二のシリコン基板１６の電位を規定する給電手段としてビア７と第二のビア１７を用いることができる。基板への特別な給電用のパッド等を設けることなく、シリコンが高抵抗の場合でも電位分布を低減して電位規定を行うことができる。
【符号の説明】
【００４７】
１・・シリコン基板（第一の基板）、２・・第一の主面、３・・第二の主面、４・・制御回路、７・・ビア（第一の充填材料の領域）、１１Ａ、１１Ｂ・・対向電極、１２・・貫通孔、１４・・第三の主面、１５・・第四の主面、１６・・第二のシリコン基板（第二の基板）、１７・・第二のビア（第二の充填材料の領域）、１８・・開口
【図１】
2013165199.tif 000003
【図２】
2013165199.tif 000004
【図３】
2013165199.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013165199.tif 000007
【図６】
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【図７】
2013165199.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成24年2月14日(2012.2.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
半導体デバイスの生産において、電子ビーム露光技術は、０.１μｍ以下の微細パターン露光を可能とするリソグラフィの有力候補である。こうした露光装置では、電子ビームの光学特性を制御するための荷電粒子光学素子が用いられる。電子ビーム露光技術において、マスクを用いずに複数本の電子ビームで同時にパターンを描画するマルチビームシステムの提案がなされている。マルチビームシステムでは荷電粒子光学素子を１次元または２次元のアレイ状に配列した荷電粒子光学素子が用いられる。このような荷電粒子光学素子アレイは、偏向電極や多極子レンズをマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）製造技術で形成し、１素子を小型化、高密度配置し大規模なアレイを作製することができる。更に、偏向電極が形成された基板と同一の基板に制御回路も集積化し、高速化・大規模アレイ化を可能とできる。（特許文献１、非特許文献１参照）また、ＭＥＭＳ製造技術を用いて、偏向電極と同様の対向した電極構造を用いて非点収差補正器を小型化することもできる。（非特許文献１参照）
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
こうした荷電粒子光学素子アレイでは、１素子の小型化・高密度配置化に伴い光学素子アレイ間のアライメントに、より高い精度が求められたり、描画パターンの微細化に伴い、より小さい光学収差が求められたりする。そのため、熱変形が小さい荷電粒子光学素子アレイを実現することが重要である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
荷電粒子光学素子アレイと制御回路が同一基板に集積化されたデバイスでは、制御回路の発熱が基板上の荷電粒子光学素子アレイを熱変形させてしまうという懸念があった。特に、制御回路は、制御信号をデバイスへ入力するためのフォトダイオード等の光インターフェース部、若しくは金属バンプや金属パッド等の電気インターフェース部も基板の同一面側に有している。そのため、この面側では、冷却の排熱エリアを大きくすることが容易とは言い難い。従って、熱変形を十分に低減できないことがあるという課題がある。一方、この面の反対側の裏面から冷却することが考えられる。この場合、基板の熱抵抗のため、十分に排熱できなかったり、基板の厚さ方向に温度勾配が生じ曲げ応力が発生したりすることがあり得る。そのため、この場合も、熱変形を十分に低減できないことがあるという課題がある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、対向電極アレイは、上記対向電極・制御回路・インターフェース部が形成される面（第一の主面）の反対側の面（第二の主面）に、熱をデバイス外部へ放出するための排熱面を有している。ここでは、荷電粒子ビームの光軸を法線とし、第一の基板の対向電極が形成されている面を第一の主面とし、第一の主面の反対側の面を第二の主面とし、第一の主面から第二の主面への方向の寸法を厚さとしている。この排熱面には、冷却手段が熱的に接触して、熱を排出することができる。冷却手段には、熱を系の外部へ輸送可能な手段、例えば、ヒートシンク、冷媒を用いた冷却素子、ペルチェ素子、ヒートパイプ等を用いられる。また、上記排熱面に、加熱手段を有していてもよい。この様にして、冷却手段を第二の主面側に設置すると、第一の主面に冷却手段を置く場合と比べ、制御信号のインターフェース部と対向電極の形成エリアを大きくできる。つまり、同じデバイスサイズで、対向電極アレイのアレイ数を大きくすることができる。従って、より安価にデバイスを製造可能となる。