荷電粒子ビーム装置
【課題】本発明は可変成形形電子ビーム描画装置に関して、第１の成形開口板３（又は絞り）上の電流密度分布を均一にするために、球面収差係数を減少させる手法とは異なる方法により球面収差起因の電流密度むらを解消することを目的としている。
【解決手段】
荷電粒子源、照明レンズ群、絞り、投影レンズ群、及び材料面の順にこれらが配置され、前記荷電粒子源から出射される荷電粒子ビームが前記照明レンズ群を介 して前記絞り上に照射され、更に投影レンズにより前記絞りの像が材料面上に結像される状態で絞りを通過したビームが材料上に照射される荷電粒子ビーム装置 において、前記照明レンズ群は、前記荷電粒子源の像が前記絞り上に結像しないように配置され、かつ前記照明レンズ群のうちの一つのレンズが、前記絞りの位置と光学的に共役関係にある位置に配置されて構成される。
【解決手段】
荷電粒子源、照明レンズ群、絞り、投影レンズ群、及び材料面の順にこれらが配置され、前記荷電粒子源から出射される荷電粒子ビームが前記照明レンズ群を介 して前記絞り上に照射され、更に投影レンズにより前記絞りの像が材料面上に結像される状態で絞りを通過したビームが材料上に照射される荷電粒子ビーム装置 において、前記照明レンズ群は、前記荷電粒子源の像が前記絞り上に結像しないように配置され、かつ前記照明レンズ群のうちの一つのレンズが、前記絞りの位置と光学的に共役関係にある位置に配置されて構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷電粒子ビーム装置に関し、更に詳しくは球面収差に起因する電流密度むらの低減を図った荷電粒子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子ビーム装置は、電子ビーム等の荷電粒子ビームを用いた装置である。例えば、電子顕微鏡や電子ビーム描画装置等は代表的な荷電粒子ビーム装置である。
【０００３】
図７は荷電粒子ビーム装置として、現在一般に用いられている可変成形電子ビーム描画装置の従来例（光学系）を示す図である。図において、電子ビーム１の行路は真空に保たれている。
【０００４】
先ず図７に示すように、光源４から出射された電子ビーム１が照射レンズ２を介して第１の成形開口板３に照射される。光源４としては、一般的にはＬａＢ6エミッタを備えた熱電子放出型電子銃が用いられる。光源４の像５は第１の成形開口板３の下に結ばれる。次いで、第１の成形開口板（又は絞りと称す）３の像が成形レンズ６に より第２の成形開口板７上に投影され、第１の成形開口板３の開口の像と第２の成形開口板７の開口との重なり（論理積）で決定される図形が、縮小レンズ８と 対物レンズ９を介して、レジスト（感光材料）を塗布した材料１０に投影される。
【０００５】
その結果、レジストが感光する。即ち、投影図形１１が材料１０に転写される。従って、投影図形１１の形状と寸法及び位置を制御することで、材料１０に所 望のパターンを描画することができる。パターン描画後、材料１０を現像すると、レジストの型により、感光部或いは非感光部が溶解し、材料１０上に所望のパ ターンが現れる。
【０００６】
投影図形１１の形状と寸法を制御するには、成形偏向器１２を用いる。成形偏向器１２により電子ビーム１を偏向し、第１の成形開口板３の開口の像を第２の 成形開口板７の開口に対して移動させる。投影図形１１の位置を制御するには、対物偏向器１３と材料ステージ１４を併用する。対物偏向器１３の偏向可能領域 （偏向フィールド）には制限があるため、先ず材料ステージ１４によりステップの大きな位置決めを行い、そのうえで対物偏向器１３よりステップの小さな位 置決めを行う。なお、成形偏向器１２及び対物偏向器１３としては、偏向速度を速くするため、静電偏向器が用いられる。
【０００７】
投影図形１１が常時材料１０に投影されていては一筆書きの図形しか描画できないため、一般の図形の描画には、電子ビーム１の遮断制御（ブランキング）が 必要となる。図７の光学系では、ブランカー１５によりこの遮断制御を行っている。より詳細には、先ずブランカー１５を働かせ、電子ビーム１をブランキン グ開口板１６で遮断してから、成形偏向器１２と対物偏向器１３を働かせ、投影図形１１の形状と寸法及び位置を決定した後に、ブランカー１５による電子ビー ム１の遮断を解除し、投影図形１１を材料１０上に投影する。そして、所定の時間だけ露光を行うと、再び電子ビーム１を遮断する。この所定の時間分の露光 は、通常「ショット」と呼ばれる。
【０００８】
材料１０の現像後に得られるレジストパターンの寸法精度を維持し、更には向上させるには、第１の成形開口板３上の電流密度分布をできるだけ均一にすることが重要である。第１の成形開口板３上の電流密度分布は、材料１０上における電流密度分布に直接反映されるから、第１の成形開口板３上の電流密度にむらが あると、それは投影図形１１内の電流密度のむら、即ち露光量の部分的な過不足となり、レジストパターンの寸法誤差として表れる。
第１の成形開口板３上の電流密度均一性を向上させるには、図７に示すように、像５の位置を第１の成形開口板３の位置から離せばよい。理想的には、像５の 結像位置は無限遠方とするのがよい。そのためには、図８及び図９に示すように、光源４を、或いは別に設けられた第１のレンズ１７により結ばれる像４’を、照射レ ンズ２の物側焦点面に位置させる。この時、第１の成形開口板３に入射する電子ビーム１は平行ビームとなる。
【０００９】
このように像５（図８及び図９には図示せず）の結像位置を無限遠方とすると、若し光源４及び像５の電流密度にむらがあっても、そのむらは第１の成形開口 板３上の電流密度分布には反映されなくなる。この種の照明は一般にケーラー照明と呼ばれる。ただし、ケーラー照明に基づく光学系には、通常被照射面（図８ 及び図９においては第１の成形開口板３）の位置と光学的に共役の関係にある位置に視野絞りを挿入するが、図８及び図９の光学系には、挿入していない。ここで光学的に共役とは２つの面が互いに物面と像面の関係にあることをいう。また、第１の成形開口板３上の電流密度均一性が十分良い限り、像５の結像位置は必ずしも無限遠方とする必要はない。
【００１０】
しかしながら、このように像５を第１の成形開口板３の位置から離すだけでは、第１の成形開口板３上における電流密度均一性が十分に高くなるとは限らな い。これは図８の照射レンズ２或いは図９の第１のレンズ１７に関する球面収差のためである。球面収差は光線の開き角の３乗に比例して大きくなる収差である。 必要なビーム電流が大きいと、必要な開き角が大きくなり、その結果、球面収差が大きくなる。
電流密度均一性が球面収差により悪化するのは、球面収差の非線形性のため、光線間の間隔が変化することによる。電流密度は、光線間の間隔が小さくなると 高くなり、同間隔が大きくなると低くなる。これを図１０を用いて説明すると、次のようになる。ただし、簡単のために、球面収差以外には電流密度むらの原因 はないものとする。
【００１１】
光源４において、即ち物面において中心軸（Ｚ軸）に対する傾きｕ0'がΔｕ0' の整数倍となっている光線群を図１０に示す。このような光線群は、球面収差のない限り図１０に示すように、照射レンズ２の通過前後に関わらず、中心軸の周りに同心円状に等間隔を隔てて並ぶ（実線）。そして、第１の成形開口板３においても、光線間の間隔は等間隔となる。しかしながら、実際には球面収差が存在 するから、同光線群は球面収差の分だけ軌道を変える（破線）。
【００１２】
そして、球面収差の非線形性のために、中心軸から見て外側にある光線ほど、非線形的に大きな軌道の変化を示す。その結果、図１０から分かるように、第１の成形開口板３における光線間の間隔は等間隔ではなくなり、中心軸からの距離と共に狭くなる。即ち、第１の成形開口板３における電流密度は、中心軸からの距離と共に高くなる。
【００１３】
光源４として電界放出型電子銃或いはショットキー型電子銃（熱電界放出型電子銃とも呼ばれる）を用いると、電子を大きく発散する性質から、開き角ｕ0’が大きくなり、球面収差が大きくなる。これらの電子銃は、高い輝度が得られる電子銃として、電子顕微鏡やスポット電子ビーム描画装置に用いられる有用な電子銃である。
【００１４】
これらの電子銃を可変成形電子ビーム描画装置に適用すれば、電流密度の高いビームが得られる。材料１０上における電流密度が高くなればショット時間が短縮され、描画スループットが向上するため、同電流密度の向上は、可変成形電子ビーム描画装置の開発における重要な課題である。現時点ではこれらの電子銃を 用いた可変成形電子ビーム描画装置は実用化されていないが、球面収差起因の電流密度むらが低減されれば、その実用化を促進することができる。
【００１５】
球面収差を低減する手法は、これまでにいくつか知られている。これらの手法は、主に電子顕微鏡やスポット電子ビーム描画装置においてスポットビームの径を小さくする、つまり像面における球面収差を小さくすることを目的としているが、同手法を可変成形電子ビーム描画装置の照明光学系に適用し、その球面収差 係数を小さくすれば、球面収差起因の電流密度むらが低減される。
【００１６】
像面における球面収差、及び物面における球面収差は、球面収差係数を用いて、それぞれ
ｄＵi＝ｍＣcｕ0’3 （１）
ｄＵ0＝ｄＵi／ｍ＝Ｃcｕ0’3 （２）
と表される。ここで、ｍは倍率、Ｃcは物側球面収差係数、ｕ0’は物面における光線の傾きである。物面における球面収差とは、像面における球面収差の、物面への写像である。（２）式より、球面収差係数Ｃcは、ｕ0’を１とした場合の、物面における球面収差と捉えることができる。従って、球面収差係数Ｃcは、倍率ｍによらずレンズの性能を示す指標として有用である。
（１）式及び（２）式におけるｕ0’の最大値即ち開き角は、次の関係から決定される。
ｕ0’max＝（Ｉ／ΠＪΩ）１／２ （３）
ここで、Ｉは必要なビーム電流、ＪΩは物面における角電流密度である。ビーム電流Ｉは、材料１０（図７参照）上における電流密度と、投影図形１１の外接円の面積との積とすればよい。（３）式から分かるように、ｕ0’maxは、照射レンズ２或いは第１のレンズ１７（図９参照）の倍率や収差係数には依存しない。つまり、Ｉ及びＪΩが一定である限り、ｕ0’maxは一定であるから球面収差を小さくするには、球面収差係数Ｃcを小さくする必要がある。
【００１７】
球面収差係数Ｃcをできるだけ小さくするには、初段レンズ、即ち図８の照射レンズ２或いは図９の第１のレンズ１７をできるだけ光源４の近くに置き、早い段階で電子ビーム１を集束するとよい。これは、図１１に示すように、照射レンズ２（或いは第１のレンズ１７）のＺ座標をｚ1からｚ2に変え、同レンズを光源４に近付けることにより、レンズ主面におけるｈ（ｚ）軌道の高さ（Ｚ軸からの距離）がｈ（ｚ1）からｈ（ｚ2）に減少するからである。ここで、ｈ（ｚ）軌道とは、光源４の位置する面を物面、光軸をＺ軸とすると、物面Ｚ＝Ｚ0において、ｈ（ｚ0）＝０、かつｈ’（ｚ0）＝ｄｈ（ｚ0）／ｄｚ＝１（つまりｕ0’＝１）となる近軸軌道である。
【００１８】
レンズ場の非線形成分はＺ軸からの距離と共に大きくなるから、ｈ（ｚ1）又はｈ（ｚ2）の値が小さいことは、光線がレンズ場の非線形成分の小さな領域を通過することに相当する。球面収差係数はレンズ場の非線形成分に由来しているため、ｈ（ｚ1）或いはｈ（ｚ2）の値を小さくすれば球面収差係数Ｃcも小さくなる。
【００１９】
初段レンズをできるだけ光源４に近づけるには、簡単には初段レンズを静電レンズとすればよい。静電レンズはコイルを必要とせず、電極のみで構成できるため、真空への特別な配慮なしに容易に真空中に設置することができる。これとは別に、初段レンズを磁界レンズとする方法も知られている（例えば特許文献１参照）。その場合、レンズコイルは大気中に置かれ、非磁性材料を介して、レンズ磁場が光源近くに局所的に印加される。また、磁界レンズとして永久磁石を真空 中に設ける手法も知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特許第４１４６１０３号公報（段落００２２〜００２３、図１）
【特許文献２】ＵＳ２００７／００５７６１７−Ａ１号公報（段落００１９〜００２０、図１）
【特許文献３】特開２０１０−２１４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
前述した手法により球面収差係数を小さくすることは原理的には可能であるが、実際にはその改善の程度は技術的困難による制限を受ける。先ず、初段レンズを静電レンズとした場合は、それを引出電極（電界放射型電子銃或いはショットキー型電子銃においてエミッタの直後に設けられる）より光源４側に寄せること はできない。初段レンズを磁界レンズとした場合は、高真空及び高電圧に配慮しつつ局所的な磁界を光源４付近に印加することが難しい。また、永久磁石を真空 中に設ける場合は、永久磁石からの脱ガスが問題となる。
【００２２】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は球面収差係数を減少させることとは別の手法により球面収差起因の電流密度むらを解消することである。そして、これにより、可変成形電子ビーム描画装置において、電界放出型電子銃又はショットキー型電子銃を用いつつ、電流密度均一性の高い ビームを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記の問題を解決するために、本発明は以下のような構成をとっている。
【００２４】
（１）請求項１記載の発明は、荷電粒子源、照明レンズ群、絞り、投影レンズ群、及び材料面の順にこれらが配置され、前記荷電粒子源から出射される荷電粒 子ビームが前記照明レンズ群を介して前記絞り上に照射され、更に投影レンズにより前記絞りの像が材料面上に結像される状態で絞りを通過したビームが材料上 に照射される荷電粒子ビーム装置において、前記照明レンズ群は、前記荷電粒子源の像が前記絞り上に結像しないように配置され、かつ前記照明レンズ群のうち の一つのレンズが、前記絞りの位置と光学的に共役関係にある位置に配置されることを特徴とする。
【００２５】
（２）請求項２記載の発明は、前記絞りの位置と光学的に共役関係にある位置に配置されたレンズは、前記照明レンズ群の前記荷電粒子源に最も近いレンズであることを特徴とする。
【００２６】
（３）請求項３記載の発明は、荷電粒子源、照明レンズ群、絞り、投影レンズ群及び材料面の順にこれらが配置され、前記荷電粒子源から出射される荷電粒子ビームが前記照明レンズ群を介して前記絞り上に照射され、更に投影レンズ群により前記絞りの像が材料面上に結像される状態で絞りを通過したビームが材料上に照射される荷電粒子ビーム装置において、前記照明レンズ群は、前記荷電粒子源の像が前記絞り上に結像しないように配置され、かつ前記照明レンズ群の位置及び強度は、前記荷電粒子源の位置する面を物面、光軸をＺ軸とし、該物面の位置ｚ＝ｚ0で、前記物面において前記光軸と交わる点を起点とし、
ｈ（ｚ0）＝０かつｈ’（ｚ0）＝ｄｈ（ｚ0）／ｄｚ＝１
となる近軸軌道ｈ（ｚ）からのずれを表わす球面収差軌道をｓ（ｚ）とした時、
前記絞りの位置ｚ＝ｚaで、
ｓ（ｚa）＝０
を満足するように設定されることを特徴とする。
【００２７】
（４）請求項４記載の発明は、前記荷電粒子源の像が、前記照明レンズ群の絞り側に最も近いレンズの物側焦点面の位置に結像されることを特徴とする。
【００２８】
（５）請求項５記載の発明は、前記照明レンズ群の前記荷電粒子源に最も近いレンズ群は、静電レンズであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の荷電粒子ビーム描画装置用の照明光学系は、第１の成形開口板の位置における球面収差軌道の高さ、即ち、Ｚ軸からの隔たりを無くすことで、球面収差起因の電流密度むらを解消することができる。
【００３０】
また、本発明の荷電粒子ビームの裾部のビームを遮蔽する制限絞りを設けた荷電粒子ビーム描画装置用の照明光学系は、ビームブランキング時の漏れビームを抑制することができ、かつ球面収差起因の電流密度むらを解消することができる。
【００３１】
また、本発明の散乱電子を遮蔽する制限絞りを設けた荷電粒子ビーム描画装置用の照明光学系は、光源の電極からの散乱電子に由来する収差を除去することができ、かつ球面収差起因の電流密度むらを解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１となるの照明光学系の構成例を示す図である。
【図２】図１の構成例におけるｈ（ｚ）及びｓ（ｚ）軌道を示す図である。
【図３】図１の構成例におけるｕ（ｚ，ｕ0’）の軌道を示す図である。
【図４】本発明の実施例２となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施例３となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図６】図５の構成例におけるｈ（ｚ）及びｓ（ｚ）軌道を示す図である。
【図７】可変成形電子ビーム描画装置の従来例を示す図である。
【図８】第１の成形開口板３を照明する光学系の構成例を示す図である。
【図９】第１の成形開口板３を照明する光学系の構成例を示す図である。
【図１０】光線間の間隔が変化する様子を示す図である。
【図１１】レンズ主面におけるｈ（ｚ）軌道の高さｈ（ｚ１）及びｈ（ｚ２）を示す図である。
【図１２】ビームブランキングの様子を示す図である。
【図１３】ブランキング開口板１６における光源の像５０の電流密度分布を示す図である。
【図１４】本発明の実施例５となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図１５】光源の詳細構成例を示す図である。
【図１６】図１４の構成例におけるｈ（ｚ）、ｋ（ｚ）及びｓ（ｚ）軌道を示す図である。
【図１７】図１４の構成例におけるｈ（ｚ）、ｋ（ｚ）、及び｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）｜をｚに対して表したグラフである。
【図１８】第１の成形開口３板付近の構成を示す図である。
【図１９】漏れビーム（光源裾に由来するビーム）を遮蔽する様子を示す図である。
【図２０】本発明の実施例６となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図２１】図２０の構成例におけるｈ（ｚ）、ｋ（ｚ）及びｓ（ｚ）軌道を示す図である。
【図２２】引出電極に由来する散乱電子の軌道と虚光源２４を示す図である。
【図２３】本発明の実施例８となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図２４】散乱電子の遮蔽原理を説明する図である。
【図２５】射出瞳の位置を説明する図である。
【図２６】散乱電子が遮蔽されない様子を説明する図である。
【図２７】（２０）式の左辺Ｓ１と同式の右辺Ｓ２を示すグラフである。
【図２８】散乱電子を遮蔽する様子を示す図である。
【図２９】本発明の実施例９となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図３０】本発明の実施例１０における散乱電子制限開口板３０の開口径を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。本発明の構成は、照明光学系、即ち光源４から光源の像５までの構成を除き図７の構成と同じである。従って、図７と同一のものは、同一の符号を付して示す。
［実施例１］
本発明で提案する荷電粒子ビーム装置用の照明光学系、つまり光源４から第１の成形開口板３までを図１に示す。図１に示すように、同照明光学系は、光源 ４、第１のレンズ１７、第２のレンズ１８、照射レンズ２とからなる照明レンズ群、第１の成形開口板３及びブランカー１５から構成される。尚、光源４を構成する電子銃は、ショットキー型電子銃である。
【００３４】
なお、第１のレンズ１７は静電レンズ、第２のレンズ１８及び第３のレンズ２は磁界レンズである。第１のレンズ１７を静電レンズとするのは、前述したように、真空中への設置が容易なためである。但し、第１のレンズ１７を磁界レンズとしてもよい。
このように構成された装置の動作を説明するために、以下に第１の成形開口板３における電流密度分布が均一となる条件、即ち光線間の間隔が均一となる条件を導く。但し、簡単のために球面収差以外には、電流密度むらの原因は存在しないものとする。
【００３５】
先ず、第１の成形開口板３における光線の軌道を数式で表す。光源における光線の傾きｕ0'を用いれば、上述の近軸軌道ｈ（ｚ）即ち物面において光軸と交わる点を起点とし、Ｚ軸に対する傾きが１（ｈ’（ｚ0）＝１）である近軸軌道と、上述の球面収差軌道ｓ（ｚ）即ち近軸軌道ｈ（ｚ）からのずれを表わす収差軌道とを合成した軌道は、
ｕ（ｚ，ｕ0’）＝ｕ0’ｈ（ｚ）＋ｕ0’3ｓ（ｚ） （４）
と表せる。第１の成形開口板３の位置ｚ＝ｚaにおいては、（４）式は、
ｕ（ｚa，ｕ0’）＝ｕ0'ｈ（ｚa）＋ｕ0’3ｓ（ｚa） （５）
となる。
【００３６】
図１の光学系におけるｈ（ｚ）軌道及びｓ（ｚ）軌道を図２に、（４）式のｕ（ｚ，ｕ0'）軌道を図３に示す。像面のＺ座標（像４’或いは像５のＺ座標）をｚi、倍率をｍとすれば、ｓ（ｚi）＝ｍＣcである。
【００３７】
次に、ｚ＝ｚaにおける光線間の間隔
Δｕ（ｚa，ｕ0’）＝ｕ（ｚa，ｕ0’＋Δｕ0’）−ｕ（ｚa，ｕ0’）
のｕ0’への依存性を調べる。そのため、ｕ（ｚa，ｕ0’）の偏導関数
【００３８】
【数１】
【００３９】
を導く。これを用いれば、
【００４０】
【数２】
【００４１】
と表せる。
【００４２】
Δｕ（ｚa，ｕ0’）がｕ0'に依存することは、ｚ＝ｚaにおいて光線間の間隔が等間隔ではなく、電流密度むらがあることに相当する。逆に言えば、ｚ＝ｚaにおいて電流密度むらを小さくするには、Δｕ（ｚa，ｕ0’）がｕ0’に依存しないようにすればよい。そのためには、（６）式から分かるように、ｓ（ｚa）を小さくすればよい。
【００４３】
そこで、ｓ（ｚa）＝０となるように球面収差軌道ｓ（ｚ）を決定すれば、（５）式は
ｕ（ｚa，ｕ0’）＝ｕ0’ｈ（ｚa） （７）
となり、（６）式は
Δｕ（ｚa，ｕ0’）＝ｈ（ｚa）Δｕ0’ （８）
となる。この時、Δｕ（ｚa，ｕ0’）はｕ0'に依存しないから、ｚ＝ｚaにおいて電流密度は均一である。即ち、球面収差起因の電流密度むらは第１の成形開口板３上には現れない。そして、第１の成形開口板３と光学的に共役の関係にある面、即ち第２の成形開口板７及び材料１０（図７参照）上にも、球面収差
起因の電流密度むらは現れない。
【００４４】
像面ｚ＝ｚi（像４’或いは像５）においてｓ（ｚi）＝０となることはない、即ち、Ｃc＝ｓ（ｚi）／ｍ＝０となることはないが、第１の成形開口板３の位置ｚ＝ｚaにおいて、ｓ（ｚa）＝０となる条件は存在する。ｓ（ｚa）＝０とするには、第１のレンズの主面と、第１の成形開口板３とを互いに光学的に共役な位置に配置するべく、各レンズの位置と強度を決定するとよい。図１の光学系はそのように構成されている。
【００４５】
このような構成のもとで、第１のレンズ１７は十分に薄く、同レンズに関する球面収差は同レンズの主面で発生すると仮定し、更に第２のレンズ１８及び第 ３のレンズ２により生じる球面収差は十分に小さいと仮定すれば、図２から分かるように、球面収差軌道ｓ（ｚ）は第１のレンズの位置から大きくなり、その 後、第２のレンズ１８及び第３のレンズ２により集束され、ｚ＝ｚaにおいてｓ（ｚa）＝０となる。
【００４６】
一方、近軸軌道ｈ（ｚ）は、前記構成において、図２から分かるように、第２のレンズ１８と第３のレンズ２との間においてＺ軸と交わる。そのＺ座標は、図１における像４’の位置に相当する。
【００４７】
実際には、第１のレンズ１７には厚さがあり、かつ第２のレンズ１８及び第３のレンズ２により生じる球面収差は零でないため、前記構成のもとでは、厳密にはｓ（ｚa）＝０とはならない。厳密にｓ（ｚa）＝０とするためには、数値計算により球面収差軌道ｓ（ｚ）を求め、ｓ（ｚa）＝０となる条件を探せばよい。即ち、第１のレンズ１７、第２のレンズ１８及び照射レンズ２の位置及び強度の最適条件を見つけるべく、各レンズの電場或いは磁場分布を反映させた近軸軌道方程式及び収差軌道方程式を、収束条件をｓ（ｚa）＝０として繰り返し解けばよい。
【００４８】
但し、その際、ｓ（ｚa）＝０のほか、ｈ（ｚi）＝０及びｈ（ｚa）＝ｒa／ｕ0’maxも収束条件とするとよい。ここで、ｚiは像５のＺ座標、ｒaは第１の成形開口板３の開口を照明するのに必要な照射領域の半径、即ち、投影図形１１（図７参照）の外接円の第１の成形開口板３への写像（後述の図１８に示す円２５に相当する）の半径であり、ｈ（ｚi）＝０であることは、像５がｚ＝ｚiの位置にあることに相当し、ｈ（ｚa）＝ｒa／ｕ0’maxであることは、必要なビーム電流が第１の成形開口板３を通過することに相当する。これらの条件は、図１の照明光学系と、第１の成形開口板３以降の光学系とを整合させるために必要である。
【００４９】
これら３つの収束条件が満たされる解を得るには、前記計算において、第１のレンズ１７、第２のレンズ１８及び照射レンズ２の位置及び強度という合計６つの変数のうち、３つを固定とし、残りの３つを可変とする。例えば、第１のレンズ１７の位置と、照射レンズ２の位置及び強度を固定とし、第１のレンズ１７（静電レンズ）への印加電圧と第２のレンズ１８の位置及び強度とを可変とすればよい。
【００５０】
このように本発明によれば、球面収差軌道ｓ（ｚ）が、第１成形開口板上においてｓ（ｚa）＝０となるので、球面収差起因の電流密度むらが解消される。
［実施例２］
実施例２は基本的には実施例１と構成を同じくする。実施例２の動作は、以下の通りである。
【００５１】
実施例２では、実施例１と同様に、球面収差軌道ｓ（ｚ）が第１の成形開口板３の位置ｚ＝ｚaにおいてｓ（ｚa）＝０となるようにするが、図４に示すように、像４’の位置を第３のレンズ２の物側焦点面位置に一致させる。この時、第１の成形開口板３に入射するビームは平行ビームとなり、ｈ’（ｚa）＝０となる。
【００５２】
このようにすれば、光源の像５の結像位置が無限遠方となるため、第１の成形開口板３上における電流密度分布への光源４及び光源の像５の電流密度むらの影響が小さくなる。前記計算の際には、前記３つの収束条件ｓ（ｚa）＝０、ｈ（ｚi）＝０及びｈ（ｚa）＝ｒa／ｕ0’maxのうち、ｈ（ｚi）＝０をｈ’（ｚa）＝０に置き換えればよい。
[実施例３]
実施例３は基本的に実施例１及び実施例２と構成を同じくするが、実施例３では、図５に示すように第２のレンズ１８を省いたものである。その動作も基本的に実施例１、実施例２の構成と同じである。即ち、図６に示すように、球面収差軌道ｓ（ｚ）が第１の成形開口板３の位置ｚ＝ｚaにおいて、ｓ（ｚa）＝０となるようにする。但し、第２のレンズ１８を省いた分だけ、その効果を補うべく、第１のレンズ１７の強度を強くする必要がある。
[実施例４]
実施例４は基本的には実施例１から実施例３と構成を同じくするが、実施例４では、電子ビームの代わりにイオンビームを用いる。その動作は実施例１から実施例３の動作と同じである。
[実施例５]
本実施例で提案する光学系は実施例１で提案された荷電粒子ビーム装置用の照明光学系の構成にビームブランキング時の漏れビームを抑制する絞りを設けたものである。図７にその照明光学系の構成を示す。
【００５３】
図７に示すような可変成形電子ビーム描画装置で図形を描画する場合、先ず、ブランカー１５を働かせ、電子ビーム１を遮断（ビームブランキング）してから、成形偏向器１２と材料ステージ１４及び対物偏向器１３とを働かせ、投影図形１１の形状、寸法、及び位置を決定した後に、ブランカー１５による電子ビーム１の遮断を解除し、投影図形１１を材料１０上に投影し、所定の時間だけ露光を行う一連の動作を繰り返す。
【００５４】
このとき、前記ビームブランキング時には、図１２に示すように、光源の像５０がブランキング開口板１６に対して移動し、電子ビーム１が該開口板１６に遮られる。
【００５５】
この際、電子ビーム１が完全に遮断されなければ、材料１０上に電子ビーム１が照射され、レジストへの露光量が過多と成り、その結果、レジストパターンの線幅が増加する。または、その露光量が非常に多くなれば、漏れビームの痕がレジストに残る。
【００５６】
この漏れビームは、光源の像５０の裾に由来する。光源の像５０の電流密度分布は、クロスオーバ、即ち、光源４の電流密度分布（例えばガウス分布）を反映しており、一般に、図１３（ａ）において実線で示すように、その中央部（光軸上）において電流密度が最も高く、光軸からの半径が大きくなるにつれ徐々に低下する。
【００５７】
前記ビームブランキング時には、図１３（ｂ）に示すように、ブランキング開口板１６の開口部から光源の像５０が移動し、該開口板１６によって光源の像５０が遮断されるが、このとき、移動距離が十分でないと、光源の像５０の裾が該開口板５０のブランキング開口部１６にかぶさり、該開口部を通過した電流成分が漏れビームとなる。
【００５８】
図１４は、本発明の実施例５となる漏れビームを抑制する荷電粒子ビーム装置用の照明光学系の構成を示す一概略図である。図１４中、図１にて使用した記号と同一記号は同一構成要素を示す。
【００５９】
図１４において、実施例１の荷電粒子ビーム描画装置の照射光学系と異なるのは、ビームブランキング時の漏れビームを抑制する漏れビーム制限開口板１９をブランカー１５より前段（光源４側）、かつ、光源の像４´より前段（光源４側）に備えた点である。
【００６０】
ここで、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置をブランカー１５より前段とする理由は、ビームブランキングに伴い第１の成形開口いた３上の電流密度分布が変わるのを防ぐためである。もし、後段に配置すると、ビームブランキングに伴い漏れビーム制限開口板１９の開口に対する電子ビーム１の位置が変わり、該制限開口板の開口を通過する電子ビーム１の電流密度分布が変化することで、第１の成形開口板３上の電流密度分布が変わることがある。第１の成形開口板３上の電流密度変化は描画誤差の原因となる（特許文献３の段落００１０から００１２を参照）。
【００６１】
そして、該制限開口板１９の挿入位置を光源の像４'より前段とする理由は、光源の像が結ばれる前、つまりビーム径が小さくなる前に電子ビーム１の電流を削減することで、ベルシェ効果（特許文献３の段落００２３を参照）による電子のエネルギー分散（速度分散）の増大を抑制するためである。
【００６２】
なお、前記制限開口板１９の開口は円形である。また、前記ブランカー１５の偏向支点１００の高さ位置は第１の成形開口板３の高さ位置と一致させる。この目的は、ビームブランキングに伴い第１の成形開口板上の電流密度分布が変化するのを防ぐためである。
【００６３】
また、前記光源４を構成する電子銃はショットキー型（熱電界放出型）で図１５に示すようにカソード電極（以降、エミッタ電極と称する）２０、引出電極２３、アノード電極２２から成る。エミッタ電極２０はＺｒＯ／Ｗエミッタで、ＺｒＯ（酸化ジルコニウム）によりＷ（タングステン）の見かけの仕事関数を低くすることで高輝度が得られるようにしたエミッタである。
【００６４】
このように構成された荷電粒子ビーム描画装置用の照射光学系において、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置と開口径を如何に決定すべきかについて、以下に説明する。
【００６５】
先ず、荷電粒子ビーム装置用の照明光学系の光源４から光源の像５までの近軸軌道ｈ（ｚ）、近軸軌道ｋ（ｚ）及び球面収差軌道ｓ（ｚ）を図１６に示す。前記近軸軌道ｈ（ｚ）は、既出の通り、ｈ（ｚ０）＝０かつｄｈ（ｚ０）／ｄｚ＝１となる近軸軌道、前記ｋ（ｚ）軌道は、ｋ（ｚ０）＝１かつｋ（ｚ２）＝０となる近軸軌道である。前記ｓ（ｚ）軌道は、既出の通り、ｈ（ｚ）軌道からのずれに相当する収差軌道である。なお、ｚ０は光源４のＺ座標、ｚ２は第１の成形開口板３のＺ座標（実施例１から実施例４においてはｚａ）である。
【００６６】
実際には、引出電極２３の前後及びアノード電極２２の前後においては、近軸軌道ｈ（ｚ）、近軸軌道ｋ（ｚ）及び球面収差軌道ｓ（ｚ）軌道は、厳密には直線的とはならないが、図１６では、第１のレンズ１７の作用を分かりやすくするため、同領域におけるこれらの軌道が直線的に表されている。そして、光源４は仮想光源である。
【００６７】
本照明光学系において、光源４の裾の制限が強くなる条件、即ち、クロスオーバーの見かけの最大径（有効径）ａ０ｍａｘが小さくなる条件は、特許文献３の記載の光学系における条件と同じで、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置をｚ１とすれば、｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ１）｜が小さくなることである（特許文献３の段落００７０を参照。なお、近軸軌道ｋ（ｚ）は、同特許文献３においてはｓ（ｚ）と表記されている。）。これは、同条件を導くための数式、即ち特許文献３記載の（１）式（段落００４６を参照）、（７）式（段落００５５を参照）、（９）式（段落００６５を参照）、（１０）式（段落００６７を参照）に、ｈ（ｚ）及びｋ（ｚ）軌道の形に関する制約がないことによる。そこで、以下で、｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）)｜のZへの依存性を見る。
【００６８】
本照明光学系に対して具体的な寸法を与えて求めた近軸軌道ｈ（ｚ）、近軸軌道ｋ（ｚ）、及び｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）｜を、ｚを横軸にとって描いたグラフを図１７に示す。図１７中のZの範囲は、図１４における光源４から第１の成形開口板３までの範囲で、光源４、第１のレンズ１７、第２のレンズ１８、光源の像４´、照射レンズ２、第１の成形開口板３、及び光源の像５の位置を表すZ座標は、それぞれ、０．０、５．０、３５．５、６９．０（＝ｚｉ１）、１４０．０、１６９．５（＝ｚ２）、１９２.０（単位：ｍｍ）である。ただし、第１のレンズ１７及び照射レンズ２に由来する球面収差は無視し、第１のレンズ１７を第１の成形開口板３と光学的に共役な位置に配置した。
【００６９】
図１７において、｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）｜は、第１のレンズ１７及び第１の成形開口板３付近にて大きくなり、光源４及び光源の像４´の付近にて小さくなる。これは、第１の成形開口板３の位置と光学的に共役となる位置、即ち、第２のレンズ１８及び照射レンズ２に由来する球面収差を無視すれば第１のレンズ１７の位置にて｜ｋ（ｚｌ１）｜＝０、第１の成形開口板３の位置にて｜ｋ（ｚ２）｜＝０、光源４の位置にてｈ（ｚ０）＝０、光源の像４´の位置にてｈ（ｚｉｌ）＝０ となることによる。ここで、ｚｌ１は第１のレンズ１７のZ座標、ｚｉ１は光源の像４´のZ座標である。
つまり、｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）｜の大きさから、本光学系において、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置の候補となりうるのは、光源４或るいは光源の像４´の付近となる。
このことの一般性を確認するため、以下で、｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）｜の導関数を求め、その符号を判定する。そのため、光源４から第１の成形開口板３までの区間を３つの区間に分け、第１の区間を、光源４からｋ（ｚ）軌道がＺ軸と交わる点までの区間、即ち光源４から第１のレンズ１７までの区間、第２の区間を、ｋ（ｚ）軌道がZ軸と交わる点から光源の像４´までの区間、そして第３の区間を、光源の像４´から第１の成形開口板３までの区間とする。ただし、便宜上、ｈ（ｚ）＝０または、ｋ（ｚ）＝０となる点は、これらの区間には含めない。
図１７に示すように、第１の区間にてｈ（ｚ）＞０かつｋ（ｚ）＞０、第２の区間にてｈ（ｚ）＞０かつｋ（ｚ）＜０、第３の区間にてｈ（ｚ）＜０かつｋ（ｚ）＜０である。従って、
【００７０】
【数３】
【００７１】
とおくと、(９)式は、第１及び第３の区間では
【００７２】
【数４】
【００７３】
となり、第２の区間では
【００７４】
【数５】
【００７５】
となる。
そして、（１０）式と（１１）式の両辺をｚで微分すれば、ｒ（ｚ）の導関数
【００７６】
【数６】
【００７７】
【数７】
【００７８】
が得られる。ここで、φ（ｚ）は軸上電位を表す。
（１２）、(１３)式において、
【００７９】
【数８】
【００８０】
は、近軸軌道ｈ（ｚ）及びｋ（ｚ）が互いに一次独立であることから、近軸不変量（ｐａｒａｘｉａｌ ｉｎｖａｒｉａｎｔ）である。即ち、ｚに依存しない。（１４）式を用いると
、（１２）式と(１３)式は、それぞれ、
【００８１】
【数９】
【００８２】
【数１０】
【００８３】
となる。
【００８４】
（１５）と（１６）式より、ｒ（ｚ）はｚの増加と共に、第１の区間及び第３の区間では単調に増加し、第２の区間では単調に減少する。この結果は、図１７のグラフが示す傾向と一致する。従って、ｒ（ｚ１）＝｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ１）｜を小さくするには、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置Ｚ１を、第１及び第３の区間ではＺの負の側に寄せ、第２の区間ではＺの正の側に寄せるとよい。即ち、漏れビーム制限開口板１９は、第１の区間では光源４に対して近づけ、第２及び第３の区間では光源の像４´に対して近づけるのが良い。しかし、第３の区間は、ベルシェ効果及びブランカー１５の電極長の観点より、漏れビーム制限開口板１９を挿入する区間の候補から外れる。なお、ブランカー１５の電極長については後述する。
そこで、残る２つの区間を比較すると、第１の区間よりも第２の区間において、漏れビーム制限開口板１９を挿入するための空間的余裕が大きいうえに、ｒ（ｚ１）＝｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ１）｜が小さくなるＺの範囲も広いことから、漏れビーム制限開口板１９を挿入する区間として適当なのは、第２の区間となる。第１の区間よりも第２の区間において、｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ１）｜が小さくなるＺの範囲が広いのは、第２の区間自体が第１の区間自体より大きいことに加え、図１７に示すように、第１の区間よりも第２の区間において｜ｋ（ｚ１）｜が大きくなることによる。つまり、｜ｈ（ｚ１）｜を同じとすれば、｜ｋ（ｚ１）｜が大きいほうが、ｒ（ｚ１）＝｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ１）｜は小さくなる。
【００８５】
以上の検討結果を一旦ここでまとめると、本光学系において、光源の裾の制限を強めるには、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置を、光源の像４´より前段としたうえで、同挿入位置を光源の像４´に対し近づければ、即ち、光源の像４´から漏れビーム制限開口板１９までの距離を短くすればよい。ただし、前記距離を決定し、更に漏れビーム制限開口板１９の挿入位置を決定するには、
１）漏れビーム制限開口板１９によるビーム電流の制限
２）光源の像４´の位置
３）光源の像５の位置や第１の成形開口板３上の電流密度などへの影響
を考慮する必要がある。
【００８６】
先ず、１）制限開口板によるビーム電流の制限を考慮する必要があるのは、漏れビーム制限開口板１９が光源の裾の制限とビーム電流の制限の両方を担っていることによる。漏れビーム制限開口板１９によるビーム電流の制限は、前記距離が短くなるほど、即ち、光源の裾の制限が強くなるほど弱くなる。これは、ａ１ｍｉｎが｜ｈ（ｚ１）｜とともにが小さくなることの結果として、ａ１がａ１ｍｉｎに対して大きくなることによる。ここで、ａ１は漏れビーム制限開口板１９の開口半径、ａ１ｍｉｎは、特許文献３記載の（２）式（段落００４７を参照）の表すａ１の最小値である。
ａ１及びａ１ｍｉｎの数値例を二つ、ａ０ｍａｘ及びＤ３ｍｉｎの数値例と共に、以下に示す。ここで、Ｄ３ｍｉｎは、特許文献３記載の（１３´）式に示すブランキング開口板１６の位置ｚ３におけるブランキング偏向距離｜ｄ（ｚ３）Ｖ｜の最小値である。
それらの計算には、図１７に示す近軸軌道ｈ（ｚ）及び近軸軌道ｋ（ｚ）を用いる。ただし、図１８に示す円２５を通過する電流を１μＡ、エミッション電流、即ち、漏れビーム制限開口板１９より前段における電子ビーム1の電流を１００μＡとする。
【００８７】
ここで、前記円２５は、開口２１の外接円である。そして、開口２１は第２の成形開口板７の開口の第１の成形開口板３への写像７´と、第１の成形開口板３の開口３´との重なりにより生じる開口（論理積）である。
一つ目の数値例として、漏れビーム制限開口板１９の位置を、光源の像４´の位置ｚｉ１＝６９．０ｍｍ に対し２０ｍｍ離し、ｚ１＝４９．０ｍｍとする場合を考える。この場合、｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ２）｜＝０．６５、｜ｋ（ｚ１）｜＝６．１となる。
【００８８】
このとき、ａ２＝３０μｍ、ａ３＝３０μｍ、ｈ（ｚ３）＝０、｜ｋ（ｚ１）／ｋ（ｚ３）｜＝１／３とすると、特許文献３記載の（７）式（段落００５５を参照）より、ａ１＝３０μｍ、ａ１ｍｉｎ＝２０μｍとなる。ここで、ａ２は円２５の半径、ａ３はブランキング開口板１６の開口半径である。これらの数値を特許文献３の記載の（９）式（段落００６５を参照）、特許文献３の記載の（１３´）式（段落００８７を参照）に代入すると、ａ０ｍａｘ＝８．１μｍ、Ｄ３ｍｉｎ＝１７７μｍとなる。
【００８９】
そして、漏れビーム制限開口板１９を通過するビーム電流は、面積比（ａ１ｍｉｎ／ａ１）２から単純に計算すると、２.３μＡとなる。即ち、漏れビーム制限開口板１９によりエミッション電流の９８％が遮蔽される。この例においては、光源の裾の制限とビーム電流の制限は十分と言える。
【００９０】
２つ目の数値例として、漏れビーム制限開口板１９の位置を、光源の像４´の位置ｚｉｌ＝６９．０ｍｍに対し非常に近く、ｚ１＝６７．８ｍｍとする場合を考える。この場合、ａ１＝１１μｍ、ａ１ｍｉｎ＝１．２μｍ、ａ０ｍａｘ＝２．０μｍ、Ｄ３ｍｉｎ＝６７μｍとなる。即ち、光源の裾の制限が強くなり、必要なブランキング偏向距離は小さくなる。
【００９１】
しかし、漏れビーム制限開口板１９を通過するビーム電流は、面積比 （ａ１ｍｉｎ／ａ１）２から単純に計算すれば、８６μＡと大きくなる。これは一つ目の数値例におけるビーム電流値の約４０倍である。このとき、漏れビーム制限開口板１９により遮蔽されるエミッション電流の割合は、１４％と小さくなる。この場合、漏れビーム制限開口板１９はビーム電流の制限の役目をほとんど果たしていない。
【００９２】
２）光源の像４´の位置を考慮する必要があるのは、ブランカー１５が漏れビーム制限開口板１９より後段に配置されるため、ブランカー１５の電極長によって漏れビーム制限開口板１９の挿入位置が制限を受けることによる。言い換えると、光源の像４´の位置が、間接的にブランカー１５の電極長を決定する。そのため、仮に漏れビーム制限開口板１９が前記第２の区間内にあったとしても、光源の像４´の位置によっては、前記電極長が短くなる。
【００９３】
そして、ブランキング偏向距離を確保すべく、ブランカー１５の対向する電極間の距離を小さくすることが必要と成り、このことが、電極の表面へのコンタミネーションの付着やその帯電と言った問題点を増長する。つまり、光源の像４´から漏れビーム制限開口板１９までの距離を短くしつつも、ブランカー１５の電極長を長くすることが求められる。
【００９４】
そのようにするには、漏れビーム制限開口板１９と共に、光源の像４´を光源４側に寄せればよい。つまり、本光学系においては、光源の像４´の位置が第２のレンズ１８から光源の像４´までの距離を光源の像４´から照射レンズ２までの距離より短くするとよい。
【００９５】
この考えを押し進めれば、光源の像４´の位置と、光源の像４´から漏れビーム制限開口板１９までの距離とを決定するのは、ブランカー１５の電極長を決定した後とするのがよい。即ち、ブランカー１５の上端は第２のレンズ１８の直後、またはブランカー１５の下端は照射レンズ２の直前として、ブランカー１５の電極長を極力長くした後に、光源の像４´及び漏れビーム制限開口板１９の位置を決定するとよい。その結果、場合によっては、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置は、第２のレンズ１８の中、あるいはそれより光源４側とな得る。
【００９６】
３）光源の像５の位置などへの影響を考慮する必要があるのは、光源の像４´の位置を変えるために第１のレンズ１７、第２のレンズ１８の強度などの光学パラメータを変更すると、それに連動して光源の像５の位置なども変わることによる。言い換えると、本光学系を設計することは、その光学パラメータを、光源の像４´の位置や光源の像５の位置などの各々に関する条件を満たすように決定することである。
【００９７】
より詳細には、本光学系において、光学パラメータの決定のための条件が付される項目は、Ａ) 光源の像４´の位置、Ｂ) 光源の像５の位置、Ｃ) ブランキング偏向支点位置、Ｄ) 球面収差軌道がZ軸と交わる位置、及びＥ)第１の成形開口板３上における電流密度の５項目である。これら５項目に関する条件を以下で述べる。
【００９８】
先ず、Ａ）源の像４´の位置に関する条件は、該位置が、光源の裾の制限の強さとビーム電流制限との観点から最適となる位置に一致することである。その位置をｚｉｌを用いれば、同条件は｜ｈ（ｚｉｌ）|＝０となる。次に、Ｂ）源の像５の位置に関する条件は、同位置が、図７或いは図１２の光学系における光源の像５の位置に一致することである。その位置ｚｉ２とすると、同条件は|ｈ（ｚｉ２）|＝０となる。
【００９９】
次に、Ｃ）ランキング偏向支点位置、及びＤ）球面収差軌道がＺ軸と交わる位置に関する条件は、それらの位置が、第１の成形開口板３の位置に一致することである。これらの条件は、それぞれ、|ｄ（ｚ２）|＝０及び|ｓ（ｚ２）|＝０となる。ここで、ｄ（ｚ）は単位ブランキング偏向電圧に対するブランキング偏向軌道を表す。
【０１００】
そして、次に、Ｅ）１の成形開口板３上における電流密度に関する条件は、同電流密度が、投影図形１１の電流密度と、第１の成形開口板３を基準とした投影図形１１の投影倍率とから決まる電流密度に等しくなることである。
ここで、第１の成形開口板３上における電流密度の目標値をＪ２、投影図形１１の電流密度をＪ、第１の成形開口板３を基準とした投影図形１１の投影倍率をｍとおくと、Ｊ２＝ｍ２Ｊの関係がある。
【０１０１】
ただし、第１の成形開口板３上における電流密度に関する前記条件は、図１８中の円２５の内部を電流密度Ｊ２で照射するのに必要な電流
【０１０２】
【数１１】
【０１０３】
を有するビームの、第１の成形開口板３の位置における断面の半径
ａ２´＝｜ｈ（ｚ２）｜α０が、円２５の半径に一致すること、つまり
【０１０４】
【数１２】
【０１０５】
となることと等価である。即ち、第１の成形開口板３上における電流密度に関する前記条件は、（１７）、（１８）式より、
【０１０６】
【数１３】
【０１０７】
と表せる。ここで、α０は光源４（仮想光源）における電子放出角（開き角）、
ＪΩは、光源４の角電流密度である。 一方、本光学系において決定すべき光学パラメータは、電子銃の輝度及び角電流密度、光源４の位置、第１のレンズ１７の位置と強度、第２のレンズ１８の位置と強度、照射レンズ２の位置と強度、ブランカー１５の位置及び偏向角比（特許文献３の段落００１０を参照）、及び第１の成形開口板３の位置である。前記５項目に関する条件を満たすには、これらの光学パラメータのうち、５つを可変とし、本光学系の自由度を５とすれば良い。
【０１０８】
前記光学パラメータのうち、どの５つを可変とするかは、それらに関する物理的制約から判断するとよい。本実施例では、前記光学パラメータのうち、ａ)第１のレンズ１７の強度、ｂ)第２のレンズ１８の位置、ｃ)第２のレンズ１８の強度、ｄ)照射レンズ２の強度、及びｅ)ブランカー１５の偏向角比の５つを可変パラメータとし、残りを固定パラメータとする。これら固定パラメータの具体的数値は、それらに関する物理的制約や目標とする装置仕様に基づき決定する。
【０１０９】
なお、前記５条件が満たされるように前記可変パラメータを決定するには、Ｚ軸上の磁場・電場分布を求めたうえで、前記５条件を収束条件とし、近軸軌道ｈ（ｚ）、近軸軌道ｋ（ｚ）、ブランキング偏向軌道ｄ（ｚ）及び球面収差軌道ｓ（ｚ）軌道を求めるべく、前記可変・固定パラメータと磁場・電場分布を反映させた近軸軌道方程式及び収差軌道方程式を、数値計算により、解が収束するまで、可変パラメータの値を変えながら繰り返し解けばよい。ただし、前記実施例の図１７で示した前記近軸軌道ｈ（ｚ）及び前記近軸軌道ｋ（ｚ）は、各レンズを薄レンズ近似したうえで、レンズの公式ｌｏ−１＋ｌｉ−１＝ｆ−１を用いることで簡単に求めたものである。ｌｏは物面からレンズ主面までの距離、ｌｉはレンズ主面から像面までの距離、ｆは焦点距離である。図１７において、第２のレンズ１８及び照射レンズ２に由来する球面収差は無視し、第１のレンズ１７を第１の成形開口板３と光学的に共役な位置に配置したことから、球面収差軌道に関する条件｜ｓ（ｚ２）｜＝０を｜ｋ（ｚｌ１）｜＝０に置き換えた。
【０１１０】
前記５つの可変パラメータの内、ａ）第１のレンズ１７の強度、ｃ）第２のレンズ１８の強度、及びｄ）照射レンズ２の強度の３つは、本光学系を設計、構築、調整し、その運用を開始した後でも、可変とすることが容易である。即ち、装置運用の際には、これら３つを可変パラメータとすることができる。ここで、残りの２つ、即ちレンズ１８の位置及びブランカー１５の偏向角比の２つは固定パラメータとする。
【０１１１】
そのようにすれば、装置運用時の自由度は３となり、例えば、光源の像４´の位置及びブランキング偏向支点１００の位置の変化が許容範囲内に収まることを前提に、光源の像５の位置、第１の成形開口板３上における電流密度、及び球面収差軌道がZ軸と交わる位置の３項目が独立に設定できる。或いは、光源の像４´の位置及び球面収差軌道がＺ軸と交わる位置の変化が許容範囲内に収まることを前提に、光源の像５の位置、第１の成形開口板３上における電流密度、及びブランキング偏向支点位置の３項目が独立に設定できる。補足すると、ブランキング偏向支点位置を第１の成形開口板３の位置に保つことは、照射レンズ２の強度をブランキング偏向支点位置に対し最適化したまま、変えないことに相当する。つまり、このとき、照射レンズ２の強度は、実質的には固定パラメータとなる。
【０１１２】
以上のようにして本発明の実施例５となる荷電粒子ビーム描画装置用の照明光学系に対し、上記光学パラメータと共に漏れビーム制限開口板１９の挿入位置及び開口径が決められる。
【０１１３】
図１９は、本光学系において、光源の裾部に由来する漏れビームが遮蔽される様子を示す。図中において、実線で示すように、光源４の中央部から出射され、第１の成形開口板３上の円２５の内部に向かう電子は制限開口板１９の開口部を通過するのに対して、破線で示すように、光源４の裾部から出射され、円２５の内部に向かう電子は第１のレンズ１７により大きく曲げられ制限開口板１９にけられるので、ビームブランキング時にブランキング開口板１６からの漏れビームがなくなる。
【０１１４】
このように本発明に基づく漏れビームを抑制する荷電粒子ビーム装置用の照明光学系においては、漏れビーム制限開口板１９をブランカー１５より前段、かつ、光源の像４´より前段に配置させたことにより、漏れビーム制限開口板１９に対する荷電粒子ビームの位置がビームブランキングと共に変わるのを防ぎつつ、更に、光源の像４´におけるベルシェ効果を抑制しつつ、光源４の裾部に由来するビームブランキング時の漏れビームを抑制することができる。
[実施例６]
実施例６は基本的には実施例５と構成を同じくするが、実施例６では、図２０に示すように第２のレンズ１８を省く。図２０の照明光学系における光源４から光源の像５までの近軸軌道ｈ（ｚ）、近軸軌道ｋ（ｚ）、及び球面収差軌道ｓ（ｚ）を図２１に示す。
実施例６の動作及び効果は基本的に実施例５のそれらと同じであるが、第２のレンズ１８が省かれたことから、可変とすべき光学パラメータが実施例５のそれとは異なる。
【０１１５】
本実施例では、装置設計時及び調整時には、光源４の位置、第１のレンズ１７の強度、照射レンズ２の位置及び強度、及びブランカー１５の偏向角比の５つを可変パラメータとする。そして、電子銃の輝度及び角電流密度、光源４から第１のレンズ１７までの距離、ブランカー１５の位置、及び第１の成形開口板３の位置を固定パラメータとする。
【０１１６】
装置運用時には、前記５つの可変パラメータの内、光源４の位置、照射レンズ２の位置、及びブランカー１５の偏向角比の３つを固定パラメータとし、残りの２つ、即ち、第１のレンズ１７の強度及び照射レンズ２の強度を可変パラメータとする。その結果、装置運用時の自由度は２となり、例えば、光源の像４´の位置、ブランキング偏向支点１００位置、及び球面収差軌道ｓ（ｚ）がＺ軸と交わる位置の変化が許容範囲内に収まることを前提に、光源の像５の位置及び第１の成形開口板３上における電流密度の２つが独立に設定できる。
[実施例７]
実施例７は基本的には実施例５から実施例６と構成を同じくするが、実施例７では、電子ビームの代わりにイオンビームを用いる。その動作及び効果は実施例５及び実施例６のそれらと同じである。
[実施例８]
実施例８で提案する光学系は、実施例１で提案された荷電粒子ビーム装置用の照明光学系の構成に散乱電子を遮蔽する絞りを設けたものである。
【０１１７】
光源４を構成する電子銃はショットキー型（熱電界放出型）電子銃で、図１５に示すように、エミッタ電極２０と引出電極２３とアノード電極２２からなる。引出電極２３は、エミッタ電極２０の先端における電界を高くし、より多くの電子をエミッタ電極２０から引き出すための電極である。引出電極２３及びそれ以降の空間における電位はエミッタ電極２０の電位より高いため、エミッタ電極２０から放出された電子ビーム１は、引出電極２３の開口の縁に衝突する。
【０１１８】
その結果、図２２（ａ）に示すように、引出電極２３の開口の縁で電子が散乱される。この散乱電子の軌道を光源４側に延長すると、図２２（ｂ）に示すように、光源の位置において、光源４に重なるように、それより大きな広がりを持つ虚光源２４が作られる。即ち、前記散乱電子は、引出電極２３以降の地点から見れば、虚光源２４に由来するように見える。そして、虚光源２４に起点を持つ光線は、光源の像４´、５、及び５０の位置に、更には対物レンズ９内に結ばれる光源の像（図示せず）の位置に、虚光源２４の像を構成する。即ち、前記散乱電子は、これらの光源の像像４´、５の位置において、本来の像よりも大きな広がりを持つビーム成分となる。
【０１１９】
このビーム成分は、露光時において、収差の大きなビーム成分となり、光源の像４´の位置に結ばれる虚光源２４の像のために、対物レンズ９に対する開き角が大きくなり、開き角に依存する収差（幾何収差及び色収差）が大きくなる。更には、引出電極２３の開口部の縁により散乱された電子は、散乱の過程で運動エネルギーを失った結果、大きなエネルギー分散を示し、該散乱電子は色収差を大きくする原因となり得る。
【０１２０】
図２３は本実施例で提案する光学系、即ち光源の電極から発生する散乱電子を遮蔽する荷電粒子ビーム装置用の照明光学系の構成を示す一概略図である。図２３中、図１にて、使用した記号と同一記号は同一構成要素を示す。
【０１２１】
図２３の光学系が図１の光学系、即ち、実施例１の荷電粒子ビーム描画装置用の照射光学系と異なるのは、引出電極２３に由来する散乱電子を遮蔽する散乱電子制限開口板３０を備えた点である。その位置は、散乱電子に対して第１の成形開口板３と光学的に共役関係にある面３１より第１の成形開口板側である。
【０１２２】
なお、図２３の照明光学系において、第１のレンズ１７、第２のレンズ１８、及び照射レンズ２は磁界レンズとし、ブランキング開口板１６の開口は円形とし、光源４の中心、エミッタ電極２０、引出電極２３及びアノード電極２２の開口の中心、第１のレンズ１７、照射レンズ２、及び成形レンズ６の中心、ブランキング開口板１６の開口の中心、円２５（図１８を参照）の中心、及び第２の成形開口板７への円２５の写像の中心は、Ｚ軸上にあるものとする。
【０１２３】
このように構成された本発明の実施例８とする照射光学系に対し、散乱電子制限開口板３０の挿入位置と開口径を如何に決定すべきかについて以下で説明する。
【０１２４】
引出電極２３からの散乱電子を遮蔽するには、散乱電子が第１の成形開口板３上の円２５（図１８）を通過しないようにすれば良い。この要件を満たすための条件は、引出電極２３の縁を起点とし、円２５を通過する光線が、散乱電子制限開口板３０で遮蔽されることである。
前記条件は、言い換えれば、図２４（ａ）に示すように、引出電極２３の開口に関する射出瞳２３´ の縁を起点とし、第１の成形開口板３上の円２５を通過する光線が、散乱電子制限開口板３０に関する射出瞳３０´により遮られることである。
【０１２５】
ここで、前記射出瞳とは、学術的に開口絞りより像側の光学系で結像された開口絞りの像として定義される。
【０１２６】
本発明の荷電粒子ビーム描画装置用の照射光学系における射出瞳の位置は、
引出電極２３及び散乱電子制限絞り３０の位置、そして散乱電子のエネルギーに依存し、する。図２５では、射出瞳２３´は第１の成形開口板３より光源４側に、射出瞳３０´は該第１の成形開口板３より光源の像５側に位置しているが、前記理由のため、これらの射出瞳の位置は、該第１の成形開口板３より光源４側にも、光源の像５側にもなりうる。
【０１２７】
図２４（ａ）において、第１の成形開口板３上の円２５と射出瞳２３´、３０´との幾何学的関係から、前記条件は、
【０１２８】
【数１４】
【０１２９】
と表せる。（２０）式の両辺に｜ｌｅ｜を乗じれば
【０１３０】
【数１５】
【０１３１】
となる。ここで、ａｅ´は引出電極２３に関する射出瞳２３´の半径、ａ１´は散乱電子制限開口板３０に関する射出瞳３０´の半径、ａ２は第１の成形開口板３上の円２５の半径、ｌｅは第１の成形開口板３から（円２５から）射出瞳２３´までの距離、ｌ１は第１の成形開口板３から射出瞳３０´までの距離である。ａｅ´及びａ１´は、散乱電子制限開口板３０の開口に対する射出瞳３０´の倍率をｍ１、引出電極２３の開口に対する射出瞳２３´の倍率をｍｅとすれば、それぞれ、ａｅ´＝｜ｍｅ｜ａｅ及びａ１´＝｜ｍ１｜ａ１と表せる。ａｅは引出電極２３の開口の半径、ａ１は散乱電子制限開口板３０の開口の半径である。ｌｅ及びｌ１の符号は、射出瞳２３´、３０´が第１の成形開口板３よりもＺの正の側（材料側）にあれば正とする。以降の説明では、便宜上、（２０）式ではなく、（２１）式を主に用いる。
【０１３２】
この（２１）式が成立するための必要条件は３条件ある。その内の第１の条件は、ｌ１≠０となること、即ち射出瞳３０´のZ座標が第１の成形開口板３のＺ座標に一致しないこと、第２の条件は、θｅ＞θ１となること（図２４（ｂ）を参照）、第３の条件は、ｌｅ＝０となる場合にａｅ´≧ａ２となることである。なお、θｅ＝ ａｅ´／｜ｌｅ｜（＞０）は第１の成形開口板３の円２５の中心から射出瞳２３´を見込む角度、θ１＝ ａ１´／｜ｌ１｜（＞０）は同じく円２５の中心から射出瞳３０´を見込む角度を示す。 前記第１の条件が満たされない場合、即ち、ｌ１＝０となる場合は、(２１)式の左辺は−｜ｌｅ｜ａ２（＜０）となるが、右辺は｜ｌｅ｜ａ１´（＞０）であるため、(２１)式は成立しない。
【０１３３】
また、前記第２の条件が満たされない場合、即ち、θｅ≦θ１である場合は、｜ｌ１｜ａｅ´ ≦｜ｌｅ｜ａ１´となり、この両辺から｜ｌｅ −ｌ１｜ａ２を引くと、
｜ｌ１｜ａｅ´−｜ｌｅ-ｌ１｜ａ２ ≦ ｜ｌｅ｜ａ１´−｜ｌｅ-ｌ１｜ａ２ ＜ ｜ｌｅ｜ａ１´となることから分かるように、
この場合も（２１）式は成立しない。
【０１３４】
そして、前記第３の条件が満たされない場合、即ち、ｌｅ＝０となる場合にａｅ´＜ａ２となる場合、（２１）式の左辺は｜ｌ１｜ａｅ´−｜ｌ１｜ａ２＝｜ｌ１｜(ａｅ´−ａ２)（＜０）となるが、
同じく（２１）式の右辺は零となるから、この場合も（２１）式は成立しない。
ただし、前記量ｍｅ、ｍ１、ｌｅ、ｌ１、及びａｅ´＝｜ｍｅ｜ａｅ、ａ１´＝｜ｍ１｜ａ１は、電子のエネルギーに依存するため、電子のエネルギー分散の大きさ、及び前記量の電子のエネルギーへの依存性によっては、前記３条件は成立しないことがある。逆に言えば、前記３条件は、電子のエネルギーによらず成立する必要がある。
続いて、本発明の荷電粒子ビーム描画装置の照射光学系における電子のエネルギー分散について説明する。なお、以降において、電子のエネルギーは、エミッタ電極２０に対する電位、即ち対エミッタ電圧Ｖとして表す。従って、前記量ｍｅ、ｍ１、ｌｅ、ｌ１、ａｅ´、ａ１´は対エミッタ電圧Ｖの関数である。 引出電極２３への印加電圧、即ち引出電圧をＶｅ（＞０）とすると、引出電極２３で散乱され、かつ、Zの正の向きに速度ベクトルを持つ電子のエネルギ−Ｖ＝Ｖｅ＋ΔＶは、０＜Ｖｅ＋ΔＶ≦Ｖｅと表せる。即ち、
【０１３５】
【数１６】
【０１３６】
の関係が成り立つ。なお、ΔＶは、エネルギーの変化分を表す。引出電極２３による電子の散乱には二次電子の発生を伴うが、この二次電子を含めても（２２）式は成り立つ。
【０１３７】
ここで、ΔＶ≦０となるのは、電子は散乱過程においてエネルギーを失うことを意味している。引出電圧は一般に数ｋＶであることから、ΔＶの範囲の幅即ちエネルギー分散の大きさＶｅは、同じく数ｋＶと大きい。そこで、以降では、散乱により生じるエネルギー分散以外のエネルギー分散は無視する。そのようなエネルギー分散は、エミッタ電極２０から放出された時点で電子が持っているエネルギー分散と、その後にベルシェ効果により増加したエネルギー分散とによるもので、その大きさは、ベルシェ効果を考慮したとしても、数Ｖ程度と小さいからである。
上述したようにＶｅは数ｋＶ以上となりうるため、Ｖａの大きさによっては、前記エネルギー分散は無視できない程度に大きな色収差を生む。ここで、Ｖａはアノード電極２２及びそれ以降の空間における電位である。特に、第１のレンズ１７は引出電極２３とアノード電極２２の間にあることから、第１レンズ１７の位置において軸上電位はＶｅ＜Ｖ＜Ｖａの範囲にあるため、前記エネルギー分散は第１のレンズ１７に対し、非常に大きな色収差を生む。
【０１３８】
次に、(２２)式を満たす電子に対し前記３条件を満たす条件について説明する。ただし、第１の成形開口板３上の円の半径ａ２は、投影図形１１の投影倍率と寸法とから決まる量であるため、以降では固定とする。
【０１３９】
前記第一の条件ｌ１≠０を満たすためには、即ち、射出瞳３０´のZ座標が第１の成形開口板３のZ座標に一致しないようにするためには、（２２）式を満たす電子に対して、散乱電子制限開口板３０の位置を、第１の成形開口板３と光学的に共役関係にあり、かつ、第１の成形開口板３に最も近い面３１（図２３を参照）の位置よりも第１の成形開口板３側とすればよい。そのためには、最も厳しい条件として、ΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対して、散乱電子制限開口板３０の位置が面３１の位置よりも第１の成形開口板３側となるという条件が満たされればよい。そのようにすれば、ｌ１＞０となる。これは、射出瞳３０´の位置はΔＶの増加とともにZの正の向きに移動することによるものである。
【０１４０】
前記第２の条件θｅ＞θ１を満たすためには、投影図形１１の電流密度及びその分布に影響が出ない範囲で、（２２）式を満たす電子に対して、できるだけａ１´を小さく、かつ｜ｌ１｜を大きくしたうえで、引出電極２３の開口の半径ａｅを大きくすると良い。ここで、できるだけａ１´を小さく、かつ｜ｌ１｜を大きくするには、同じく投影図形１１の電流密度及びその分布に影響が出ない範囲で、できるだけ散乱電子制限開口板３０の開口の半径ａ１を小さく、そしてできるだけｚ１をZの正の側に大きくするとよい。
【０１４１】
特許文献３によれば、散乱電子制限開口板３０が投影図形１１の電流密度及びその分布に影響を与えない条件は、
【０１４２】
【数１７】
【０１４３】
である。ここで、ａ３はブランキング開口板１６の開口半径、ｚ３はブランキング開口板１６のＺ座標、ｈ（ｚ）及びｋ（ｚ）は既出の近軸軌道である。
【０１４４】
（２３）式より、散乱電子制限開口板３０の開口半径ａ１を小さくするには、ｈ（ｚ１）を小さくすればよいことが分かる。そのためには、散乱電子制限開口板３０の位置を光源の像４´の位置に近づければよい。
【０１４５】
前記第３の条件、即ちｌｅ＝０となる場合にａｅ´≧ａ２となる条件を満たすには、（２２）式を満たす電子の内、射出瞳２３´の位置を第１の成形開口板３の位置に一致させるエネルギー、即ち、引出電極２３の像を第１の成形開口板３上に結ぶエネルギーを持つ電子に対し、射出瞳２３´の半径ａｅ´ ＝ ｜ｍｅ｜ａｅが円２５の半径ａ２より大きくなるように、引出電極２３の開口の半径ａｅを大きくするとよい。
【０１４６】
ただし、ｌｅ≠０であってもｌｅとｌ１の符号が異なれば、ａｅ´≦ａ２となる場合に、図２６に示すように、射出瞳２３´の縁を起点とし、第１の成形開口板３上の円２５を通過し、さらに射出瞳３０´を通過する光線が、ｌ１やａ１の大きさによらず必ず存在する。つまり、引出電極２３で散乱された電子の一部が散乱電子制限開口板３０により遮蔽されず、円２５を通過する。このことは、避けなくてはならないから、ｌｅ＝０となるエネルギーを持つ電子に限らず（２２）式を満たす全ての電子に対してａｅ´＞ａ２とするのが良い。即ち、前記第３の条件をこれに置き換えるのがよい。
【０１４７】
図２３の本発明の照射光学系において、ｌｅとｌ１の符号が異なるときは、図２４から図２６に示すように、ｌ１＞０かつｌｅ＜０となるときである。ここで、ｌ１＞０となるのは、先述のように ΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対して、射出瞳３０´の位置を面３１位置よりも第１の成形開口板3側とした結果である。
【０１４８】
以上のような方策によりｌ１≠０、θｅ＞θ１、かつａｅ´＞ａ２の前記３条件が満たされた後、最後に、（２２）式を満たす電子に対し（２１）式が成立することを確認する。これは、前記３条件は、（２１）式が成立するための必要条件であるが、前記３条件が満たされても（２１）式が成立しないことがあり得るからである。例えば、ａ２＝０であれば、前記第２の条件θｅ＞θ１が満たされている限り、(２１)式は成立するが、ａ２≠０であれば、同条件が満たされていても、（２１）式は成 立するとは限らない。
【０１４９】
ここで、第１の成形開口板３上の円２５の半径ａ２の大きさは、ΔＶが負の向きに大きくなると、無視できなくなる。これは、（２０）式を用いて説明すれば、ΔＶが負の向きに大きくなると、（２０）式において、｜ｌ１／ｌｅ｜とａｅ´＝｜ｍｅ｜ａｅとの両方が小さくなり得ることによる。その結果、（２０）式の第１項｜ｌ１／ｌｅ｜ａｅ´が小さくなり、同式の第２項−｜１−ｌ１／ｌｅ｜ａ２が相対的に大きくなる。
【０１５０】
この問題を解消すべく、（２０）式の第１項｜ｌ１／ｌｅ｜ａｅ´をできるだけ大きくするには、ｌ１を正の向きにできるだけ大きく、つまり散乱電子制限開口板３０の位置ｚ１を正の向きにできるだけ大きくしたうえで、引出電極２３の開口の半径ａｅを大きくするとよい。更には、散乱電子制限開口板３０の位置ｚ１を正の向きに大きくする際、投影図形１１の電流密度、及びその分布に影響が出ない範囲で散乱電子制限開口板３０の開口の半径ａ１を小さく、即ち（２３）式に従いａ１を小さくするとよい。このようにすることで、（２０）式の右辺ａ１＝｜ｍ１｜ａ１ が小さくなるから、（２０）式がより成立しやすくなる。その結果、（２０）式が成立する範囲内で引出電極２３の開口の半径ａｅをできるだけ小さくし、引出電極２３以降におけるベルシェ効果をより強く抑制することができる。
【０１５１】
ただし、本実施例では、前記散乱電子制限開口板３０がブランカー１５より前段（光源側）にあるから、ｚ１を正の向きに大きくすると、ブランカー１５の電極長が短くなる。言い換えると、ｚ１の上限は、ブランカー１５に必要な電極長により決まる。これは、本実施例にて、前記散乱電子制限開口板３０の位置をブランカー１５より前段とするのは、（２１）式が成立する条件をビームブランキングにより崩さないようにするためである。
【０１５２】
次に、本発明の荷電粒子ビーム装置用の照射光学系を実際の電子ビーム描画装置に適用させるため、上記の量ｍｅ、ｍ１、ｌｅ、ｌ１、θｅ、θ１を近軸軌道から求める方法について説明する。
【０１５３】
先ず、上述の量の内、ｍｅ 、ｍ１、ｌｅ、ｌ１ は、本光学系における近軸軌道ｔｅ（ｚ）、近軸軌道ｔ１（ｚ）、近軸軌道ｗｅ（ｚ）、及び近軸軌道ｗ１（ｚ）を用いた関係式
ｍｅ＝（ｄｔｅ(ｚ２)／ｄｚ）ｌｅ、
ｍ１＝（ｄｔ１(ｚ２)／ｄｚ）ｌ１、
ｌｅ＝−ｗｅ（ｚ２）／（ｄｗｅ（ｚ２）／ｄｚ）、
ｌ１＝−ｗ１（ｚ）／（ｄｗ１（ｚ２）／ｄｚ）、
から求めることができる。
【０１５４】
そして、θｅ及びθ１は、幾何学的関係から
｜ｄｔｅ（ｚ２）／ｄｚ｜＝｜ｍｅ／ｌｅ｜、｜ｄｔ１（ｚ２）／ｄｚ｜＝｜ｍ１／ｌ１｜
となることを利用すれば、次の関係式
【０１５５】
【数１８】
【０１５６】
から求めることができる。
【０１５７】
ここで、ｔｅ（ｚ）は引出電極２３の位置ｚ＝ｚｅにおいてｔｅ（ｚｅ）＝１かつ第１の成形開口板３の位置ｚ＝ｚ２においてｔｅ（ｚ２）＝０となる近軸軌道、ｔ１（ｚ）はｔ１（ｚ１）＝１かつｔ１（ｚ２）＝０となる近軸軌道、ｗｅ（ｚ）はｗｅ（ｚｅ）＝０かつｄｗｅ（ｚｅ）／ｄｚ＝１となる近軸軌道、ｗ１（ｚ）はｗ１（ｚ１）＝０かつｄｗ１（ｚ１）／ｄｚ＝１となる近軸軌道とする。
（２４）式と（２５）式にから分かるように、θｅ及びθ１は、倍率ｍｅ及びｍ１を求めることなく、それぞれ、ｄｔｅ（ｚ２）／ｄｚ及びｄｔ１（ｚ２）／ｄｚから求めることができる。ここで、ｔ１（ｚ）はｔｅ（ｚ）を用いてｔ１（ｚ）＝ｔｅ（ｚ）／ｔｅ(ｚ１)と表せることから、ｄｔ１（ｚ２）／ｄｚはｄｔ１（ｚ２）／ｄｚ＝|（ｄｔｅ（ｚ２）／ｄｚ）／ｔｅ（ｚ１）|とすればよい。つまり、（２５）式のθ１はθ１＝｜（ｄｔｅ（ｚ２）／ｄｚ）／ｔｅ（ｚ１）｜ａ１と表せる。この関係を用いれば、上述の条件θｅ＞θ１は、｜ｄｔｅ(ｚ２）／ｄｚ｜ａｅ＞｜（ｄｔｅ（ｚ２）／ｄｚ）／ｔｅ（ｚ１）｜ａ１、即ち、ａｅ＞ａ１／｜ｔｅ（ｚ１）｜に置き換え可能である。
【０１５８】
前記４つの近軸軌道を得るには、本光学系における軸上電位Ｖ（ｚ）及び軸上磁界Ｂ（ｚ）を反映した軌道方程式を解けばよい。その際、前記軌道方程式にΔＶを反映させるには、軸上電位Ｖ（ｚ）をＶ（ｚ）＋ΔＶに置き換えればよい。ただし、前記軌道方程式はＶ（ｚ）＋ΔＶ＝０を満たす電子に対して解くことはできないため、引出電極２３にて散乱された直後で０≦Ｖｅ＋ΔＶ＜δＶ即ち−Ｖｅ≦ΔＶ＜−Ｖｅ＋δＶを満たす電子を無視し、δＶ≦Ｖｅ＋ΔＶ≦Ｖｅ即ち−Ｖｅ＋δＶ≦ΔＶ≦０を満たす電子について計算を実施すればよい。ここで、０≦δＶ＜＜Ｖｅとする。
【０１５９】
本光学系について具体的な寸法を与え、（２０）式の左辺Ｓ１＝｜ｌ１／ｌｅ｜ａｅ´−｜１−ｌ１／ｌｅ｜ａ２及び同式の右辺Ｓ２＝ａ１´をΔＶの関数として計算して得られた結果を図２７に示す。図中のＳ１とＳ２は上記の手順に従って求めたものである。
【０１６０】
ここで、光源４、引出電極２３、第１のレンズ１７、アノード電極２２、第２のレンズ１８、散乱電子制限開口板３０、光源の像４´、照射レンズ２、及び第１の成形開口板３、光源の像５のＺ座標は、それぞれ、ｚ＝０、０．５、２．０、２０．０、５２．５、９０、１０８．６、１７０．０、２００．０、及び２２０ （単位：ｍｍ）、引出電極２３の開口、散乱電子制限開口板３０の開口、及び円２５の半径は、ａｅ＝１００、ａ１＝２０、及びａ２＝１４（単位：μｍ）、引出電極２３及びアノード電極２０への印加電圧（共に対エミッタ電圧）はＶｅ＝８及びＶａ＝５０ （単位：ｋＶ）である。第１のレンズ１７、光源の像４´、光源の像及び照射レンズ２の強度は、光源の像４´及び５が前記Z座標で結ばれると共に、球面収差軌道が第１の成形開口板３のＺ座標にて零となるように定められている。
【０１６１】
図２７に示されたＳ１とＳ２の関係から、Ｓ１がＳ２より大きいので、前記条件のもとで、本光学系は、（２１）式を満たすことが分る。引出電極２３に散乱された電子は、第１の成形開口板３上の円２５を通過しない。図２７中からΔＶ＝−５（単位：ｋＶ） 付近の領域でＳ１が極端に大きくなるのは、同領域で第１の成形開口板３から射出瞳２３´までの距離ｌｅが零に近づくことによる。
【０１６２】
図２８は、本発明の光学系において、引出電極２３からの散乱電子が遮蔽される様子を示す。図中の実線は光源４から出射された電子ビームの軌道を示し、破線は引出電極２３で散乱された電子の軌道を示す。図に示すように、光源４の中央から出射され、第１の成形開口板３上の円２５に向かう電子は、散乱電子制限開口板３０の開口部を通過するのに対し、引出電極２３で散乱された電子は、第１のレンズ１７により大きく曲げられ、散乱電子制限開口板３０上にけられる。そのため、散乱電子に由来する収差が除去される。
【０１６３】
このように本発明の荷電粒子ビーム装置用の照明光学系において、散乱電子制限開口板３０を散乱電子に対して第１の成形開口板３と光学的に共役関係にある位置より第１の成形開口板側に配置し、散乱電子制限開口板３０の位置及び開口径と引出電極２３の開口径とを散乱電子に対して、前記引出電極２３の開口に関する射出瞳２３´を円２５の中心から見込む角度が、散乱電子制限開口板３０の開口に関する射出瞳３０´を円２５の中心から見込む角度より大きく、かつ、前記引出電極２３の開口に関する射出瞳２３´の大きさが、前記円２５の大きさより大きくなるように決定したたことにより、引出電極２３からの散乱電子を遮蔽し、該散乱電子に由来する収差を除去することができる。
[実施例９]
実施例９は基本的に実施例８と構成を同じくするが、実施例９では、図２９に示すように、第１のレンズ１７を磁界レンズから静電レンズに変更する。その動作及び効果は基本的に実施例８のそれらと同じである。なお、前記第１のレンズ１７は減速型の静電レンズとして働く。
【０１６４】
実施例９においても、引出電極２３で散乱され、Zの正の向きに速度ベクトルを持つ電子は前記（２２）式を満たすが、その全ての電子が第１のレンズ１７を通過するわけでなない。言い換えると、第１のレンズ１７は、散乱電子に対してフィルターの機能を有し、該第１のレンズ１７を通過する散乱電子の量を減らす。
【０１６５】
ここで、引出電極２３からの散乱電子が第１のレンズ１７を通過しない（該第１のレンズ１７に反射される）条件は、該第１のレンズ１７に由来する軸上電位の最小値をＶｍｉｎとすれば、Ｖ＝Ｖｅ＋ΔＶ−（Ｖｅ−Ｖｍｉｎ）＝ ΔＶ＋Ｖｍｉｎ≦０即ちΔＶ≦−Ｖｍｉｎとなる。一方、前記散乱電子が第１のレンズ１７を通過する条件は、Ｖ＝ΔＶ＋Ｖｍｉｎ＞０即ちΔＶ＞−Ｖｍｉｎとなる。この式と（２２）式より、第１のレンズ１７を通過する電子に対して、
【０１６６】
【数１９】
【０１６７】
が成り立つ。このことから本実施例では、（２６）式の表す範囲において、（２１）式が満たされることを確認すればよい。そのためには、実施例８で示した手法を用いればよい。ただし、減速型の静電レンズにおいては、軸外電位（Z軸から離れた半径位置における電位）は軸上電位より小さくなるため、ある軸外軌道を通る電子の感ずる電位の最小値をＶｍｉｎ´（＞０）とすれば、０＜Ｖｍｉｎ´＜Ｖｍｉｎ、すなわち−Ｖｍｉｎ ＜−Ｖｍｉｎ´＜０の関係が成立する。これより、同電子が第１のレンズ１７の軸外を通過するための条件−Ｖｍｉｎ´＜ΔＶ≦０は、前記条件−Ｖｍｉｎ＜ΔＶ≦０より厳しくなる。つまり、軸外軌道に対しては、該第１のレンズ１７を通過する電子のΔＶの幅が小さくなる。しかし、軸外軌道に対しても、電子が該レンズ１７を通過するための条件を−Ｖｍｉｎ＜ΔＶ≦０とすれば、Ｖｍｉｎ−Ｖｍｉｎ´の分だけ（２１）式を評価する範囲が広くなるから、その分だけ、前記ｍｅ、ｍ１、ｌｅ、ｌ１はより厳しく求まる。即ち、散乱電子制限開口板３０は余裕を持って軸上軌道を通る散乱電子を遮蔽する。
[実施例１０]
実施例１０は基本的に実施例８と構成を同じくするが、実施例１０では、図２９に示すように、散乱電子制限開口板３０の位置を、ΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対する照射レンズ２の物側焦点面位置とする。 実施例８で説明したように、本発明の荷電粒子ビーム装置用の照射光学系では、前記３条件ｌ１≠０、θｅ＞θ１、かつａｅ´＞ａ２が満たされていても、ΔＶが負の向きに大きいときには、ａ２の大きさによっては （２０）式及び（２１）式が成立しない。その理由は、先述のようにΔＶが負の向きに大きいときには、（２０）式において、ａｅ´と｜ｌ１／ｌｅ｜が同時に小さくなることである。
【０１６８】
この問題を軽減するため、実施例８では、ブランカー１５の電極が短くなり過ぎない程度に｜ｌ１｜を大きくし、｜ｌ１／ｌｅ｜を大きくすることを考えた。 本実施例では、この考えを発展させ、ΔＶが負の向きに大きくなり、ａｅ´が小さくなるときに、それを補うように｜ｌ１｜を大きくすることを考える。これを実現するためには、散乱電子制限開口板３０の位置を ΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対する照射レンズ２の物側焦点面位置とすればよい。そのようにすれば、ΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対し、射出瞳３０´が無限遠にでき、それと共に｜ｌ１｜＝∞となる。
【０１６９】
この効果を確認するため、（２０）式を｜ｌ１｜で除すと、
【０１７０】
【数２０】
【０１７１】
となる。（２７）式において、｜ｌ１｜→∞のとき、その右辺は発散せず、左辺は、
ａｅ ´／｜ｌｅ｜−｜1／ｌ１−1／ｌｅ｜ａ２→ａｅ´／｜ｌｅ｜−｜−1／ｌｅ｜ａ２＝（ａｅ´−ａ２）／｜ａｅ｜となる。即ち、１／ｌ１の絶対値が小さくなる分だけ、（２７）式の第２項−｜１／ｌ１−１／ｌｅ｜ａ２も小さくなり、（２７）式が成り立ちやすくなる。
【０１７２】
ただし、本発明の照射光学系において、そのようにすることは、散乱電子制限開口板３０の位置を光源の像４´（ΔＶ＝０）よりＺの正側とすることを意味する。これは、本照射光学系では、照射レンズ２により光源の像５が第１の成形開口板３の後段に結ばれているから、光源の像４´は、ΔＶ＝０に対する、照射レンズ２の物側焦点面の位置よりZの負側にあることによる。
【０１７３】
このように散乱電子制限開口板３０の位置が光源の像４´の位置よりZの正側となると、散乱電子制限開口板３０により電子ビーム１のビーム電流が削減される前に光源の像４´が結ばれるから、光源の像４´の位置における電流密度が高くなる。その結果、光源の像４´の位置においてベルシェ効果が促進される。これを防ぐため、散乱電子制限開口板３０とは別の制限開口板を、光源の像４´より前段に設け、ビーム電流を削減するのがよい。
【０１７４】
例えば、前記実施例５で示した漏れビーム制限開口板１９をブランカー１５より前段、かつ光源の像４´より前段に配置させ、その開口径を（２３）式に基づき十分に小さくすれば、漏れビーム制限開口板１９でビーム電流を削減し、ビームブランキング時の漏れビームを抑制しつつ、散乱電子制限開口板３０で引出電極２３からの散乱電子を遮蔽することができる。
【０１７５】
その際、散乱電子制限開口板３０の開口径を大きくし、同開口径に余裕を持たせれば、ブランカー１５により電子ビーム１が偏向されても、同ビーム、即ち、本来第１の成形開口板３を照射すべきビームが散乱電子制限開口板３０により遮蔽されないようにすることができる。そのためには、散乱電子制限開口板３０の位置におけるブランキング偏向距離をＤ１とすれば図３０に示すように、前記余裕を持たせた散乱電子制限開口板３０の開口の直径をｄ１＝２ａ１＋Ｄ１とし、そのうえで、散乱電子制限開口板３０の中心をＤ１／２の距離だけブランキング偏向の向きにずらせばよい。このとき、（２１）式における散乱電子制限開口板３０の開口半径はａ１＋Ｄ１とすればよい。ここで、ａ１は余裕を持たせない散乱電子制限開口板３０の開口の半径である。
【０１７６】
このように本発明の照明光学系において、散乱電子制限開口板３０の位置をΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対する照射レンズ２の物側焦点面位置としたことにより、ΔＶが負の向きに大きくなり、射出瞳２３´の大きさａｅ´が小さくなるとき、それを補うように第１の成形開口板５から射出瞳３０´までの距離ｌ１が大きくなるため、その分だけ（２０）式及び（２１）式が満たさやすくなる。即ち、その分だけ引出電圧２３の開口径を小さくし、同電極以降におけるベルシェ効果をより強く抑制する。
[実施例１１]
実施例１１は基本的に実施例９と構成を同じくするが、実施例１１では、図２９に示すように、散乱電子制限開口板３０の位置を、ΔＶ＝−Ｖｍｉｎを満たす電子に対する照射レンズ２の物側焦点面の位置とする。
【０１７７】
実施例１１の動作及び効果は、実施例１０のそれらと基本的に同じであるが、実施例１１においては、第１のレンズ１７を通過する電子は前記（２６）式を満たす。
[実施例１２]
実施例１２は基本的には実施例８から実施例１１と構成を同じくするが、実施例１２では、第２の成形開口板７の開口形状を単純な矩形でなく、より複雑な図形とし、キャラクタープロジェクションを実施する。実施例１２の動作及び効果も実施例８から実施例１１のそれらと同じである。
[実施例１３]
実施例１３は基本的には実施例８から実施例１２の構成と同じであるが、実施例１３では、電子ビームの代わりにイオンビームを用い、その動作及び効果は実施例８から実施例１２の同じである。
【符号の説明】
【０１７８】
１ 電子ビーム
２ 照射レンズ
３ 第１の成形開口板
４ 光源
４´、５、１６、５０ 光源の像
６ 成形レンズ
７ 第２の成形開口板
８ 縮小レンズ
９ 対物レンズ
１０ 材料
１１ 投影図形
１２ 成形偏向器
１３ 対物偏向器
１４ 材料ステージ
１５ ブランカー
１６ ブランキング開口板
１７ 第１のレンズ
１８ 第２のレンズ
１９ 漏れビーム制限開口板
２０ エミッタ電極
２２ アノード電極
２３ 引出電極
３０ 散乱電子制限開口板
２３´ 引出電極に関する射出瞳
３０´ 散乱電子制限開口板に関する射出瞳
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷電粒子ビーム装置に関し、更に詳しくは球面収差に起因する電流密度むらの低減を図った荷電粒子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子ビーム装置は、電子ビーム等の荷電粒子ビームを用いた装置である。例えば、電子顕微鏡や電子ビーム描画装置等は代表的な荷電粒子ビーム装置である。
【０００３】
図７は荷電粒子ビーム装置として、現在一般に用いられている可変成形電子ビーム描画装置の従来例（光学系）を示す図である。図において、電子ビーム１の行路は真空に保たれている。
【０００４】
先ず図７に示すように、光源４から出射された電子ビーム１が照射レンズ２を介して第１の成形開口板３に照射される。光源４としては、一般的にはＬａＢ6エミッタを備えた熱電子放出型電子銃が用いられる。光源４の像５は第１の成形開口板３の下に結ばれる。次いで、第１の成形開口板（又は絞りと称す）３の像が成形レンズ６に より第２の成形開口板７上に投影され、第１の成形開口板３の開口の像と第２の成形開口板７の開口との重なり（論理積）で決定される図形が、縮小レンズ８と 対物レンズ９を介して、レジスト（感光材料）を塗布した材料１０に投影される。
【０００５】
その結果、レジストが感光する。即ち、投影図形１１が材料１０に転写される。従って、投影図形１１の形状と寸法及び位置を制御することで、材料１０に所 望のパターンを描画することができる。パターン描画後、材料１０を現像すると、レジストの型により、感光部或いは非感光部が溶解し、材料１０上に所望のパ ターンが現れる。
【０００６】
投影図形１１の形状と寸法を制御するには、成形偏向器１２を用いる。成形偏向器１２により電子ビーム１を偏向し、第１の成形開口板３の開口の像を第２の 成形開口板７の開口に対して移動させる。投影図形１１の位置を制御するには、対物偏向器１３と材料ステージ１４を併用する。対物偏向器１３の偏向可能領域 （偏向フィールド）には制限があるため、先ず材料ステージ１４によりステップの大きな位置決めを行い、そのうえで対物偏向器１３よりステップの小さな位 置決めを行う。なお、成形偏向器１２及び対物偏向器１３としては、偏向速度を速くするため、静電偏向器が用いられる。
【０００７】
投影図形１１が常時材料１０に投影されていては一筆書きの図形しか描画できないため、一般の図形の描画には、電子ビーム１の遮断制御（ブランキング）が 必要となる。図７の光学系では、ブランカー１５によりこの遮断制御を行っている。より詳細には、先ずブランカー１５を働かせ、電子ビーム１をブランキン グ開口板１６で遮断してから、成形偏向器１２と対物偏向器１３を働かせ、投影図形１１の形状と寸法及び位置を決定した後に、ブランカー１５による電子ビー ム１の遮断を解除し、投影図形１１を材料１０上に投影する。そして、所定の時間だけ露光を行うと、再び電子ビーム１を遮断する。この所定の時間分の露光 は、通常「ショット」と呼ばれる。
【０００８】
材料１０の現像後に得られるレジストパターンの寸法精度を維持し、更には向上させるには、第１の成形開口板３上の電流密度分布をできるだけ均一にすることが重要である。第１の成形開口板３上の電流密度分布は、材料１０上における電流密度分布に直接反映されるから、第１の成形開口板３上の電流密度にむらが あると、それは投影図形１１内の電流密度のむら、即ち露光量の部分的な過不足となり、レジストパターンの寸法誤差として表れる。
第１の成形開口板３上の電流密度均一性を向上させるには、図７に示すように、像５の位置を第１の成形開口板３の位置から離せばよい。理想的には、像５の 結像位置は無限遠方とするのがよい。そのためには、図８及び図９に示すように、光源４を、或いは別に設けられた第１のレンズ１７により結ばれる像４’を、照射レ ンズ２の物側焦点面に位置させる。この時、第１の成形開口板３に入射する電子ビーム１は平行ビームとなる。
【０００９】
このように像５（図８及び図９には図示せず）の結像位置を無限遠方とすると、若し光源４及び像５の電流密度にむらがあっても、そのむらは第１の成形開口 板３上の電流密度分布には反映されなくなる。この種の照明は一般にケーラー照明と呼ばれる。ただし、ケーラー照明に基づく光学系には、通常被照射面（図８ 及び図９においては第１の成形開口板３）の位置と光学的に共役の関係にある位置に視野絞りを挿入するが、図８及び図９の光学系には、挿入していない。ここで光学的に共役とは２つの面が互いに物面と像面の関係にあることをいう。また、第１の成形開口板３上の電流密度均一性が十分良い限り、像５の結像位置は必ずしも無限遠方とする必要はない。
【００１０】
しかしながら、このように像５を第１の成形開口板３の位置から離すだけでは、第１の成形開口板３上における電流密度均一性が十分に高くなるとは限らな い。これは図８の照射レンズ２或いは図９の第１のレンズ１７に関する球面収差のためである。球面収差は光線の開き角の３乗に比例して大きくなる収差である。 必要なビーム電流が大きいと、必要な開き角が大きくなり、その結果、球面収差が大きくなる。
電流密度均一性が球面収差により悪化するのは、球面収差の非線形性のため、光線間の間隔が変化することによる。電流密度は、光線間の間隔が小さくなると 高くなり、同間隔が大きくなると低くなる。これを図１０を用いて説明すると、次のようになる。ただし、簡単のために、球面収差以外には電流密度むらの原因 はないものとする。
【００１１】
光源４において、即ち物面において中心軸（Ｚ軸）に対する傾きｕ0'がΔｕ0' の整数倍となっている光線群を図１０に示す。このような光線群は、球面収差のない限り図１０に示すように、照射レンズ２の通過前後に関わらず、中心軸の周りに同心円状に等間隔を隔てて並ぶ（実線）。そして、第１の成形開口板３においても、光線間の間隔は等間隔となる。しかしながら、実際には球面収差が存在 するから、同光線群は球面収差の分だけ軌道を変える（破線）。
【００１２】
そして、球面収差の非線形性のために、中心軸から見て外側にある光線ほど、非線形的に大きな軌道の変化を示す。その結果、図１０から分かるように、第１の成形開口板３における光線間の間隔は等間隔ではなくなり、中心軸からの距離と共に狭くなる。即ち、第１の成形開口板３における電流密度は、中心軸からの距離と共に高くなる。
【００１３】
光源４として電界放出型電子銃或いはショットキー型電子銃（熱電界放出型電子銃とも呼ばれる）を用いると、電子を大きく発散する性質から、開き角ｕ0’が大きくなり、球面収差が大きくなる。これらの電子銃は、高い輝度が得られる電子銃として、電子顕微鏡やスポット電子ビーム描画装置に用いられる有用な電子銃である。
【００１４】
これらの電子銃を可変成形電子ビーム描画装置に適用すれば、電流密度の高いビームが得られる。材料１０上における電流密度が高くなればショット時間が短縮され、描画スループットが向上するため、同電流密度の向上は、可変成形電子ビーム描画装置の開発における重要な課題である。現時点ではこれらの電子銃を 用いた可変成形電子ビーム描画装置は実用化されていないが、球面収差起因の電流密度むらが低減されれば、その実用化を促進することができる。
【００１５】
球面収差を低減する手法は、これまでにいくつか知られている。これらの手法は、主に電子顕微鏡やスポット電子ビーム描画装置においてスポットビームの径を小さくする、つまり像面における球面収差を小さくすることを目的としているが、同手法を可変成形電子ビーム描画装置の照明光学系に適用し、その球面収差 係数を小さくすれば、球面収差起因の電流密度むらが低減される。
【００１６】
像面における球面収差、及び物面における球面収差は、球面収差係数を用いて、それぞれ
ｄＵi＝ｍＣcｕ0’3 （１）
ｄＵ0＝ｄＵi／ｍ＝Ｃcｕ0’3 （２）
と表される。ここで、ｍは倍率、Ｃcは物側球面収差係数、ｕ0’は物面における光線の傾きである。物面における球面収差とは、像面における球面収差の、物面への写像である。（２）式より、球面収差係数Ｃcは、ｕ0’を１とした場合の、物面における球面収差と捉えることができる。従って、球面収差係数Ｃcは、倍率ｍによらずレンズの性能を示す指標として有用である。
（１）式及び（２）式におけるｕ0’の最大値即ち開き角は、次の関係から決定される。
ｕ0’max＝（Ｉ／ΠＪΩ）１／２ （３）
ここで、Ｉは必要なビーム電流、ＪΩは物面における角電流密度である。ビーム電流Ｉは、材料１０（図７参照）上における電流密度と、投影図形１１の外接円の面積との積とすればよい。（３）式から分かるように、ｕ0’maxは、照射レンズ２或いは第１のレンズ１７（図９参照）の倍率や収差係数には依存しない。つまり、Ｉ及びＪΩが一定である限り、ｕ0’maxは一定であるから球面収差を小さくするには、球面収差係数Ｃcを小さくする必要がある。
【００１７】
球面収差係数Ｃcをできるだけ小さくするには、初段レンズ、即ち図８の照射レンズ２或いは図９の第１のレンズ１７をできるだけ光源４の近くに置き、早い段階で電子ビーム１を集束するとよい。これは、図１１に示すように、照射レンズ２（或いは第１のレンズ１７）のＺ座標をｚ1からｚ2に変え、同レンズを光源４に近付けることにより、レンズ主面におけるｈ（ｚ）軌道の高さ（Ｚ軸からの距離）がｈ（ｚ1）からｈ（ｚ2）に減少するからである。ここで、ｈ（ｚ）軌道とは、光源４の位置する面を物面、光軸をＺ軸とすると、物面Ｚ＝Ｚ0において、ｈ（ｚ0）＝０、かつｈ’（ｚ0）＝ｄｈ（ｚ0）／ｄｚ＝１（つまりｕ0’＝１）となる近軸軌道である。
【００１８】
レンズ場の非線形成分はＺ軸からの距離と共に大きくなるから、ｈ（ｚ1）又はｈ（ｚ2）の値が小さいことは、光線がレンズ場の非線形成分の小さな領域を通過することに相当する。球面収差係数はレンズ場の非線形成分に由来しているため、ｈ（ｚ1）或いはｈ（ｚ2）の値を小さくすれば球面収差係数Ｃcも小さくなる。
【００１９】
初段レンズをできるだけ光源４に近づけるには、簡単には初段レンズを静電レンズとすればよい。静電レンズはコイルを必要とせず、電極のみで構成できるため、真空への特別な配慮なしに容易に真空中に設置することができる。これとは別に、初段レンズを磁界レンズとする方法も知られている（例えば特許文献１参照）。その場合、レンズコイルは大気中に置かれ、非磁性材料を介して、レンズ磁場が光源近くに局所的に印加される。また、磁界レンズとして永久磁石を真空 中に設ける手法も知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特許第４１４６１０３号公報（段落００２２〜００２３、図１）
【特許文献２】ＵＳ２００７／００５７６１７−Ａ１号公報（段落００１９〜００２０、図１）
【特許文献３】特開２０１０−２１４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
前述した手法により球面収差係数を小さくすることは原理的には可能であるが、実際にはその改善の程度は技術的困難による制限を受ける。先ず、初段レンズを静電レンズとした場合は、それを引出電極（電界放射型電子銃或いはショットキー型電子銃においてエミッタの直後に設けられる）より光源４側に寄せること はできない。初段レンズを磁界レンズとした場合は、高真空及び高電圧に配慮しつつ局所的な磁界を光源４付近に印加することが難しい。また、永久磁石を真空 中に設ける場合は、永久磁石からの脱ガスが問題となる。
【００２２】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は球面収差係数を減少させることとは別の手法により球面収差起因の電流密度むらを解消することである。そして、これにより、可変成形電子ビーム描画装置において、電界放出型電子銃又はショットキー型電子銃を用いつつ、電流密度均一性の高い ビームを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記の問題を解決するために、本発明は以下のような構成をとっている。
【００２４】
（１）請求項１記載の発明は、荷電粒子源、照明レンズ群、絞り、投影レンズ群、及び材料面の順にこれらが配置され、前記荷電粒子源から出射される荷電粒 子ビームが前記照明レンズ群を介して前記絞り上に照射され、更に投影レンズにより前記絞りの像が材料面上に結像される状態で絞りを通過したビームが材料上 に照射される荷電粒子ビーム装置において、前記照明レンズ群は、前記荷電粒子源の像が前記絞り上に結像しないように配置され、かつ前記照明レンズ群のうち の一つのレンズが、前記絞りの位置と光学的に共役関係にある位置に配置されることを特徴とする。
【００２５】
（２）請求項２記載の発明は、前記絞りの位置と光学的に共役関係にある位置に配置されたレンズは、前記照明レンズ群の前記荷電粒子源に最も近いレンズであることを特徴とする。
【００２６】
（３）請求項３記載の発明は、荷電粒子源、照明レンズ群、絞り、投影レンズ群及び材料面の順にこれらが配置され、前記荷電粒子源から出射される荷電粒子ビームが前記照明レンズ群を介して前記絞り上に照射され、更に投影レンズ群により前記絞りの像が材料面上に結像される状態で絞りを通過したビームが材料上に照射される荷電粒子ビーム装置において、前記照明レンズ群は、前記荷電粒子源の像が前記絞り上に結像しないように配置され、かつ前記照明レンズ群の位置及び強度は、前記荷電粒子源の位置する面を物面、光軸をＺ軸とし、該物面の位置ｚ＝ｚ0で、前記物面において前記光軸と交わる点を起点とし、
ｈ（ｚ0）＝０かつｈ’（ｚ0）＝ｄｈ（ｚ0）／ｄｚ＝１
となる近軸軌道ｈ（ｚ）からのずれを表わす球面収差軌道をｓ（ｚ）とした時、
前記絞りの位置ｚ＝ｚaで、
ｓ（ｚa）＝０
を満足するように設定されることを特徴とする。
【００２７】
（４）請求項４記載の発明は、前記荷電粒子源の像が、前記照明レンズ群の絞り側に最も近いレンズの物側焦点面の位置に結像されることを特徴とする。
【００２８】
（５）請求項５記載の発明は、前記照明レンズ群の前記荷電粒子源に最も近いレンズ群は、静電レンズであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の荷電粒子ビーム描画装置用の照明光学系は、第１の成形開口板の位置における球面収差軌道の高さ、即ち、Ｚ軸からの隔たりを無くすことで、球面収差起因の電流密度むらを解消することができる。
【００３０】
また、本発明の荷電粒子ビームの裾部のビームを遮蔽する制限絞りを設けた荷電粒子ビーム描画装置用の照明光学系は、ビームブランキング時の漏れビームを抑制することができ、かつ球面収差起因の電流密度むらを解消することができる。
【００３１】
また、本発明の散乱電子を遮蔽する制限絞りを設けた荷電粒子ビーム描画装置用の照明光学系は、光源の電極からの散乱電子に由来する収差を除去することができ、かつ球面収差起因の電流密度むらを解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１となるの照明光学系の構成例を示す図である。
【図２】図１の構成例におけるｈ（ｚ）及びｓ（ｚ）軌道を示す図である。
【図３】図１の構成例におけるｕ（ｚ，ｕ0’）の軌道を示す図である。
【図４】本発明の実施例２となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施例３となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図６】図５の構成例におけるｈ（ｚ）及びｓ（ｚ）軌道を示す図である。
【図７】可変成形電子ビーム描画装置の従来例を示す図である。
【図８】第１の成形開口板３を照明する光学系の構成例を示す図である。
【図９】第１の成形開口板３を照明する光学系の構成例を示す図である。
【図１０】光線間の間隔が変化する様子を示す図である。
【図１１】レンズ主面におけるｈ（ｚ）軌道の高さｈ（ｚ１）及びｈ（ｚ２）を示す図である。
【図１２】ビームブランキングの様子を示す図である。
【図１３】ブランキング開口板１６における光源の像５０の電流密度分布を示す図である。
【図１４】本発明の実施例５となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図１５】光源の詳細構成例を示す図である。
【図１６】図１４の構成例におけるｈ（ｚ）、ｋ（ｚ）及びｓ（ｚ）軌道を示す図である。
【図１７】図１４の構成例におけるｈ（ｚ）、ｋ（ｚ）、及び｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）｜をｚに対して表したグラフである。
【図１８】第１の成形開口３板付近の構成を示す図である。
【図１９】漏れビーム（光源裾に由来するビーム）を遮蔽する様子を示す図である。
【図２０】本発明の実施例６となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図２１】図２０の構成例におけるｈ（ｚ）、ｋ（ｚ）及びｓ（ｚ）軌道を示す図である。
【図２２】引出電極に由来する散乱電子の軌道と虚光源２４を示す図である。
【図２３】本発明の実施例８となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図２４】散乱電子の遮蔽原理を説明する図である。
【図２５】射出瞳の位置を説明する図である。
【図２６】散乱電子が遮蔽されない様子を説明する図である。
【図２７】（２０）式の左辺Ｓ１と同式の右辺Ｓ２を示すグラフである。
【図２８】散乱電子を遮蔽する様子を示す図である。
【図２９】本発明の実施例９となる照明光学系の構成例を示す図である。
【図３０】本発明の実施例１０における散乱電子制限開口板３０の開口径を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。本発明の構成は、照明光学系、即ち光源４から光源の像５までの構成を除き図７の構成と同じである。従って、図７と同一のものは、同一の符号を付して示す。
［実施例１］
本発明で提案する荷電粒子ビーム装置用の照明光学系、つまり光源４から第１の成形開口板３までを図１に示す。図１に示すように、同照明光学系は、光源 ４、第１のレンズ１７、第２のレンズ１８、照射レンズ２とからなる照明レンズ群、第１の成形開口板３及びブランカー１５から構成される。尚、光源４を構成する電子銃は、ショットキー型電子銃である。
【００３４】
なお、第１のレンズ１７は静電レンズ、第２のレンズ１８及び第３のレンズ２は磁界レンズである。第１のレンズ１７を静電レンズとするのは、前述したように、真空中への設置が容易なためである。但し、第１のレンズ１７を磁界レンズとしてもよい。
このように構成された装置の動作を説明するために、以下に第１の成形開口板３における電流密度分布が均一となる条件、即ち光線間の間隔が均一となる条件を導く。但し、簡単のために球面収差以外には、電流密度むらの原因は存在しないものとする。
【００３５】
先ず、第１の成形開口板３における光線の軌道を数式で表す。光源における光線の傾きｕ0'を用いれば、上述の近軸軌道ｈ（ｚ）即ち物面において光軸と交わる点を起点とし、Ｚ軸に対する傾きが１（ｈ’（ｚ0）＝１）である近軸軌道と、上述の球面収差軌道ｓ（ｚ）即ち近軸軌道ｈ（ｚ）からのずれを表わす収差軌道とを合成した軌道は、
ｕ（ｚ，ｕ0’）＝ｕ0’ｈ（ｚ）＋ｕ0’3ｓ（ｚ） （４）
と表せる。第１の成形開口板３の位置ｚ＝ｚaにおいては、（４）式は、
ｕ（ｚa，ｕ0’）＝ｕ0'ｈ（ｚa）＋ｕ0’3ｓ（ｚa） （５）
となる。
【００３６】
図１の光学系におけるｈ（ｚ）軌道及びｓ（ｚ）軌道を図２に、（４）式のｕ（ｚ，ｕ0'）軌道を図３に示す。像面のＺ座標（像４’或いは像５のＺ座標）をｚi、倍率をｍとすれば、ｓ（ｚi）＝ｍＣcである。
【００３７】
次に、ｚ＝ｚaにおける光線間の間隔
Δｕ（ｚa，ｕ0’）＝ｕ（ｚa，ｕ0’＋Δｕ0’）−ｕ（ｚa，ｕ0’）
のｕ0’への依存性を調べる。そのため、ｕ（ｚa，ｕ0’）の偏導関数
【００３８】
【数１】
【００３９】
を導く。これを用いれば、
【００４０】
【数２】
【００４１】
と表せる。
【００４２】
Δｕ（ｚa，ｕ0’）がｕ0'に依存することは、ｚ＝ｚaにおいて光線間の間隔が等間隔ではなく、電流密度むらがあることに相当する。逆に言えば、ｚ＝ｚaにおいて電流密度むらを小さくするには、Δｕ（ｚa，ｕ0’）がｕ0’に依存しないようにすればよい。そのためには、（６）式から分かるように、ｓ（ｚa）を小さくすればよい。
【００４３】
そこで、ｓ（ｚa）＝０となるように球面収差軌道ｓ（ｚ）を決定すれば、（５）式は
ｕ（ｚa，ｕ0’）＝ｕ0’ｈ（ｚa） （７）
となり、（６）式は
Δｕ（ｚa，ｕ0’）＝ｈ（ｚa）Δｕ0’ （８）
となる。この時、Δｕ（ｚa，ｕ0’）はｕ0'に依存しないから、ｚ＝ｚaにおいて電流密度は均一である。即ち、球面収差起因の電流密度むらは第１の成形開口板３上には現れない。そして、第１の成形開口板３と光学的に共役の関係にある面、即ち第２の成形開口板７及び材料１０（図７参照）上にも、球面収差
起因の電流密度むらは現れない。
【００４４】
像面ｚ＝ｚi（像４’或いは像５）においてｓ（ｚi）＝０となることはない、即ち、Ｃc＝ｓ（ｚi）／ｍ＝０となることはないが、第１の成形開口板３の位置ｚ＝ｚaにおいて、ｓ（ｚa）＝０となる条件は存在する。ｓ（ｚa）＝０とするには、第１のレンズの主面と、第１の成形開口板３とを互いに光学的に共役な位置に配置するべく、各レンズの位置と強度を決定するとよい。図１の光学系はそのように構成されている。
【００４５】
このような構成のもとで、第１のレンズ１７は十分に薄く、同レンズに関する球面収差は同レンズの主面で発生すると仮定し、更に第２のレンズ１８及び第 ３のレンズ２により生じる球面収差は十分に小さいと仮定すれば、図２から分かるように、球面収差軌道ｓ（ｚ）は第１のレンズの位置から大きくなり、その 後、第２のレンズ１８及び第３のレンズ２により集束され、ｚ＝ｚaにおいてｓ（ｚa）＝０となる。
【００４６】
一方、近軸軌道ｈ（ｚ）は、前記構成において、図２から分かるように、第２のレンズ１８と第３のレンズ２との間においてＺ軸と交わる。そのＺ座標は、図１における像４’の位置に相当する。
【００４７】
実際には、第１のレンズ１７には厚さがあり、かつ第２のレンズ１８及び第３のレンズ２により生じる球面収差は零でないため、前記構成のもとでは、厳密にはｓ（ｚa）＝０とはならない。厳密にｓ（ｚa）＝０とするためには、数値計算により球面収差軌道ｓ（ｚ）を求め、ｓ（ｚa）＝０となる条件を探せばよい。即ち、第１のレンズ１７、第２のレンズ１８及び照射レンズ２の位置及び強度の最適条件を見つけるべく、各レンズの電場或いは磁場分布を反映させた近軸軌道方程式及び収差軌道方程式を、収束条件をｓ（ｚa）＝０として繰り返し解けばよい。
【００４８】
但し、その際、ｓ（ｚa）＝０のほか、ｈ（ｚi）＝０及びｈ（ｚa）＝ｒa／ｕ0’maxも収束条件とするとよい。ここで、ｚiは像５のＺ座標、ｒaは第１の成形開口板３の開口を照明するのに必要な照射領域の半径、即ち、投影図形１１（図７参照）の外接円の第１の成形開口板３への写像（後述の図１８に示す円２５に相当する）の半径であり、ｈ（ｚi）＝０であることは、像５がｚ＝ｚiの位置にあることに相当し、ｈ（ｚa）＝ｒa／ｕ0’maxであることは、必要なビーム電流が第１の成形開口板３を通過することに相当する。これらの条件は、図１の照明光学系と、第１の成形開口板３以降の光学系とを整合させるために必要である。
【００４９】
これら３つの収束条件が満たされる解を得るには、前記計算において、第１のレンズ１７、第２のレンズ１８及び照射レンズ２の位置及び強度という合計６つの変数のうち、３つを固定とし、残りの３つを可変とする。例えば、第１のレンズ１７の位置と、照射レンズ２の位置及び強度を固定とし、第１のレンズ１７（静電レンズ）への印加電圧と第２のレンズ１８の位置及び強度とを可変とすればよい。
【００５０】
このように本発明によれば、球面収差軌道ｓ（ｚ）が、第１成形開口板上においてｓ（ｚa）＝０となるので、球面収差起因の電流密度むらが解消される。
［実施例２］
実施例２は基本的には実施例１と構成を同じくする。実施例２の動作は、以下の通りである。
【００５１】
実施例２では、実施例１と同様に、球面収差軌道ｓ（ｚ）が第１の成形開口板３の位置ｚ＝ｚaにおいてｓ（ｚa）＝０となるようにするが、図４に示すように、像４’の位置を第３のレンズ２の物側焦点面位置に一致させる。この時、第１の成形開口板３に入射するビームは平行ビームとなり、ｈ’（ｚa）＝０となる。
【００５２】
このようにすれば、光源の像５の結像位置が無限遠方となるため、第１の成形開口板３上における電流密度分布への光源４及び光源の像５の電流密度むらの影響が小さくなる。前記計算の際には、前記３つの収束条件ｓ（ｚa）＝０、ｈ（ｚi）＝０及びｈ（ｚa）＝ｒa／ｕ0’maxのうち、ｈ（ｚi）＝０をｈ’（ｚa）＝０に置き換えればよい。
[実施例３]
実施例３は基本的に実施例１及び実施例２と構成を同じくするが、実施例３では、図５に示すように第２のレンズ１８を省いたものである。その動作も基本的に実施例１、実施例２の構成と同じである。即ち、図６に示すように、球面収差軌道ｓ（ｚ）が第１の成形開口板３の位置ｚ＝ｚaにおいて、ｓ（ｚa）＝０となるようにする。但し、第２のレンズ１８を省いた分だけ、その効果を補うべく、第１のレンズ１７の強度を強くする必要がある。
[実施例４]
実施例４は基本的には実施例１から実施例３と構成を同じくするが、実施例４では、電子ビームの代わりにイオンビームを用いる。その動作は実施例１から実施例３の動作と同じである。
[実施例５]
本実施例で提案する光学系は実施例１で提案された荷電粒子ビーム装置用の照明光学系の構成にビームブランキング時の漏れビームを抑制する絞りを設けたものである。図７にその照明光学系の構成を示す。
【００５３】
図７に示すような可変成形電子ビーム描画装置で図形を描画する場合、先ず、ブランカー１５を働かせ、電子ビーム１を遮断（ビームブランキング）してから、成形偏向器１２と材料ステージ１４及び対物偏向器１３とを働かせ、投影図形１１の形状、寸法、及び位置を決定した後に、ブランカー１５による電子ビーム１の遮断を解除し、投影図形１１を材料１０上に投影し、所定の時間だけ露光を行う一連の動作を繰り返す。
【００５４】
このとき、前記ビームブランキング時には、図１２に示すように、光源の像５０がブランキング開口板１６に対して移動し、電子ビーム１が該開口板１６に遮られる。
【００５５】
この際、電子ビーム１が完全に遮断されなければ、材料１０上に電子ビーム１が照射され、レジストへの露光量が過多と成り、その結果、レジストパターンの線幅が増加する。または、その露光量が非常に多くなれば、漏れビームの痕がレジストに残る。
【００５６】
この漏れビームは、光源の像５０の裾に由来する。光源の像５０の電流密度分布は、クロスオーバ、即ち、光源４の電流密度分布（例えばガウス分布）を反映しており、一般に、図１３（ａ）において実線で示すように、その中央部（光軸上）において電流密度が最も高く、光軸からの半径が大きくなるにつれ徐々に低下する。
【００５７】
前記ビームブランキング時には、図１３（ｂ）に示すように、ブランキング開口板１６の開口部から光源の像５０が移動し、該開口板１６によって光源の像５０が遮断されるが、このとき、移動距離が十分でないと、光源の像５０の裾が該開口板５０のブランキング開口部１６にかぶさり、該開口部を通過した電流成分が漏れビームとなる。
【００５８】
図１４は、本発明の実施例５となる漏れビームを抑制する荷電粒子ビーム装置用の照明光学系の構成を示す一概略図である。図１４中、図１にて使用した記号と同一記号は同一構成要素を示す。
【００５９】
図１４において、実施例１の荷電粒子ビーム描画装置の照射光学系と異なるのは、ビームブランキング時の漏れビームを抑制する漏れビーム制限開口板１９をブランカー１５より前段（光源４側）、かつ、光源の像４´より前段（光源４側）に備えた点である。
【００６０】
ここで、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置をブランカー１５より前段とする理由は、ビームブランキングに伴い第１の成形開口いた３上の電流密度分布が変わるのを防ぐためである。もし、後段に配置すると、ビームブランキングに伴い漏れビーム制限開口板１９の開口に対する電子ビーム１の位置が変わり、該制限開口板の開口を通過する電子ビーム１の電流密度分布が変化することで、第１の成形開口板３上の電流密度分布が変わることがある。第１の成形開口板３上の電流密度変化は描画誤差の原因となる（特許文献３の段落００１０から００１２を参照）。
【００６１】
そして、該制限開口板１９の挿入位置を光源の像４'より前段とする理由は、光源の像が結ばれる前、つまりビーム径が小さくなる前に電子ビーム１の電流を削減することで、ベルシェ効果（特許文献３の段落００２３を参照）による電子のエネルギー分散（速度分散）の増大を抑制するためである。
【００６２】
なお、前記制限開口板１９の開口は円形である。また、前記ブランカー１５の偏向支点１００の高さ位置は第１の成形開口板３の高さ位置と一致させる。この目的は、ビームブランキングに伴い第１の成形開口板上の電流密度分布が変化するのを防ぐためである。
【００６３】
また、前記光源４を構成する電子銃はショットキー型（熱電界放出型）で図１５に示すようにカソード電極（以降、エミッタ電極と称する）２０、引出電極２３、アノード電極２２から成る。エミッタ電極２０はＺｒＯ／Ｗエミッタで、ＺｒＯ（酸化ジルコニウム）によりＷ（タングステン）の見かけの仕事関数を低くすることで高輝度が得られるようにしたエミッタである。
【００６４】
このように構成された荷電粒子ビーム描画装置用の照射光学系において、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置と開口径を如何に決定すべきかについて、以下に説明する。
【００６５】
先ず、荷電粒子ビーム装置用の照明光学系の光源４から光源の像５までの近軸軌道ｈ（ｚ）、近軸軌道ｋ（ｚ）及び球面収差軌道ｓ（ｚ）を図１６に示す。前記近軸軌道ｈ（ｚ）は、既出の通り、ｈ（ｚ０）＝０かつｄｈ（ｚ０）／ｄｚ＝１となる近軸軌道、前記ｋ（ｚ）軌道は、ｋ（ｚ０）＝１かつｋ（ｚ２）＝０となる近軸軌道である。前記ｓ（ｚ）軌道は、既出の通り、ｈ（ｚ）軌道からのずれに相当する収差軌道である。なお、ｚ０は光源４のＺ座標、ｚ２は第１の成形開口板３のＺ座標（実施例１から実施例４においてはｚａ）である。
【００６６】
実際には、引出電極２３の前後及びアノード電極２２の前後においては、近軸軌道ｈ（ｚ）、近軸軌道ｋ（ｚ）及び球面収差軌道ｓ（ｚ）軌道は、厳密には直線的とはならないが、図１６では、第１のレンズ１７の作用を分かりやすくするため、同領域におけるこれらの軌道が直線的に表されている。そして、光源４は仮想光源である。
【００６７】
本照明光学系において、光源４の裾の制限が強くなる条件、即ち、クロスオーバーの見かけの最大径（有効径）ａ０ｍａｘが小さくなる条件は、特許文献３の記載の光学系における条件と同じで、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置をｚ１とすれば、｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ１）｜が小さくなることである（特許文献３の段落００７０を参照。なお、近軸軌道ｋ（ｚ）は、同特許文献３においてはｓ（ｚ）と表記されている。）。これは、同条件を導くための数式、即ち特許文献３記載の（１）式（段落００４６を参照）、（７）式（段落００５５を参照）、（９）式（段落００６５を参照）、（１０）式（段落００６７を参照）に、ｈ（ｚ）及びｋ（ｚ）軌道の形に関する制約がないことによる。そこで、以下で、｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）)｜のZへの依存性を見る。
【００６８】
本照明光学系に対して具体的な寸法を与えて求めた近軸軌道ｈ（ｚ）、近軸軌道ｋ（ｚ）、及び｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）｜を、ｚを横軸にとって描いたグラフを図１７に示す。図１７中のZの範囲は、図１４における光源４から第１の成形開口板３までの範囲で、光源４、第１のレンズ１７、第２のレンズ１８、光源の像４´、照射レンズ２、第１の成形開口板３、及び光源の像５の位置を表すZ座標は、それぞれ、０．０、５．０、３５．５、６９．０（＝ｚｉ１）、１４０．０、１６９．５（＝ｚ２）、１９２.０（単位：ｍｍ）である。ただし、第１のレンズ１７及び照射レンズ２に由来する球面収差は無視し、第１のレンズ１７を第１の成形開口板３と光学的に共役な位置に配置した。
【００６９】
図１７において、｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）｜は、第１のレンズ１７及び第１の成形開口板３付近にて大きくなり、光源４及び光源の像４´の付近にて小さくなる。これは、第１の成形開口板３の位置と光学的に共役となる位置、即ち、第２のレンズ１８及び照射レンズ２に由来する球面収差を無視すれば第１のレンズ１７の位置にて｜ｋ（ｚｌ１）｜＝０、第１の成形開口板３の位置にて｜ｋ（ｚ２）｜＝０、光源４の位置にてｈ（ｚ０）＝０、光源の像４´の位置にてｈ（ｚｉｌ）＝０ となることによる。ここで、ｚｌ１は第１のレンズ１７のZ座標、ｚｉ１は光源の像４´のZ座標である。
つまり、｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）｜の大きさから、本光学系において、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置の候補となりうるのは、光源４或るいは光源の像４´の付近となる。
このことの一般性を確認するため、以下で、｜ｈ（ｚ）／ｋ（ｚ）｜の導関数を求め、その符号を判定する。そのため、光源４から第１の成形開口板３までの区間を３つの区間に分け、第１の区間を、光源４からｋ（ｚ）軌道がＺ軸と交わる点までの区間、即ち光源４から第１のレンズ１７までの区間、第２の区間を、ｋ（ｚ）軌道がZ軸と交わる点から光源の像４´までの区間、そして第３の区間を、光源の像４´から第１の成形開口板３までの区間とする。ただし、便宜上、ｈ（ｚ）＝０または、ｋ（ｚ）＝０となる点は、これらの区間には含めない。
図１７に示すように、第１の区間にてｈ（ｚ）＞０かつｋ（ｚ）＞０、第２の区間にてｈ（ｚ）＞０かつｋ（ｚ）＜０、第３の区間にてｈ（ｚ）＜０かつｋ（ｚ）＜０である。従って、
【００７０】
【数３】
【００７１】
とおくと、(９)式は、第１及び第３の区間では
【００７２】
【数４】
【００７３】
となり、第２の区間では
【００７４】
【数５】
【００７５】
となる。
そして、（１０）式と（１１）式の両辺をｚで微分すれば、ｒ（ｚ）の導関数
【００７６】
【数６】
【００７７】
【数７】
【００７８】
が得られる。ここで、φ（ｚ）は軸上電位を表す。
（１２）、(１３)式において、
【００７９】
【数８】
【００８０】
は、近軸軌道ｈ（ｚ）及びｋ（ｚ）が互いに一次独立であることから、近軸不変量（ｐａｒａｘｉａｌ ｉｎｖａｒｉａｎｔ）である。即ち、ｚに依存しない。（１４）式を用いると
、（１２）式と(１３)式は、それぞれ、
【００８１】
【数９】
【００８２】
【数１０】
【００８３】
となる。
【００８４】
（１５）と（１６）式より、ｒ（ｚ）はｚの増加と共に、第１の区間及び第３の区間では単調に増加し、第２の区間では単調に減少する。この結果は、図１７のグラフが示す傾向と一致する。従って、ｒ（ｚ１）＝｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ１）｜を小さくするには、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置Ｚ１を、第１及び第３の区間ではＺの負の側に寄せ、第２の区間ではＺの正の側に寄せるとよい。即ち、漏れビーム制限開口板１９は、第１の区間では光源４に対して近づけ、第２及び第３の区間では光源の像４´に対して近づけるのが良い。しかし、第３の区間は、ベルシェ効果及びブランカー１５の電極長の観点より、漏れビーム制限開口板１９を挿入する区間の候補から外れる。なお、ブランカー１５の電極長については後述する。
そこで、残る２つの区間を比較すると、第１の区間よりも第２の区間において、漏れビーム制限開口板１９を挿入するための空間的余裕が大きいうえに、ｒ（ｚ１）＝｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ１）｜が小さくなるＺの範囲も広いことから、漏れビーム制限開口板１９を挿入する区間として適当なのは、第２の区間となる。第１の区間よりも第２の区間において、｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ１）｜が小さくなるＺの範囲が広いのは、第２の区間自体が第１の区間自体より大きいことに加え、図１７に示すように、第１の区間よりも第２の区間において｜ｋ（ｚ１）｜が大きくなることによる。つまり、｜ｈ（ｚ１）｜を同じとすれば、｜ｋ（ｚ１）｜が大きいほうが、ｒ（ｚ１）＝｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ１）｜は小さくなる。
【００８５】
以上の検討結果を一旦ここでまとめると、本光学系において、光源の裾の制限を強めるには、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置を、光源の像４´より前段としたうえで、同挿入位置を光源の像４´に対し近づければ、即ち、光源の像４´から漏れビーム制限開口板１９までの距離を短くすればよい。ただし、前記距離を決定し、更に漏れビーム制限開口板１９の挿入位置を決定するには、
１）漏れビーム制限開口板１９によるビーム電流の制限
２）光源の像４´の位置
３）光源の像５の位置や第１の成形開口板３上の電流密度などへの影響
を考慮する必要がある。
【００８６】
先ず、１）制限開口板によるビーム電流の制限を考慮する必要があるのは、漏れビーム制限開口板１９が光源の裾の制限とビーム電流の制限の両方を担っていることによる。漏れビーム制限開口板１９によるビーム電流の制限は、前記距離が短くなるほど、即ち、光源の裾の制限が強くなるほど弱くなる。これは、ａ１ｍｉｎが｜ｈ（ｚ１）｜とともにが小さくなることの結果として、ａ１がａ１ｍｉｎに対して大きくなることによる。ここで、ａ１は漏れビーム制限開口板１９の開口半径、ａ１ｍｉｎは、特許文献３記載の（２）式（段落００４７を参照）の表すａ１の最小値である。
ａ１及びａ１ｍｉｎの数値例を二つ、ａ０ｍａｘ及びＤ３ｍｉｎの数値例と共に、以下に示す。ここで、Ｄ３ｍｉｎは、特許文献３記載の（１３´）式に示すブランキング開口板１６の位置ｚ３におけるブランキング偏向距離｜ｄ（ｚ３）Ｖ｜の最小値である。
それらの計算には、図１７に示す近軸軌道ｈ（ｚ）及び近軸軌道ｋ（ｚ）を用いる。ただし、図１８に示す円２５を通過する電流を１μＡ、エミッション電流、即ち、漏れビーム制限開口板１９より前段における電子ビーム1の電流を１００μＡとする。
【００８７】
ここで、前記円２５は、開口２１の外接円である。そして、開口２１は第２の成形開口板７の開口の第１の成形開口板３への写像７´と、第１の成形開口板３の開口３´との重なりにより生じる開口（論理積）である。
一つ目の数値例として、漏れビーム制限開口板１９の位置を、光源の像４´の位置ｚｉ１＝６９．０ｍｍ に対し２０ｍｍ離し、ｚ１＝４９．０ｍｍとする場合を考える。この場合、｜ｈ（ｚ１）／ｋ（ｚ２）｜＝０．６５、｜ｋ（ｚ１）｜＝６．１となる。
【００８８】
このとき、ａ２＝３０μｍ、ａ３＝３０μｍ、ｈ（ｚ３）＝０、｜ｋ（ｚ１）／ｋ（ｚ３）｜＝１／３とすると、特許文献３記載の（７）式（段落００５５を参照）より、ａ１＝３０μｍ、ａ１ｍｉｎ＝２０μｍとなる。ここで、ａ２は円２５の半径、ａ３はブランキング開口板１６の開口半径である。これらの数値を特許文献３の記載の（９）式（段落００６５を参照）、特許文献３の記載の（１３´）式（段落００８７を参照）に代入すると、ａ０ｍａｘ＝８．１μｍ、Ｄ３ｍｉｎ＝１７７μｍとなる。
【００８９】
そして、漏れビーム制限開口板１９を通過するビーム電流は、面積比（ａ１ｍｉｎ／ａ１）２から単純に計算すると、２.３μＡとなる。即ち、漏れビーム制限開口板１９によりエミッション電流の９８％が遮蔽される。この例においては、光源の裾の制限とビーム電流の制限は十分と言える。
【００９０】
２つ目の数値例として、漏れビーム制限開口板１９の位置を、光源の像４´の位置ｚｉｌ＝６９．０ｍｍに対し非常に近く、ｚ１＝６７．８ｍｍとする場合を考える。この場合、ａ１＝１１μｍ、ａ１ｍｉｎ＝１．２μｍ、ａ０ｍａｘ＝２．０μｍ、Ｄ３ｍｉｎ＝６７μｍとなる。即ち、光源の裾の制限が強くなり、必要なブランキング偏向距離は小さくなる。
【００９１】
しかし、漏れビーム制限開口板１９を通過するビーム電流は、面積比 （ａ１ｍｉｎ／ａ１）２から単純に計算すれば、８６μＡと大きくなる。これは一つ目の数値例におけるビーム電流値の約４０倍である。このとき、漏れビーム制限開口板１９により遮蔽されるエミッション電流の割合は、１４％と小さくなる。この場合、漏れビーム制限開口板１９はビーム電流の制限の役目をほとんど果たしていない。
【００９２】
２）光源の像４´の位置を考慮する必要があるのは、ブランカー１５が漏れビーム制限開口板１９より後段に配置されるため、ブランカー１５の電極長によって漏れビーム制限開口板１９の挿入位置が制限を受けることによる。言い換えると、光源の像４´の位置が、間接的にブランカー１５の電極長を決定する。そのため、仮に漏れビーム制限開口板１９が前記第２の区間内にあったとしても、光源の像４´の位置によっては、前記電極長が短くなる。
【００９３】
そして、ブランキング偏向距離を確保すべく、ブランカー１５の対向する電極間の距離を小さくすることが必要と成り、このことが、電極の表面へのコンタミネーションの付着やその帯電と言った問題点を増長する。つまり、光源の像４´から漏れビーム制限開口板１９までの距離を短くしつつも、ブランカー１５の電極長を長くすることが求められる。
【００９４】
そのようにするには、漏れビーム制限開口板１９と共に、光源の像４´を光源４側に寄せればよい。つまり、本光学系においては、光源の像４´の位置が第２のレンズ１８から光源の像４´までの距離を光源の像４´から照射レンズ２までの距離より短くするとよい。
【００９５】
この考えを押し進めれば、光源の像４´の位置と、光源の像４´から漏れビーム制限開口板１９までの距離とを決定するのは、ブランカー１５の電極長を決定した後とするのがよい。即ち、ブランカー１５の上端は第２のレンズ１８の直後、またはブランカー１５の下端は照射レンズ２の直前として、ブランカー１５の電極長を極力長くした後に、光源の像４´及び漏れビーム制限開口板１９の位置を決定するとよい。その結果、場合によっては、漏れビーム制限開口板１９の挿入位置は、第２のレンズ１８の中、あるいはそれより光源４側とな得る。
【００９６】
３）光源の像５の位置などへの影響を考慮する必要があるのは、光源の像４´の位置を変えるために第１のレンズ１７、第２のレンズ１８の強度などの光学パラメータを変更すると、それに連動して光源の像５の位置なども変わることによる。言い換えると、本光学系を設計することは、その光学パラメータを、光源の像４´の位置や光源の像５の位置などの各々に関する条件を満たすように決定することである。
【００９７】
より詳細には、本光学系において、光学パラメータの決定のための条件が付される項目は、Ａ) 光源の像４´の位置、Ｂ) 光源の像５の位置、Ｃ) ブランキング偏向支点位置、Ｄ) 球面収差軌道がZ軸と交わる位置、及びＥ)第１の成形開口板３上における電流密度の５項目である。これら５項目に関する条件を以下で述べる。
【００９８】
先ず、Ａ）源の像４´の位置に関する条件は、該位置が、光源の裾の制限の強さとビーム電流制限との観点から最適となる位置に一致することである。その位置をｚｉｌを用いれば、同条件は｜ｈ（ｚｉｌ）|＝０となる。次に、Ｂ）源の像５の位置に関する条件は、同位置が、図７或いは図１２の光学系における光源の像５の位置に一致することである。その位置ｚｉ２とすると、同条件は|ｈ（ｚｉ２）|＝０となる。
【００９９】
次に、Ｃ）ランキング偏向支点位置、及びＤ）球面収差軌道がＺ軸と交わる位置に関する条件は、それらの位置が、第１の成形開口板３の位置に一致することである。これらの条件は、それぞれ、|ｄ（ｚ２）|＝０及び|ｓ（ｚ２）|＝０となる。ここで、ｄ（ｚ）は単位ブランキング偏向電圧に対するブランキング偏向軌道を表す。
【０１００】
そして、次に、Ｅ）１の成形開口板３上における電流密度に関する条件は、同電流密度が、投影図形１１の電流密度と、第１の成形開口板３を基準とした投影図形１１の投影倍率とから決まる電流密度に等しくなることである。
ここで、第１の成形開口板３上における電流密度の目標値をＪ２、投影図形１１の電流密度をＪ、第１の成形開口板３を基準とした投影図形１１の投影倍率をｍとおくと、Ｊ２＝ｍ２Ｊの関係がある。
【０１０１】
ただし、第１の成形開口板３上における電流密度に関する前記条件は、図１８中の円２５の内部を電流密度Ｊ２で照射するのに必要な電流
【０１０２】
【数１１】
【０１０３】
を有するビームの、第１の成形開口板３の位置における断面の半径
ａ２´＝｜ｈ（ｚ２）｜α０が、円２５の半径に一致すること、つまり
【０１０４】
【数１２】
【０１０５】
となることと等価である。即ち、第１の成形開口板３上における電流密度に関する前記条件は、（１７）、（１８）式より、
【０１０６】
【数１３】
【０１０７】
と表せる。ここで、α０は光源４（仮想光源）における電子放出角（開き角）、
ＪΩは、光源４の角電流密度である。 一方、本光学系において決定すべき光学パラメータは、電子銃の輝度及び角電流密度、光源４の位置、第１のレンズ１７の位置と強度、第２のレンズ１８の位置と強度、照射レンズ２の位置と強度、ブランカー１５の位置及び偏向角比（特許文献３の段落００１０を参照）、及び第１の成形開口板３の位置である。前記５項目に関する条件を満たすには、これらの光学パラメータのうち、５つを可変とし、本光学系の自由度を５とすれば良い。
【０１０８】
前記光学パラメータのうち、どの５つを可変とするかは、それらに関する物理的制約から判断するとよい。本実施例では、前記光学パラメータのうち、ａ)第１のレンズ１７の強度、ｂ)第２のレンズ１８の位置、ｃ)第２のレンズ１８の強度、ｄ)照射レンズ２の強度、及びｅ)ブランカー１５の偏向角比の５つを可変パラメータとし、残りを固定パラメータとする。これら固定パラメータの具体的数値は、それらに関する物理的制約や目標とする装置仕様に基づき決定する。
【０１０９】
なお、前記５条件が満たされるように前記可変パラメータを決定するには、Ｚ軸上の磁場・電場分布を求めたうえで、前記５条件を収束条件とし、近軸軌道ｈ（ｚ）、近軸軌道ｋ（ｚ）、ブランキング偏向軌道ｄ（ｚ）及び球面収差軌道ｓ（ｚ）軌道を求めるべく、前記可変・固定パラメータと磁場・電場分布を反映させた近軸軌道方程式及び収差軌道方程式を、数値計算により、解が収束するまで、可変パラメータの値を変えながら繰り返し解けばよい。ただし、前記実施例の図１７で示した前記近軸軌道ｈ（ｚ）及び前記近軸軌道ｋ（ｚ）は、各レンズを薄レンズ近似したうえで、レンズの公式ｌｏ−１＋ｌｉ−１＝ｆ−１を用いることで簡単に求めたものである。ｌｏは物面からレンズ主面までの距離、ｌｉはレンズ主面から像面までの距離、ｆは焦点距離である。図１７において、第２のレンズ１８及び照射レンズ２に由来する球面収差は無視し、第１のレンズ１７を第１の成形開口板３と光学的に共役な位置に配置したことから、球面収差軌道に関する条件｜ｓ（ｚ２）｜＝０を｜ｋ（ｚｌ１）｜＝０に置き換えた。
【０１１０】
前記５つの可変パラメータの内、ａ）第１のレンズ１７の強度、ｃ）第２のレンズ１８の強度、及びｄ）照射レンズ２の強度の３つは、本光学系を設計、構築、調整し、その運用を開始した後でも、可変とすることが容易である。即ち、装置運用の際には、これら３つを可変パラメータとすることができる。ここで、残りの２つ、即ちレンズ１８の位置及びブランカー１５の偏向角比の２つは固定パラメータとする。
【０１１１】
そのようにすれば、装置運用時の自由度は３となり、例えば、光源の像４´の位置及びブランキング偏向支点１００の位置の変化が許容範囲内に収まることを前提に、光源の像５の位置、第１の成形開口板３上における電流密度、及び球面収差軌道がZ軸と交わる位置の３項目が独立に設定できる。或いは、光源の像４´の位置及び球面収差軌道がＺ軸と交わる位置の変化が許容範囲内に収まることを前提に、光源の像５の位置、第１の成形開口板３上における電流密度、及びブランキング偏向支点位置の３項目が独立に設定できる。補足すると、ブランキング偏向支点位置を第１の成形開口板３の位置に保つことは、照射レンズ２の強度をブランキング偏向支点位置に対し最適化したまま、変えないことに相当する。つまり、このとき、照射レンズ２の強度は、実質的には固定パラメータとなる。
【０１１２】
以上のようにして本発明の実施例５となる荷電粒子ビーム描画装置用の照明光学系に対し、上記光学パラメータと共に漏れビーム制限開口板１９の挿入位置及び開口径が決められる。
【０１１３】
図１９は、本光学系において、光源の裾部に由来する漏れビームが遮蔽される様子を示す。図中において、実線で示すように、光源４の中央部から出射され、第１の成形開口板３上の円２５の内部に向かう電子は制限開口板１９の開口部を通過するのに対して、破線で示すように、光源４の裾部から出射され、円２５の内部に向かう電子は第１のレンズ１７により大きく曲げられ制限開口板１９にけられるので、ビームブランキング時にブランキング開口板１６からの漏れビームがなくなる。
【０１１４】
このように本発明に基づく漏れビームを抑制する荷電粒子ビーム装置用の照明光学系においては、漏れビーム制限開口板１９をブランカー１５より前段、かつ、光源の像４´より前段に配置させたことにより、漏れビーム制限開口板１９に対する荷電粒子ビームの位置がビームブランキングと共に変わるのを防ぎつつ、更に、光源の像４´におけるベルシェ効果を抑制しつつ、光源４の裾部に由来するビームブランキング時の漏れビームを抑制することができる。
[実施例６]
実施例６は基本的には実施例５と構成を同じくするが、実施例６では、図２０に示すように第２のレンズ１８を省く。図２０の照明光学系における光源４から光源の像５までの近軸軌道ｈ（ｚ）、近軸軌道ｋ（ｚ）、及び球面収差軌道ｓ（ｚ）を図２１に示す。
実施例６の動作及び効果は基本的に実施例５のそれらと同じであるが、第２のレンズ１８が省かれたことから、可変とすべき光学パラメータが実施例５のそれとは異なる。
【０１１５】
本実施例では、装置設計時及び調整時には、光源４の位置、第１のレンズ１７の強度、照射レンズ２の位置及び強度、及びブランカー１５の偏向角比の５つを可変パラメータとする。そして、電子銃の輝度及び角電流密度、光源４から第１のレンズ１７までの距離、ブランカー１５の位置、及び第１の成形開口板３の位置を固定パラメータとする。
【０１１６】
装置運用時には、前記５つの可変パラメータの内、光源４の位置、照射レンズ２の位置、及びブランカー１５の偏向角比の３つを固定パラメータとし、残りの２つ、即ち、第１のレンズ１７の強度及び照射レンズ２の強度を可変パラメータとする。その結果、装置運用時の自由度は２となり、例えば、光源の像４´の位置、ブランキング偏向支点１００位置、及び球面収差軌道ｓ（ｚ）がＺ軸と交わる位置の変化が許容範囲内に収まることを前提に、光源の像５の位置及び第１の成形開口板３上における電流密度の２つが独立に設定できる。
[実施例７]
実施例７は基本的には実施例５から実施例６と構成を同じくするが、実施例７では、電子ビームの代わりにイオンビームを用いる。その動作及び効果は実施例５及び実施例６のそれらと同じである。
[実施例８]
実施例８で提案する光学系は、実施例１で提案された荷電粒子ビーム装置用の照明光学系の構成に散乱電子を遮蔽する絞りを設けたものである。
【０１１７】
光源４を構成する電子銃はショットキー型（熱電界放出型）電子銃で、図１５に示すように、エミッタ電極２０と引出電極２３とアノード電極２２からなる。引出電極２３は、エミッタ電極２０の先端における電界を高くし、より多くの電子をエミッタ電極２０から引き出すための電極である。引出電極２３及びそれ以降の空間における電位はエミッタ電極２０の電位より高いため、エミッタ電極２０から放出された電子ビーム１は、引出電極２３の開口の縁に衝突する。
【０１１８】
その結果、図２２（ａ）に示すように、引出電極２３の開口の縁で電子が散乱される。この散乱電子の軌道を光源４側に延長すると、図２２（ｂ）に示すように、光源の位置において、光源４に重なるように、それより大きな広がりを持つ虚光源２４が作られる。即ち、前記散乱電子は、引出電極２３以降の地点から見れば、虚光源２４に由来するように見える。そして、虚光源２４に起点を持つ光線は、光源の像４´、５、及び５０の位置に、更には対物レンズ９内に結ばれる光源の像（図示せず）の位置に、虚光源２４の像を構成する。即ち、前記散乱電子は、これらの光源の像像４´、５の位置において、本来の像よりも大きな広がりを持つビーム成分となる。
【０１１９】
このビーム成分は、露光時において、収差の大きなビーム成分となり、光源の像４´の位置に結ばれる虚光源２４の像のために、対物レンズ９に対する開き角が大きくなり、開き角に依存する収差（幾何収差及び色収差）が大きくなる。更には、引出電極２３の開口部の縁により散乱された電子は、散乱の過程で運動エネルギーを失った結果、大きなエネルギー分散を示し、該散乱電子は色収差を大きくする原因となり得る。
【０１２０】
図２３は本実施例で提案する光学系、即ち光源の電極から発生する散乱電子を遮蔽する荷電粒子ビーム装置用の照明光学系の構成を示す一概略図である。図２３中、図１にて、使用した記号と同一記号は同一構成要素を示す。
【０１２１】
図２３の光学系が図１の光学系、即ち、実施例１の荷電粒子ビーム描画装置用の照射光学系と異なるのは、引出電極２３に由来する散乱電子を遮蔽する散乱電子制限開口板３０を備えた点である。その位置は、散乱電子に対して第１の成形開口板３と光学的に共役関係にある面３１より第１の成形開口板側である。
【０１２２】
なお、図２３の照明光学系において、第１のレンズ１７、第２のレンズ１８、及び照射レンズ２は磁界レンズとし、ブランキング開口板１６の開口は円形とし、光源４の中心、エミッタ電極２０、引出電極２３及びアノード電極２２の開口の中心、第１のレンズ１７、照射レンズ２、及び成形レンズ６の中心、ブランキング開口板１６の開口の中心、円２５（図１８を参照）の中心、及び第２の成形開口板７への円２５の写像の中心は、Ｚ軸上にあるものとする。
【０１２３】
このように構成された本発明の実施例８とする照射光学系に対し、散乱電子制限開口板３０の挿入位置と開口径を如何に決定すべきかについて以下で説明する。
【０１２４】
引出電極２３からの散乱電子を遮蔽するには、散乱電子が第１の成形開口板３上の円２５（図１８）を通過しないようにすれば良い。この要件を満たすための条件は、引出電極２３の縁を起点とし、円２５を通過する光線が、散乱電子制限開口板３０で遮蔽されることである。
前記条件は、言い換えれば、図２４（ａ）に示すように、引出電極２３の開口に関する射出瞳２３´ の縁を起点とし、第１の成形開口板３上の円２５を通過する光線が、散乱電子制限開口板３０に関する射出瞳３０´により遮られることである。
【０１２５】
ここで、前記射出瞳とは、学術的に開口絞りより像側の光学系で結像された開口絞りの像として定義される。
【０１２６】
本発明の荷電粒子ビーム描画装置用の照射光学系における射出瞳の位置は、
引出電極２３及び散乱電子制限絞り３０の位置、そして散乱電子のエネルギーに依存し、する。図２５では、射出瞳２３´は第１の成形開口板３より光源４側に、射出瞳３０´は該第１の成形開口板３より光源の像５側に位置しているが、前記理由のため、これらの射出瞳の位置は、該第１の成形開口板３より光源４側にも、光源の像５側にもなりうる。
【０１２７】
図２４（ａ）において、第１の成形開口板３上の円２５と射出瞳２３´、３０´との幾何学的関係から、前記条件は、
【０１２８】
【数１４】
【０１２９】
と表せる。（２０）式の両辺に｜ｌｅ｜を乗じれば
【０１３０】
【数１５】
【０１３１】
となる。ここで、ａｅ´は引出電極２３に関する射出瞳２３´の半径、ａ１´は散乱電子制限開口板３０に関する射出瞳３０´の半径、ａ２は第１の成形開口板３上の円２５の半径、ｌｅは第１の成形開口板３から（円２５から）射出瞳２３´までの距離、ｌ１は第１の成形開口板３から射出瞳３０´までの距離である。ａｅ´及びａ１´は、散乱電子制限開口板３０の開口に対する射出瞳３０´の倍率をｍ１、引出電極２３の開口に対する射出瞳２３´の倍率をｍｅとすれば、それぞれ、ａｅ´＝｜ｍｅ｜ａｅ及びａ１´＝｜ｍ１｜ａ１と表せる。ａｅは引出電極２３の開口の半径、ａ１は散乱電子制限開口板３０の開口の半径である。ｌｅ及びｌ１の符号は、射出瞳２３´、３０´が第１の成形開口板３よりもＺの正の側（材料側）にあれば正とする。以降の説明では、便宜上、（２０）式ではなく、（２１）式を主に用いる。
【０１３２】
この（２１）式が成立するための必要条件は３条件ある。その内の第１の条件は、ｌ１≠０となること、即ち射出瞳３０´のZ座標が第１の成形開口板３のＺ座標に一致しないこと、第２の条件は、θｅ＞θ１となること（図２４（ｂ）を参照）、第３の条件は、ｌｅ＝０となる場合にａｅ´≧ａ２となることである。なお、θｅ＝ ａｅ´／｜ｌｅ｜（＞０）は第１の成形開口板３の円２５の中心から射出瞳２３´を見込む角度、θ１＝ ａ１´／｜ｌ１｜（＞０）は同じく円２５の中心から射出瞳３０´を見込む角度を示す。 前記第１の条件が満たされない場合、即ち、ｌ１＝０となる場合は、(２１)式の左辺は−｜ｌｅ｜ａ２（＜０）となるが、右辺は｜ｌｅ｜ａ１´（＞０）であるため、(２１)式は成立しない。
【０１３３】
また、前記第２の条件が満たされない場合、即ち、θｅ≦θ１である場合は、｜ｌ１｜ａｅ´ ≦｜ｌｅ｜ａ１´となり、この両辺から｜ｌｅ −ｌ１｜ａ２を引くと、
｜ｌ１｜ａｅ´−｜ｌｅ-ｌ１｜ａ２ ≦ ｜ｌｅ｜ａ１´−｜ｌｅ-ｌ１｜ａ２ ＜ ｜ｌｅ｜ａ１´となることから分かるように、
この場合も（２１）式は成立しない。
【０１３４】
そして、前記第３の条件が満たされない場合、即ち、ｌｅ＝０となる場合にａｅ´＜ａ２となる場合、（２１）式の左辺は｜ｌ１｜ａｅ´−｜ｌ１｜ａ２＝｜ｌ１｜(ａｅ´−ａ２)（＜０）となるが、
同じく（２１）式の右辺は零となるから、この場合も（２１）式は成立しない。
ただし、前記量ｍｅ、ｍ１、ｌｅ、ｌ１、及びａｅ´＝｜ｍｅ｜ａｅ、ａ１´＝｜ｍ１｜ａ１は、電子のエネルギーに依存するため、電子のエネルギー分散の大きさ、及び前記量の電子のエネルギーへの依存性によっては、前記３条件は成立しないことがある。逆に言えば、前記３条件は、電子のエネルギーによらず成立する必要がある。
続いて、本発明の荷電粒子ビーム描画装置の照射光学系における電子のエネルギー分散について説明する。なお、以降において、電子のエネルギーは、エミッタ電極２０に対する電位、即ち対エミッタ電圧Ｖとして表す。従って、前記量ｍｅ、ｍ１、ｌｅ、ｌ１、ａｅ´、ａ１´は対エミッタ電圧Ｖの関数である。 引出電極２３への印加電圧、即ち引出電圧をＶｅ（＞０）とすると、引出電極２３で散乱され、かつ、Zの正の向きに速度ベクトルを持つ電子のエネルギ−Ｖ＝Ｖｅ＋ΔＶは、０＜Ｖｅ＋ΔＶ≦Ｖｅと表せる。即ち、
【０１３５】
【数１６】
【０１３６】
の関係が成り立つ。なお、ΔＶは、エネルギーの変化分を表す。引出電極２３による電子の散乱には二次電子の発生を伴うが、この二次電子を含めても（２２）式は成り立つ。
【０１３７】
ここで、ΔＶ≦０となるのは、電子は散乱過程においてエネルギーを失うことを意味している。引出電圧は一般に数ｋＶであることから、ΔＶの範囲の幅即ちエネルギー分散の大きさＶｅは、同じく数ｋＶと大きい。そこで、以降では、散乱により生じるエネルギー分散以外のエネルギー分散は無視する。そのようなエネルギー分散は、エミッタ電極２０から放出された時点で電子が持っているエネルギー分散と、その後にベルシェ効果により増加したエネルギー分散とによるもので、その大きさは、ベルシェ効果を考慮したとしても、数Ｖ程度と小さいからである。
上述したようにＶｅは数ｋＶ以上となりうるため、Ｖａの大きさによっては、前記エネルギー分散は無視できない程度に大きな色収差を生む。ここで、Ｖａはアノード電極２２及びそれ以降の空間における電位である。特に、第１のレンズ１７は引出電極２３とアノード電極２２の間にあることから、第１レンズ１７の位置において軸上電位はＶｅ＜Ｖ＜Ｖａの範囲にあるため、前記エネルギー分散は第１のレンズ１７に対し、非常に大きな色収差を生む。
【０１３８】
次に、(２２)式を満たす電子に対し前記３条件を満たす条件について説明する。ただし、第１の成形開口板３上の円の半径ａ２は、投影図形１１の投影倍率と寸法とから決まる量であるため、以降では固定とする。
【０１３９】
前記第一の条件ｌ１≠０を満たすためには、即ち、射出瞳３０´のZ座標が第１の成形開口板３のZ座標に一致しないようにするためには、（２２）式を満たす電子に対して、散乱電子制限開口板３０の位置を、第１の成形開口板３と光学的に共役関係にあり、かつ、第１の成形開口板３に最も近い面３１（図２３を参照）の位置よりも第１の成形開口板３側とすればよい。そのためには、最も厳しい条件として、ΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対して、散乱電子制限開口板３０の位置が面３１の位置よりも第１の成形開口板３側となるという条件が満たされればよい。そのようにすれば、ｌ１＞０となる。これは、射出瞳３０´の位置はΔＶの増加とともにZの正の向きに移動することによるものである。
【０１４０】
前記第２の条件θｅ＞θ１を満たすためには、投影図形１１の電流密度及びその分布に影響が出ない範囲で、（２２）式を満たす電子に対して、できるだけａ１´を小さく、かつ｜ｌ１｜を大きくしたうえで、引出電極２３の開口の半径ａｅを大きくすると良い。ここで、できるだけａ１´を小さく、かつ｜ｌ１｜を大きくするには、同じく投影図形１１の電流密度及びその分布に影響が出ない範囲で、できるだけ散乱電子制限開口板３０の開口の半径ａ１を小さく、そしてできるだけｚ１をZの正の側に大きくするとよい。
【０１４１】
特許文献３によれば、散乱電子制限開口板３０が投影図形１１の電流密度及びその分布に影響を与えない条件は、
【０１４２】
【数１７】
【０１４３】
である。ここで、ａ３はブランキング開口板１６の開口半径、ｚ３はブランキング開口板１６のＺ座標、ｈ（ｚ）及びｋ（ｚ）は既出の近軸軌道である。
【０１４４】
（２３）式より、散乱電子制限開口板３０の開口半径ａ１を小さくするには、ｈ（ｚ１）を小さくすればよいことが分かる。そのためには、散乱電子制限開口板３０の位置を光源の像４´の位置に近づければよい。
【０１４５】
前記第３の条件、即ちｌｅ＝０となる場合にａｅ´≧ａ２となる条件を満たすには、（２２）式を満たす電子の内、射出瞳２３´の位置を第１の成形開口板３の位置に一致させるエネルギー、即ち、引出電極２３の像を第１の成形開口板３上に結ぶエネルギーを持つ電子に対し、射出瞳２３´の半径ａｅ´ ＝ ｜ｍｅ｜ａｅが円２５の半径ａ２より大きくなるように、引出電極２３の開口の半径ａｅを大きくするとよい。
【０１４６】
ただし、ｌｅ≠０であってもｌｅとｌ１の符号が異なれば、ａｅ´≦ａ２となる場合に、図２６に示すように、射出瞳２３´の縁を起点とし、第１の成形開口板３上の円２５を通過し、さらに射出瞳３０´を通過する光線が、ｌ１やａ１の大きさによらず必ず存在する。つまり、引出電極２３で散乱された電子の一部が散乱電子制限開口板３０により遮蔽されず、円２５を通過する。このことは、避けなくてはならないから、ｌｅ＝０となるエネルギーを持つ電子に限らず（２２）式を満たす全ての電子に対してａｅ´＞ａ２とするのが良い。即ち、前記第３の条件をこれに置き換えるのがよい。
【０１４７】
図２３の本発明の照射光学系において、ｌｅとｌ１の符号が異なるときは、図２４から図２６に示すように、ｌ１＞０かつｌｅ＜０となるときである。ここで、ｌ１＞０となるのは、先述のように ΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対して、射出瞳３０´の位置を面３１位置よりも第１の成形開口板3側とした結果である。
【０１４８】
以上のような方策によりｌ１≠０、θｅ＞θ１、かつａｅ´＞ａ２の前記３条件が満たされた後、最後に、（２２）式を満たす電子に対し（２１）式が成立することを確認する。これは、前記３条件は、（２１）式が成立するための必要条件であるが、前記３条件が満たされても（２１）式が成立しないことがあり得るからである。例えば、ａ２＝０であれば、前記第２の条件θｅ＞θ１が満たされている限り、(２１)式は成立するが、ａ２≠０であれば、同条件が満たされていても、（２１）式は成 立するとは限らない。
【０１４９】
ここで、第１の成形開口板３上の円２５の半径ａ２の大きさは、ΔＶが負の向きに大きくなると、無視できなくなる。これは、（２０）式を用いて説明すれば、ΔＶが負の向きに大きくなると、（２０）式において、｜ｌ１／ｌｅ｜とａｅ´＝｜ｍｅ｜ａｅとの両方が小さくなり得ることによる。その結果、（２０）式の第１項｜ｌ１／ｌｅ｜ａｅ´が小さくなり、同式の第２項−｜１−ｌ１／ｌｅ｜ａ２が相対的に大きくなる。
【０１５０】
この問題を解消すべく、（２０）式の第１項｜ｌ１／ｌｅ｜ａｅ´をできるだけ大きくするには、ｌ１を正の向きにできるだけ大きく、つまり散乱電子制限開口板３０の位置ｚ１を正の向きにできるだけ大きくしたうえで、引出電極２３の開口の半径ａｅを大きくするとよい。更には、散乱電子制限開口板３０の位置ｚ１を正の向きに大きくする際、投影図形１１の電流密度、及びその分布に影響が出ない範囲で散乱電子制限開口板３０の開口の半径ａ１を小さく、即ち（２３）式に従いａ１を小さくするとよい。このようにすることで、（２０）式の右辺ａ１＝｜ｍ１｜ａ１ が小さくなるから、（２０）式がより成立しやすくなる。その結果、（２０）式が成立する範囲内で引出電極２３の開口の半径ａｅをできるだけ小さくし、引出電極２３以降におけるベルシェ効果をより強く抑制することができる。
【０１５１】
ただし、本実施例では、前記散乱電子制限開口板３０がブランカー１５より前段（光源側）にあるから、ｚ１を正の向きに大きくすると、ブランカー１５の電極長が短くなる。言い換えると、ｚ１の上限は、ブランカー１５に必要な電極長により決まる。これは、本実施例にて、前記散乱電子制限開口板３０の位置をブランカー１５より前段とするのは、（２１）式が成立する条件をビームブランキングにより崩さないようにするためである。
【０１５２】
次に、本発明の荷電粒子ビーム装置用の照射光学系を実際の電子ビーム描画装置に適用させるため、上記の量ｍｅ、ｍ１、ｌｅ、ｌ１、θｅ、θ１を近軸軌道から求める方法について説明する。
【０１５３】
先ず、上述の量の内、ｍｅ 、ｍ１、ｌｅ、ｌ１ は、本光学系における近軸軌道ｔｅ（ｚ）、近軸軌道ｔ１（ｚ）、近軸軌道ｗｅ（ｚ）、及び近軸軌道ｗ１（ｚ）を用いた関係式
ｍｅ＝（ｄｔｅ(ｚ２)／ｄｚ）ｌｅ、
ｍ１＝（ｄｔ１(ｚ２)／ｄｚ）ｌ１、
ｌｅ＝−ｗｅ（ｚ２）／（ｄｗｅ（ｚ２）／ｄｚ）、
ｌ１＝−ｗ１（ｚ）／（ｄｗ１（ｚ２）／ｄｚ）、
から求めることができる。
【０１５４】
そして、θｅ及びθ１は、幾何学的関係から
｜ｄｔｅ（ｚ２）／ｄｚ｜＝｜ｍｅ／ｌｅ｜、｜ｄｔ１（ｚ２）／ｄｚ｜＝｜ｍ１／ｌ１｜
となることを利用すれば、次の関係式
【０１５５】
【数１８】
【０１５６】
から求めることができる。
【０１５７】
ここで、ｔｅ（ｚ）は引出電極２３の位置ｚ＝ｚｅにおいてｔｅ（ｚｅ）＝１かつ第１の成形開口板３の位置ｚ＝ｚ２においてｔｅ（ｚ２）＝０となる近軸軌道、ｔ１（ｚ）はｔ１（ｚ１）＝１かつｔ１（ｚ２）＝０となる近軸軌道、ｗｅ（ｚ）はｗｅ（ｚｅ）＝０かつｄｗｅ（ｚｅ）／ｄｚ＝１となる近軸軌道、ｗ１（ｚ）はｗ１（ｚ１）＝０かつｄｗ１（ｚ１）／ｄｚ＝１となる近軸軌道とする。
（２４）式と（２５）式にから分かるように、θｅ及びθ１は、倍率ｍｅ及びｍ１を求めることなく、それぞれ、ｄｔｅ（ｚ２）／ｄｚ及びｄｔ１（ｚ２）／ｄｚから求めることができる。ここで、ｔ１（ｚ）はｔｅ（ｚ）を用いてｔ１（ｚ）＝ｔｅ（ｚ）／ｔｅ(ｚ１)と表せることから、ｄｔ１（ｚ２）／ｄｚはｄｔ１（ｚ２）／ｄｚ＝|（ｄｔｅ（ｚ２）／ｄｚ）／ｔｅ（ｚ１）|とすればよい。つまり、（２５）式のθ１はθ１＝｜（ｄｔｅ（ｚ２）／ｄｚ）／ｔｅ（ｚ１）｜ａ１と表せる。この関係を用いれば、上述の条件θｅ＞θ１は、｜ｄｔｅ(ｚ２）／ｄｚ｜ａｅ＞｜（ｄｔｅ（ｚ２）／ｄｚ）／ｔｅ（ｚ１）｜ａ１、即ち、ａｅ＞ａ１／｜ｔｅ（ｚ１）｜に置き換え可能である。
【０１５８】
前記４つの近軸軌道を得るには、本光学系における軸上電位Ｖ（ｚ）及び軸上磁界Ｂ（ｚ）を反映した軌道方程式を解けばよい。その際、前記軌道方程式にΔＶを反映させるには、軸上電位Ｖ（ｚ）をＶ（ｚ）＋ΔＶに置き換えればよい。ただし、前記軌道方程式はＶ（ｚ）＋ΔＶ＝０を満たす電子に対して解くことはできないため、引出電極２３にて散乱された直後で０≦Ｖｅ＋ΔＶ＜δＶ即ち−Ｖｅ≦ΔＶ＜−Ｖｅ＋δＶを満たす電子を無視し、δＶ≦Ｖｅ＋ΔＶ≦Ｖｅ即ち−Ｖｅ＋δＶ≦ΔＶ≦０を満たす電子について計算を実施すればよい。ここで、０≦δＶ＜＜Ｖｅとする。
【０１５９】
本光学系について具体的な寸法を与え、（２０）式の左辺Ｓ１＝｜ｌ１／ｌｅ｜ａｅ´−｜１−ｌ１／ｌｅ｜ａ２及び同式の右辺Ｓ２＝ａ１´をΔＶの関数として計算して得られた結果を図２７に示す。図中のＳ１とＳ２は上記の手順に従って求めたものである。
【０１６０】
ここで、光源４、引出電極２３、第１のレンズ１７、アノード電極２２、第２のレンズ１８、散乱電子制限開口板３０、光源の像４´、照射レンズ２、及び第１の成形開口板３、光源の像５のＺ座標は、それぞれ、ｚ＝０、０．５、２．０、２０．０、５２．５、９０、１０８．６、１７０．０、２００．０、及び２２０ （単位：ｍｍ）、引出電極２３の開口、散乱電子制限開口板３０の開口、及び円２５の半径は、ａｅ＝１００、ａ１＝２０、及びａ２＝１４（単位：μｍ）、引出電極２３及びアノード電極２０への印加電圧（共に対エミッタ電圧）はＶｅ＝８及びＶａ＝５０ （単位：ｋＶ）である。第１のレンズ１７、光源の像４´、光源の像及び照射レンズ２の強度は、光源の像４´及び５が前記Z座標で結ばれると共に、球面収差軌道が第１の成形開口板３のＺ座標にて零となるように定められている。
【０１６１】
図２７に示されたＳ１とＳ２の関係から、Ｓ１がＳ２より大きいので、前記条件のもとで、本光学系は、（２１）式を満たすことが分る。引出電極２３に散乱された電子は、第１の成形開口板３上の円２５を通過しない。図２７中からΔＶ＝−５（単位：ｋＶ） 付近の領域でＳ１が極端に大きくなるのは、同領域で第１の成形開口板３から射出瞳２３´までの距離ｌｅが零に近づくことによる。
【０１６２】
図２８は、本発明の光学系において、引出電極２３からの散乱電子が遮蔽される様子を示す。図中の実線は光源４から出射された電子ビームの軌道を示し、破線は引出電極２３で散乱された電子の軌道を示す。図に示すように、光源４の中央から出射され、第１の成形開口板３上の円２５に向かう電子は、散乱電子制限開口板３０の開口部を通過するのに対し、引出電極２３で散乱された電子は、第１のレンズ１７により大きく曲げられ、散乱電子制限開口板３０上にけられる。そのため、散乱電子に由来する収差が除去される。
【０１６３】
このように本発明の荷電粒子ビーム装置用の照明光学系において、散乱電子制限開口板３０を散乱電子に対して第１の成形開口板３と光学的に共役関係にある位置より第１の成形開口板側に配置し、散乱電子制限開口板３０の位置及び開口径と引出電極２３の開口径とを散乱電子に対して、前記引出電極２３の開口に関する射出瞳２３´を円２５の中心から見込む角度が、散乱電子制限開口板３０の開口に関する射出瞳３０´を円２５の中心から見込む角度より大きく、かつ、前記引出電極２３の開口に関する射出瞳２３´の大きさが、前記円２５の大きさより大きくなるように決定したたことにより、引出電極２３からの散乱電子を遮蔽し、該散乱電子に由来する収差を除去することができる。
[実施例９]
実施例９は基本的に実施例８と構成を同じくするが、実施例９では、図２９に示すように、第１のレンズ１７を磁界レンズから静電レンズに変更する。その動作及び効果は基本的に実施例８のそれらと同じである。なお、前記第１のレンズ１７は減速型の静電レンズとして働く。
【０１６４】
実施例９においても、引出電極２３で散乱され、Zの正の向きに速度ベクトルを持つ電子は前記（２２）式を満たすが、その全ての電子が第１のレンズ１７を通過するわけでなない。言い換えると、第１のレンズ１７は、散乱電子に対してフィルターの機能を有し、該第１のレンズ１７を通過する散乱電子の量を減らす。
【０１６５】
ここで、引出電極２３からの散乱電子が第１のレンズ１７を通過しない（該第１のレンズ１７に反射される）条件は、該第１のレンズ１７に由来する軸上電位の最小値をＶｍｉｎとすれば、Ｖ＝Ｖｅ＋ΔＶ−（Ｖｅ−Ｖｍｉｎ）＝ ΔＶ＋Ｖｍｉｎ≦０即ちΔＶ≦−Ｖｍｉｎとなる。一方、前記散乱電子が第１のレンズ１７を通過する条件は、Ｖ＝ΔＶ＋Ｖｍｉｎ＞０即ちΔＶ＞−Ｖｍｉｎとなる。この式と（２２）式より、第１のレンズ１７を通過する電子に対して、
【０１６６】
【数１９】
【０１６７】
が成り立つ。このことから本実施例では、（２６）式の表す範囲において、（２１）式が満たされることを確認すればよい。そのためには、実施例８で示した手法を用いればよい。ただし、減速型の静電レンズにおいては、軸外電位（Z軸から離れた半径位置における電位）は軸上電位より小さくなるため、ある軸外軌道を通る電子の感ずる電位の最小値をＶｍｉｎ´（＞０）とすれば、０＜Ｖｍｉｎ´＜Ｖｍｉｎ、すなわち−Ｖｍｉｎ ＜−Ｖｍｉｎ´＜０の関係が成立する。これより、同電子が第１のレンズ１７の軸外を通過するための条件−Ｖｍｉｎ´＜ΔＶ≦０は、前記条件−Ｖｍｉｎ＜ΔＶ≦０より厳しくなる。つまり、軸外軌道に対しては、該第１のレンズ１７を通過する電子のΔＶの幅が小さくなる。しかし、軸外軌道に対しても、電子が該レンズ１７を通過するための条件を−Ｖｍｉｎ＜ΔＶ≦０とすれば、Ｖｍｉｎ−Ｖｍｉｎ´の分だけ（２１）式を評価する範囲が広くなるから、その分だけ、前記ｍｅ、ｍ１、ｌｅ、ｌ１はより厳しく求まる。即ち、散乱電子制限開口板３０は余裕を持って軸上軌道を通る散乱電子を遮蔽する。
[実施例１０]
実施例１０は基本的に実施例８と構成を同じくするが、実施例１０では、図２９に示すように、散乱電子制限開口板３０の位置を、ΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対する照射レンズ２の物側焦点面位置とする。 実施例８で説明したように、本発明の荷電粒子ビーム装置用の照射光学系では、前記３条件ｌ１≠０、θｅ＞θ１、かつａｅ´＞ａ２が満たされていても、ΔＶが負の向きに大きいときには、ａ２の大きさによっては （２０）式及び（２１）式が成立しない。その理由は、先述のようにΔＶが負の向きに大きいときには、（２０）式において、ａｅ´と｜ｌ１／ｌｅ｜が同時に小さくなることである。
【０１６８】
この問題を軽減するため、実施例８では、ブランカー１５の電極が短くなり過ぎない程度に｜ｌ１｜を大きくし、｜ｌ１／ｌｅ｜を大きくすることを考えた。 本実施例では、この考えを発展させ、ΔＶが負の向きに大きくなり、ａｅ´が小さくなるときに、それを補うように｜ｌ１｜を大きくすることを考える。これを実現するためには、散乱電子制限開口板３０の位置を ΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対する照射レンズ２の物側焦点面位置とすればよい。そのようにすれば、ΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対し、射出瞳３０´が無限遠にでき、それと共に｜ｌ１｜＝∞となる。
【０１６９】
この効果を確認するため、（２０）式を｜ｌ１｜で除すと、
【０１７０】
【数２０】
【０１７１】
となる。（２７）式において、｜ｌ１｜→∞のとき、その右辺は発散せず、左辺は、
ａｅ ´／｜ｌｅ｜−｜1／ｌ１−1／ｌｅ｜ａ２→ａｅ´／｜ｌｅ｜−｜−1／ｌｅ｜ａ２＝（ａｅ´−ａ２）／｜ａｅ｜となる。即ち、１／ｌ１の絶対値が小さくなる分だけ、（２７）式の第２項−｜１／ｌ１−１／ｌｅ｜ａ２も小さくなり、（２７）式が成り立ちやすくなる。
【０１７２】
ただし、本発明の照射光学系において、そのようにすることは、散乱電子制限開口板３０の位置を光源の像４´（ΔＶ＝０）よりＺの正側とすることを意味する。これは、本照射光学系では、照射レンズ２により光源の像５が第１の成形開口板３の後段に結ばれているから、光源の像４´は、ΔＶ＝０に対する、照射レンズ２の物側焦点面の位置よりZの負側にあることによる。
【０１７３】
このように散乱電子制限開口板３０の位置が光源の像４´の位置よりZの正側となると、散乱電子制限開口板３０により電子ビーム１のビーム電流が削減される前に光源の像４´が結ばれるから、光源の像４´の位置における電流密度が高くなる。その結果、光源の像４´の位置においてベルシェ効果が促進される。これを防ぐため、散乱電子制限開口板３０とは別の制限開口板を、光源の像４´より前段に設け、ビーム電流を削減するのがよい。
【０１７４】
例えば、前記実施例５で示した漏れビーム制限開口板１９をブランカー１５より前段、かつ光源の像４´より前段に配置させ、その開口径を（２３）式に基づき十分に小さくすれば、漏れビーム制限開口板１９でビーム電流を削減し、ビームブランキング時の漏れビームを抑制しつつ、散乱電子制限開口板３０で引出電極２３からの散乱電子を遮蔽することができる。
【０１７５】
その際、散乱電子制限開口板３０の開口径を大きくし、同開口径に余裕を持たせれば、ブランカー１５により電子ビーム１が偏向されても、同ビーム、即ち、本来第１の成形開口板３を照射すべきビームが散乱電子制限開口板３０により遮蔽されないようにすることができる。そのためには、散乱電子制限開口板３０の位置におけるブランキング偏向距離をＤ１とすれば図３０に示すように、前記余裕を持たせた散乱電子制限開口板３０の開口の直径をｄ１＝２ａ１＋Ｄ１とし、そのうえで、散乱電子制限開口板３０の中心をＤ１／２の距離だけブランキング偏向の向きにずらせばよい。このとき、（２１）式における散乱電子制限開口板３０の開口半径はａ１＋Ｄ１とすればよい。ここで、ａ１は余裕を持たせない散乱電子制限開口板３０の開口の半径である。
【０１７６】
このように本発明の照明光学系において、散乱電子制限開口板３０の位置をΔＶ＝−Ｖｅを満たす電子に対する照射レンズ２の物側焦点面位置としたことにより、ΔＶが負の向きに大きくなり、射出瞳２３´の大きさａｅ´が小さくなるとき、それを補うように第１の成形開口板５から射出瞳３０´までの距離ｌ１が大きくなるため、その分だけ（２０）式及び（２１）式が満たさやすくなる。即ち、その分だけ引出電圧２３の開口径を小さくし、同電極以降におけるベルシェ効果をより強く抑制する。
[実施例１１]
実施例１１は基本的に実施例９と構成を同じくするが、実施例１１では、図２９に示すように、散乱電子制限開口板３０の位置を、ΔＶ＝−Ｖｍｉｎを満たす電子に対する照射レンズ２の物側焦点面の位置とする。
【０１７７】
実施例１１の動作及び効果は、実施例１０のそれらと基本的に同じであるが、実施例１１においては、第１のレンズ１７を通過する電子は前記（２６）式を満たす。
[実施例１２]
実施例１２は基本的には実施例８から実施例１１と構成を同じくするが、実施例１２では、第２の成形開口板７の開口形状を単純な矩形でなく、より複雑な図形とし、キャラクタープロジェクションを実施する。実施例１２の動作及び効果も実施例８から実施例１１のそれらと同じである。
[実施例１３]
実施例１３は基本的には実施例８から実施例１２の構成と同じであるが、実施例１３では、電子ビームの代わりにイオンビームを用い、その動作及び効果は実施例８から実施例１２の同じである。
【符号の説明】
【０１７８】
１ 電子ビーム
２ 照射レンズ
３ 第１の成形開口板
４ 光源
４´、５、１６、５０ 光源の像
６ 成形レンズ
７ 第２の成形開口板
８ 縮小レンズ
９ 対物レンズ
１０ 材料
１１ 投影図形
１２ 成形偏向器
１３ 対物偏向器
１４ 材料ステージ
１５ ブランカー
１６ ブランキング開口板
１７ 第１のレンズ
１８ 第２のレンズ
１９ 漏れビーム制限開口板
２０ エミッタ電極
２２ アノード電極
２３ 引出電極
３０ 散乱電子制限開口板
２３´ 引出電極に関する射出瞳
３０´ 散乱電子制限開口板に関する射出瞳
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源、照明レンズ群、絞り、投影レンズ群、及び材料面の順にこれらが配置され、前記荷電粒子源から出射される荷電粒子ビームが前記照明レンズ群を介して前記絞り上に照射され、更に投影レンズにより前記絞りの像が材料面上に結像される状態で絞りを通過したビームが材料上に照射される荷電粒子ビーム装置において、前記照明レンズ群は、前記荷電粒子源の像が前記絞り上に結像しないように配置され、かつ前記照明レンズ群のうちの一つのレンズが、前記絞りの位置と光学的に共役関係にある位置に配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項２】
前記絞りの位置と光学的に共役関係にある位置に配置されたレンズは、前記照明レンズ群の前記荷電粒子源に最も近いレンズであることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項３】
荷電粒子源、照明レンズ群、絞り、投影レンズ群及び材料面の順にこれらが配置され、前記荷電粒子源から出射される荷電粒子ビームが前記照明レンズ群を介して前記絞り上に照射され、更に投影レンズ群により前記絞りの像が材料面上に結像される状態で絞りを通過したビームが材料上に照射される荷電粒子ビーム装置において、前記照明レンズ群は、前記荷電粒子源の像が前記絞り上に結像しないように配置され、かつ前記照明レンズ群の位置及び強度は、前記荷電粒子源を物面、
光軸をＺ軸とし、
該物面の位置ｚ＝ｚ0で、
前記物面において前記光軸と交わる点を起点とし、
ｈ（ｚ0）＝０かつｈ’（ｚ0）＝ｄｈ（ｚ0）／ｄｚ＝１
となる近軸軌道ｈ（ｚ）からのずれを表わす球面収差軌道をｓ（ｚ）とした時、
前記絞りの位置ｚ＝ｚaで、
ｓ（ｚa）＝０
を満足するように設定されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項４】
前記荷電粒子源の像を、前記照明レンズ群の絞り側に最も近いレンズから見て物面側に焦点位置に結像されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項５】
前記照明レンズ群の前記荷電粒子源に最も近いレンズ群は、静電レンズであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項６】
前記照明レンズ群は第１レンズ、第２レンズ、第３レンズの順にこれらが配置され、かつ前記第２レンズと前記第３レンズとの間にブランカーが配置され、記２レンズと前記第３レンズとの間に前記荷電粒子源の像を結び、前記ブランカーより前記荷電粒子源側、かつ前記荷電粒子源の像より前記荷電粒子源側に制限絞りを設け、前記ブランカーによるブランキング時の漏れビームを抑制することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項７】
前記照明レンズ群は第１レンズ、第２レンズの順にこれらが配置され、かつ前記第１レンズと前記第２レンズとの間にブランカーが配置され、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に前記荷電粒子源の像を結び、前記ブランカーより前記荷電粒子源側、かつ前記荷電粒子源の像より前記荷電粒子源側に制限絞りを設け、前記ブランカーによるブランキング時の漏れビームを抑制することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項８】
前記絞りは少なくとも初段の絞りとそれより後段の絞りを有する複数枚の絞りからなり、
前記荷電粒子源の引出電極に由来する散乱電子を遮蔽する制限絞りを、
前記荷電粒子源の引出電極の開口に関する射出瞳を構成しうるエネルギーを持つ散乱電子に対して、前記初段絞りより前記荷電粒子源側の光学的に共役関係にある位置より前記初段絞り側に配置させ、かつ、
前記制限絞りの開口径を、前記荷電粒子源の引出電極の開口に関する射出瞳を前記初段の絞りの前記初段以外の絞りの開口の前記初段の絞りへの写像と前記初段の絞りの開口との重なり部分の外接円の中心から見込む角度が前記制限絞りの開口に関する射出瞳を前記外接円の中心から見込む角度より大きくなるように決定し、かつ、
前記荷電粒子源の引出電極の開口径を、前記荷電粒子源の引出電極の開口に関する射出瞳が前記初段の絞りの外接円より大きくなるように決めたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項９】
前記散乱電子を遮蔽する制限絞りの位置を、前記エネルギーを持つ散乱電子にうち、最小のエネルギーを持つ電子に対して、前記初段の絞りの前記荷電粒子源側に位置するレンズの物側焦点位置とすることを特徴とする請求項８記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項１】
荷電粒子源、照明レンズ群、絞り、投影レンズ群、及び材料面の順にこれらが配置され、前記荷電粒子源から出射される荷電粒子ビームが前記照明レンズ群を介して前記絞り上に照射され、更に投影レンズにより前記絞りの像が材料面上に結像される状態で絞りを通過したビームが材料上に照射される荷電粒子ビーム装置において、前記照明レンズ群は、前記荷電粒子源の像が前記絞り上に結像しないように配置され、かつ前記照明レンズ群のうちの一つのレンズが、前記絞りの位置と光学的に共役関係にある位置に配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項２】
前記絞りの位置と光学的に共役関係にある位置に配置されたレンズは、前記照明レンズ群の前記荷電粒子源に最も近いレンズであることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項３】
荷電粒子源、照明レンズ群、絞り、投影レンズ群及び材料面の順にこれらが配置され、前記荷電粒子源から出射される荷電粒子ビームが前記照明レンズ群を介して前記絞り上に照射され、更に投影レンズ群により前記絞りの像が材料面上に結像される状態で絞りを通過したビームが材料上に照射される荷電粒子ビーム装置において、前記照明レンズ群は、前記荷電粒子源の像が前記絞り上に結像しないように配置され、かつ前記照明レンズ群の位置及び強度は、前記荷電粒子源を物面、
光軸をＺ軸とし、
該物面の位置ｚ＝ｚ0で、
前記物面において前記光軸と交わる点を起点とし、
ｈ（ｚ0）＝０かつｈ’（ｚ0）＝ｄｈ（ｚ0）／ｄｚ＝１
となる近軸軌道ｈ（ｚ）からのずれを表わす球面収差軌道をｓ（ｚ）とした時、
前記絞りの位置ｚ＝ｚaで、
ｓ（ｚa）＝０
を満足するように設定されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項４】
前記荷電粒子源の像を、前記照明レンズ群の絞り側に最も近いレンズから見て物面側に焦点位置に結像されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項５】
前記照明レンズ群の前記荷電粒子源に最も近いレンズ群は、静電レンズであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項６】
前記照明レンズ群は第１レンズ、第２レンズ、第３レンズの順にこれらが配置され、かつ前記第２レンズと前記第３レンズとの間にブランカーが配置され、記２レンズと前記第３レンズとの間に前記荷電粒子源の像を結び、前記ブランカーより前記荷電粒子源側、かつ前記荷電粒子源の像より前記荷電粒子源側に制限絞りを設け、前記ブランカーによるブランキング時の漏れビームを抑制することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項７】
前記照明レンズ群は第１レンズ、第２レンズの順にこれらが配置され、かつ前記第１レンズと前記第２レンズとの間にブランカーが配置され、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に前記荷電粒子源の像を結び、前記ブランカーより前記荷電粒子源側、かつ前記荷電粒子源の像より前記荷電粒子源側に制限絞りを設け、前記ブランカーによるブランキング時の漏れビームを抑制することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項８】
前記絞りは少なくとも初段の絞りとそれより後段の絞りを有する複数枚の絞りからなり、
前記荷電粒子源の引出電極に由来する散乱電子を遮蔽する制限絞りを、
前記荷電粒子源の引出電極の開口に関する射出瞳を構成しうるエネルギーを持つ散乱電子に対して、前記初段絞りより前記荷電粒子源側の光学的に共役関係にある位置より前記初段絞り側に配置させ、かつ、
前記制限絞りの開口径を、前記荷電粒子源の引出電極の開口に関する射出瞳を前記初段の絞りの前記初段以外の絞りの開口の前記初段の絞りへの写像と前記初段の絞りの開口との重なり部分の外接円の中心から見込む角度が前記制限絞りの開口に関する射出瞳を前記外接円の中心から見込む角度より大きくなるように決定し、かつ、
前記荷電粒子源の引出電極の開口径を、前記荷電粒子源の引出電極の開口に関する射出瞳が前記初段の絞りの外接円より大きくなるように決めたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項９】
前記散乱電子を遮蔽する制限絞りの位置を、前記エネルギーを持つ散乱電子にうち、最小のエネルギーを持つ電子に対して、前記初段の絞りの前記荷電粒子源側に位置するレンズの物側焦点位置とすることを特徴とする請求項８記載の荷電粒子ビーム装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【公開番号】特開２０１２−４９１２０（Ｐ２０１２−４９１２０Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６６９１８（Ｐ２０１１−１６６９１８）
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
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