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JP2013165199A - Charged particle optical system and exposure device using the same - Google Patents

Charged particle optical system and exposure device using the same Download PDF

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JP2013165199A
JP2013165199A JP2012027949A JP2012027949A JP2013165199A JP 2013165199 A JP2013165199 A JP 2013165199A JP 2012027949 A JP2012027949 A JP 2012027949A JP 2012027949 A JP2012027949 A JP 2012027949A JP 2013165199 A JP2013165199 A JP 2013165199A
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Japan
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substrate
main surface
charged particle
counter electrode
optical system
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JP2012027949A
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Takahisa Kato
貴久 加藤
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Canon Inc
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Canon Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a charged particle optical system and an optical element array structure having a favorable optical characteristic by effectively reducing warpage of a substrate through reduction of a temperature rise of a principal surface of the substrate and a temperature gradient of the substrate.SOLUTION: A charged particle optical system includes a first substrate 1 provided with a counter electrode array including counter electrodes that form an electric field acting on a charged particle beam in a charged particle optical manner. When an optical axis of the charged particle beam is referred to as a normal line, a surface of the first substrate, on which the counter electrodes are formed, is referred to as a first principal surface, a surface on a side opposite to the first principal surface is referred to as a second principal surface, and a dimension in a direction from the first principal surface to the second principal surface is referred to as a thickness, the first surface 1 includes an area 7 that extends from the second principal surface in a thickness direction and is provided with a first filling material whose thermal conductivity is higher than that of the first substrate 1.

Description

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。 The present invention belongs to a technical field such as a charged particle optical system used in an apparatus using a charged particle beam such as an electron beam, and particularly relates to a charged particle optical system used in an exposure apparatus and the like, and an exposure apparatus using the same. .

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) In the production of semiconductor devices, the electron beam exposure technique is a promising candidate for lithography that enables fine pattern exposure of 0.1 μm or less. In such an exposure apparatus, an electro-optical element for controlling the optical characteristics of the electron beam is used. In the electron beam exposure technique, there has been proposed a multi-beam system that simultaneously draws a pattern with a plurality of electron beams without using a mask. In the multi-beam system, an electro-optical element in which electro-optical elements are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array is used. In such an electro-optic element array, a deflection electrode and a multipole lens can be formed by a micro electro mechanical system (MEMS) manufacturing technique, and one element can be miniaturized and arranged at a high density to produce a large-scale array. Furthermore, the control circuit is also integrated on the same substrate as the substrate on which the deflection electrode is formed, so that high speed and large scale array can be realized. (Refer to Patent Document 1 and Non-Patent Document 1) In addition, the astigmatism corrector can be downsized by using the MEMS manufacturing technique and using the facing electrode structure similar to the deflection electrode. (See Non-Patent Document 1)

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。 In such an electro-optical element array, higher precision is required for alignment between the optical element arrays as one element is reduced in size and density, and smaller optical aberrations are required as the drawing pattern becomes finer. Or Therefore, it is important to realize an electro-optic element array with small thermal deformation.

国際公開WO2009127658International publication WO20091727658

MicroelectronicEngineering84(2007) PP1027−1032Microelectronic Engineering 84 (2007) PP1027-1032.

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。 In a device in which the electro-optic element array and the control circuit are integrated on the same substrate, there is a concern that heat generated by the control circuit causes thermal deformation of the electro-optic element array on the substrate. In particular, the control circuit also has an optical interface unit such as a photodiode for inputting a control signal to the device or an electrical interface unit such as a metal bump or a metal pad on the same surface side of the substrate. For this reason, it is difficult to say that it is easy to enlarge the exhaust heat exhaust area on this surface side. Therefore, there is a problem that thermal deformation cannot be sufficiently reduced. On the other hand, it is conceivable to cool from the back surface opposite to this surface. In this case, due to the thermal resistance of the substrate, it may not be possible to exhaust heat sufficiently, or a temperature gradient may occur in the thickness direction of the substrate, causing bending stress. Therefore, also in this case, there is a problem that thermal deformation cannot be sufficiently reduced.

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。 In view of the above problems, the charged particle optical system of the present invention includes a first substrate provided with a counter electrode array including a plurality of counter electrodes that form an electric field that acts on a plurality of charged particle beams in a charged particle optical manner. Having the optical axis of the charged particle beam as a normal line, the surface of the first substrate on which the counter electrode is formed as a first main surface, and a surface opposite to the first main surface. The second main surface, the thickness in the direction from the first main surface to the second main surface as a thickness, the first substrate extends in the thickness direction from the second main surface, Having a region provided with a first filling material having a higher thermal conductivity than the first substrate, and the second main surface acting as a heat exhaust surface for exhausting heat from the counter electrode array to the outside. It is characterized by.

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。 In view of the above problems, the optical element array structure of the present invention has a first substrate such as a silicon substrate having a plurality of openings through which a charged particle beam passes, and the optical axis of the charged particle beam is a normal line. The one surface of the first substrate is the first main surface, the surface opposite to the first main surface is the second main surface, and the direction from the first main surface to the second main surface is The first substrate having a dimension as thickness has a region provided with a first filling material extending in a thickness direction from the second main surface and having higher thermal conductivity than the first substrate, The second main surface functions as a heat exhaust surface that exhausts heat to the outside.

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。 The charged particle optical system and the optical element array structure of the present invention have a region in which a filling material having higher thermal conductivity than a substrate such as a silicon substrate extends from the second main surface to the first main surface. As a result, the thermal resistance of the substrate can be effectively reduced. Therefore, even in a structure in which a control circuit, an interface unit, and the like are formed on the first main surface side, the heat generated from the first main surface side portion is exhausted from the second main surface to It is possible to reduce the temperature rise of the main surface. In addition, the temperature gradient in the thickness direction of the substrate can be reduced. By reducing both the temperature rise of the first main surface and the temperature gradient of the substrate, the warpage of the substrate can be effectively reduced. Therefore, for example, errors in the position / tilt of the counter electrode array and the gap between the electrodes are reduced, so that the counter electrode array having good charged particle optical characteristics can be obtained. Further, since the cooling means can be installed on the second main surface side, for example, the area for forming the interface portion of the control signal and the counter electrode can be made larger than when the cooling means is placed on the first main surface. That is, it is possible to increase the number of arrays such as the counter electrode array with the same device size. Therefore, a device can be manufactured at a lower cost. And in the structure using a silicon substrate, the control circuit using semiconductor devices, such as CMOS, can be integrally formed on a board | substrate with a semiconductor manufacturing technique. Therefore, a control circuit corresponding to a large number of large counter electrode arrays can be realized. In addition, since the counter electrode can also be created using the MEMS manufacturing technology, a fine and highly accurate counter electrode array can be formed on a large scale.

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。The figure which shows the upper surface and cross section of the counter electrode array of Example 1 of the charged particle optical system of this invention. 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。The conceptual diagram which shows the example of the exposure apparatus using the charged particle optical system of this invention. 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。FIG. 3 is a diagram illustrating a cross-section of the upper surface of the counter electrode formation region and the counter electrode portion of Example 1. 対向電極が一対の場合及び2対の場合の上面図。The top view in the case of a pair of counter electrodes and two pairs. 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。The figure which shows the upper surface and cross section of the counter electrode array of Example 2 of the charged particle optical system of this invention. 本発明の変形低減効果を説明するグラフ。The graph explaining the deformation | transformation reduction effect of this invention. 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。The figure which shows the cross section and upper surface of the unit of the counter electrode array of Example 3, and an opening array.

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。 A feature of the present invention is that in a charged particle optical system or an optical element array structure, a filling material having a higher thermal conductivity than a substrate and extending in the thickness direction from the second main surface to the first main surface side is provided. The substrate has the provided region. The optical element array structure that allows a charged particle beam to pass through is a blanker device, a beam forming member, a charged particle optical system that controls the progress of the charged particle beam optically (electrostatic lens, for deflecting the charged particle beam) And the like. For example, a blanker device used in a charged particle beam exposure apparatus generates heat in a non-beam area and generates heat distribution. Further, when the exposure system is miniaturized, a configuration in which a blanker device and an aperture array are combined can be considered. In such a case, a heat dissipation measure (cooling measure) is required. On the other hand, in the case of the combined configuration as described above, it is difficult to secure a heat radiation path in terms of space. In order to solve such a problem, the present invention arranges or fills a heat dissipation path in a substrate with a material having high thermal conductivity. Based on such a concept, the charged particle optical system or optical element array structure of the present invention has the basic configuration as described in the means for solving the above-mentioned problems.

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。
Embodiments of the present invention will be described below.
A charged particle optical system according to an embodiment of the present invention includes a light source that generates a plurality of charged particle beams, and a counter electrode array that acts in a charged particle optical manner corresponding to the plurality of charged particle beams. Yes. The counter electrode array has a plurality of counter electrodes, a control circuit, and an interface unit for supplying a control signal to the control circuit from the outside on a substrate such as a silicon substrate as a first substrate. The plurality of counter electrodes are controlled by the control circuit based on the control signal. The interface unit may be one that electrically exchanges (receives and transmits) control signals (for example, metal bumps) or one that converts light to an electric signal (for example, photodiodes). The counter electrode has, for example, a gap between a pair of two electrodes in order to form an electric field for optically acting on the charged particle beam. As the charged particle beam passes through this gap, the beam is optically affected by the electric field. The optical action can be any of a deflector, a lens, an aberration corrector, or a combination thereof, depending on the number of counter electrodes and the method of applying a potential to one charged particle beam. Since these counter electrodes are controlled by a control circuit on the same substrate, the operation speed can be increased. In addition, if a circuit for serial-parallel conversion of a signal received at the interface unit is included, the number of wires to the counter electrode can be reduced.

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。 The counter electrode array also releases heat to the outside of the device on the surface (second main surface) opposite to the surface (first main surface) on which the counter electrode, control circuit, and interface section are formed. It has a heat exhaust surface. Here, the optical axis of the charged particle beam is the normal line, the surface of the first substrate on which the counter electrode is formed is the first main surface, and the surface opposite to the first main surface is the second main surface. A surface is a thickness, and a dimension in a direction from the first main surface to the second main surface is a thickness. The cooling means can come into thermal contact with the heat removal surface to discharge the heat. As the cooling means, means capable of transporting heat to the outside of the system, for example, a heat sink, a cooling element using a refrigerant, a Peltier element, a heat pipe, or the like is used. Moreover, you may have a heating means in the said heat exhaust surface. This heating means can also be used for temperature stabilization in the initial stage of driving. As the heating means, a general resistance heating element, a ceramic heater, or the like can be used. In this manner, when the cooling means is installed on the second main surface side, the area for forming the interface portion of the control signal and the counter electrode can be increased as compared with the case where the cooling means is provided on the first main surface. That is, the number of counter electrode arrays can be increased with the same device size. Therefore, the device can be manufactured at a lower cost. Further, in the counter electrode array of the present embodiment, a filling material (first filling material) having higher thermal conductivity than the substrate is arranged extending from the second main surface to the first main surface in the thickness direction. Or a filled region. This region reduces the thermal resistance of the substrate and can reduce the thermal deformation of the device even when cooling is performed from the second main surface. For this reason, errors in the position / tilt of the counter electrode array and the gap between the electrodes are reduced, so that the counter electrode array having good charged particle optical characteristics can be obtained. For example, a metal such as copper or tungsten can be used as the material.

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。 By reducing the thermal resistance of the substrate, both the temperature of the first main surface and the temperature distribution in the thickness direction of the silicon substrate can be reduced. The reason why the temperature of the first main surface and the temperature gradient of the substrate are important is as follows. The temperature of the first main surface is related to thermal stress of a material having a linear expansion coefficient different from that of the substrate, such as a wiring layer (including an insulating film), a counter electrode, and an interface portion with respect to the control circuit formed on the substrate. If a large thermal stress is generated only on the first main surface side, the entire substrate is warped in a direction corresponding to the direction of the stress. The temperature gradient of the substrate is a gradient of thermal stress in the thickness direction within the silicon substrate. Since the stress gradient in the thickness direction becomes a bending moment, the substrate is warped. As described above, the substrate on which the counter electrode is formed is warped due to both or any one of the above two factors. Such warpage results in errors in the position / tilt of the counter electrode and the gap between the counter electrodes. In the present invention, by providing a substrate such as a silicon substrate with a material having better thermal conductivity than the substrate, the thermal resistance of the substrate can be reduced, and the above two warping factors can be reduced. Thereby, the structural error of the counter electrode can be reduced.

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。 Further, when the first substrate is a silicon substrate, the following effects are obtained as compared with the case where the entire substrate is made of a material having better thermal conductivity than silicon. First, a control circuit using a semiconductor device such as a CMOS can be integrally formed on a silicon substrate by a semiconductor manufacturing technique. Therefore, a control circuit corresponding to a large number of large counter electrode arrays can be realized. Second, since the counter electrode can be formed using the MEMS manufacturing technology, a fine and highly accurate counter electrode array can be formed on a large scale.

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。 Further, the counter electrode array of the charged particle optical system of the present embodiment can be configured such that the first substrate such as a silicon substrate is thinned only in the thickness of the region where the counter electrode is formed. Thereby, this embodiment can have the following three effects. First, a through hole for passing a charged particle beam can be formed in the substrate with high accuracy. If the through hole is deep (that is, the dimension in the thickness direction of the substrate is large), it becomes difficult to control the diameter of the through hole and the inclination of the center axis of the hole in processing. If such an error occurs, the charged particle beam may be blocked. Further, when the diameter of the through hole becomes large due to an error, the through hole may reach the counter electrode disposed close to the counter electrode, and the counter electrode may be damaged. Therefore, it is necessary to increase the hole diameter for the charged particle beam and increase the gap of the counter electrode with respect to the hole diameter in anticipation of the processing margin. And since the gap of a counter electrode becomes large, the voltage applied to a counter electrode will become high voltage. In the configuration in which only the counter electrode formation area is thin as in this embodiment, the processing depth of the through hole can be reduced and the processing accuracy of the through hole can be improved, so that the voltage applied to the counter electrode can be reduced. it can. If the voltage can be lowered, the heat generation of the circuit and wiring can be further reduced.

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。 Second, it is possible to reduce the diameter and pitch of the through holes. Since the thickness of the region where the through hole is formed is thin, the ratio of the depth to the hole diameter (aspect ratio) can be reduced even if the through hole having a small hole diameter is formed. If the aspect ratio is small, through-hole processing can be performed even if the hole diameter is reduced. In particular, in the case of deep etching of silicon, the aspect ratio is in the range of about 1 to 100. More preferably, it may be about 1 to 5. In addition, since the hole is processed with high accuracy for the first reason, it is processed accurately even in a close layout. For this reason, the pitch can also be reduced. If the hole diameter and pitch can be reduced as described above, a counter electrode array with a higher degree of integration can be formed. Third, since the area where the counter electrode is not formed is kept thick, it can be kept high without reducing the rigidity of the entire device. Therefore, it is possible to prevent the device from being damaged or deformed in the manufacturing / assembling process.

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。 In addition, the counter electrode array of the charged particle optical system according to the present embodiment can be made of a material having a thermal expansion coefficient larger than that of silicon. As a result, it is possible to increase the elongation on the second main surface side, which is the low temperature side, and to reduce the warpage of the entire substrate such as a silicon substrate. Further, even when a multilayer wiring of a semiconductor integrated circuit is used as the wiring connecting the control circuit formed on the substrate and the interface portion, the warpage of the substrate can be effectively reduced.

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。 Further, the counter electrode array of the charged particle optical system according to the present embodiment can be configured such that a filling material is embedded in one or more columnar structures. In order to reduce the thermal resistance of the substrate over a wide area, a plurality of columnar structures are arranged. This makes it possible to reduce deformation even if there is residual stress in the filling material, compared to the case where the entire large area is not divided into columns. In addition, since the formation density of the columnar structure can be adjusted according to the heat generation location, the minimum necessary filling material can be disposed according to the required amount of reduction in thermal resistance. Therefore, even if there is a residual stress in the filling material, a configuration with little deformation can be achieved. In addition, when the filling material is embedded, the embedded through-wiring manufacturing technology used in the semiconductor integrated circuit can be applied, so that the embedded region can be manufactured with a high yield without degrading the operation characteristics of the control circuit integrated on the substrate. Become. In particular, even if the area of the region where it is desired to reduce the thermal resistance is changed by design, it can be dealt with by changing the number and pitch to be formed without changing the dimensions of the columnar structure. Therefore, the thermal resistance can be reduced for various areas by adjusting and applying the conditions of the manufacturing process of the columnar structure. Further, as the filling material, for example, copper, tungsten, or an alloy containing the same can be used.

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。 In addition, the charged particle optical system of the present embodiment can be a unit that combines a counter electrode array and an aperture array having an aperture that restricts a charged particle beam incident on the array. In the aperture array, a through hole for allowing a charged particle beam to pass through is formed in a substrate such as a silicon substrate. Moreover, you may give a film with good electrical conductivity to the outermost surface. Specifically, platinum, molybdenum, or the like can be used. The aperture array has a third main surface that is a surface in thermal contact with the second main surface of the counter electrode array. And it has the 4th main surface on the opposite side of the 3rd main surface. The fourth main surface is a heat exhaust surface for releasing the heat of the counter electrode array and the aperture array to the outside. And the opening array of this embodiment has the area | region filled with the filling material whose heat conductivity is higher than silicon etc. As shown in FIG. This filled area reduces the thermal resistance of the substrate of the aperture array. In this way, even if heat is exhausted from the fourth main surface of the aperture array, the thermal resistance of the counter electrode array and the aperture array is reduced, so that thermal deformation of the entire unit can be reduced. . In particular, since the counter electrode array and the aperture array can be arranged close to each other, the optical axis alignment of the unit assembly becomes easy. Therefore, even a counter electrode array / opening array with a smaller pitch can be assembled with high precision positioning. As the filling material, copper, tungsten, or an alloy containing the same can be used.

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 In the combined unit, a region in which the substrate of the opening array is filled with the filling material can be a columnar structure. And it can be set as the structure where the columnar structure extended from the 3rd main surface to the 4th main surface. Since the filling material passes through the substrate of the aperture array, heat from the counter electrode array flowing into the third main surface can be effectively conducted to the fourth main surface. Further, when the thermal resistance is reduced over a wide area by using the columnar structure, a plurality of columnar structures can be arranged. Thereby, compared with the case where not all the large areas are divided | segmented into columnar shape, even if there exists a residual stress in a filling material, a deformation | transformation can be reduced. The effect here is substantially the same as that of the columnar structure filling material in the first substrate.

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。 Further, an exposure apparatus that draws a pattern on a substrate with a plurality of charged particle beams can be configured using the charged particle optical system of the present embodiment. Since the thermal deformation of the optical system is reduced, accurate pattern drawing with little optical aberration can be performed. In addition, since the number and density of the counter electrode arrays can be increased, an exposure apparatus with improved drawing speed and high throughput can be realized.

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。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to more specific examples. However, the present invention is not limited to these examples.
Example 1
Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 shows a configuration of a charged particle drawing apparatus using the charged particle optical system of the present invention. Here, a case where the charged particles are electrons will be described. The charged particle drawing apparatus has a controller 101, and a circuit shown in FIG. 2 can control a charged particle optical system and a stage to form a desired pattern on a wafer.

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。 A radiated electron beam is emitted from the electron source 107, converted into a parallel beam by the collimator lens 108, and irradiated onto the aperture array 109. The plurality of electron beams divided by the aperture array 109 are individually focused by the focusing lens array 110 controlled by the lens control circuit 105 and imaged on the counter electrode array 111. The counter electrode array 111 is a device having individual counter electrodes. The counter electrode array 111 individually turns on / off the beam according to the drawing pattern based on the blanking signal generated by the drawing pattern generation circuit 102, the bitmap conversion circuit 103, and the blanking command circuit 106.

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。 When the beam is ON, no voltage is applied to the deflection electrode of the counter electrode array 111, and when the beam is OFF, a voltage is applied to the deflection electrode of the counter electrode array 111 to deflect the multi-electron beam. . The multi-electron beam deflected by the counter electrode array 111 is blocked by the stop aperture array 112 in the subsequent stage, and the beam is turned off. The electron beam that has passed through the stop aperture array 112 is deflected by the electrostatic deflector 113. The deflector 113 is formed by a counter electrode. Here, two electrostatic deflectors are arranged to perform two-stage deflection in the deflection direction. These electrostatic deflectors 113 are driven in accordance with signals from the deflector control circuit 104. Finally, the plurality of electron beams are reduced and imaged on the wafer 115 by the objective lens array 114 driven by the lens control circuit 105. During pattern drawing, the wafer 115 is continuously moved by the stage 116. Then, the counter electrode array 111 individually turns the beams on and off according to the drawing pattern. Thereby, a desired pattern can be drawn on the wafer 115 surface at high speed. The controller 101 controls the entire circuit.

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。
Next, the counter electrode array 111 of this embodiment will be described in more detail.
FIGS. 1A and 1B and FIGS. 3A and 3B are diagrams showing the counter electrode array 111 of this embodiment. FIG. 1A is a top view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. As shown in FIG. 1, the counter electrode array has a counter electrode formation region 9 and a control circuit formation region 10 on a silicon substrate 1. The counter electrode formation region 9 has a plurality of pairs of counter electrodes. On the other hand, a blanking command circuit 106 is formed in the control circuit formation region 10. As shown in FIG. 1B, the silicon substrate 1 has a first main surface 2 and a second main surface 3 which is the opposite surface. A control circuit 4 is formed as a blanking command circuit 106 in the control circuit formation region 10 on the first main surface. A multilayer wiring layer 6 and an interface unit 5 are formed on the control circuit 4 as shown in the figure. The multilayer wiring layer 6 has a structure in which insulator films including conductive interlayer vias and metal wiring films are alternately stacked (each layer is not shown). The multilayer wiring layer 6 electrically connects the interface unit 5 and the control circuit 4, and the control circuit 4 and the counter electrode 11. The multilayer wiring layer 6 can use, for example, aluminum or copper as a conductive material, and silicon oxide as an insulator film. In this embodiment, copper and silicon oxide are used as the conductive material and the insulating film, respectively. A signal from the bitmap conversion circuit 103 is guided to the interface unit 5 by light. Therefore, the interface unit includes a photodiode for performing photoelectric conversion. For this reason, the control circuit 4 includes a drive circuit for driving the photodiode.

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。 Next, the counter electrode formation region 9 will be described in detail with reference to FIGS. 3A is a top view of the counter electrode formation region 9, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line A-A 'of FIG. 3A. In the counter electrode forming region 9, 16 charged particle optical elements 13 each having a pair of two counter electrodes 11 and a through-hole 12 indicated by a circular broken line as one element are arranged in a total of 16 elements. As shown in FIG. 3B, the counter electrodes 11 </ b> A and 11 </ b> B are formed on the multilayer wiring layer 6. Both the counter electrodes 11A and 11B have a bump structure formed of gold. A through hole 12 is formed between the counter electrodes 11A and 11B. The through hole 12 is formed through the multilayer wiring layer 16 and the silicon substrate 1. The 16 elements are connected to four vertical and horizontal wirings, and each element is connected to a switch element and a memory element (not shown). The control circuit 4 performs active matrix driving to apply a voltage corresponding to the drawing pattern. Can be applied. Although the number of charged particle optical elements 13 arranged in one counter electrode formation region 9 is 16 elements in FIG. 3 for explanation, in the present embodiment, about 680 elements of 26 × 26 are formed. Moreover, if the MEMS manufacturing technique is used, it can be formed on a scale of several thousand to several tens of thousands.

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。 The electrode 11A is kept at the ground potential, and a voltage higher than the ground potential is applied to the electrode 11B. The voltage applied to the electrode 11B is about 1-20V, More preferably, it is about 1-3V. In this embodiment, about 2V is applied. In FIG. 3B, the trajectory of a charged particle beam (here, an electron beam is assumed) when a voltage is applied is shown as a solid line D. The broken line C is the trajectory of the charged particle beam when no voltage is applied. In this way, when a voltage is applied to the electrode 11B, the charged particle beam can be deflected.

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。 The charged particle optical element 13 is not limited to a pair or a set of counter electrodes shown in FIG. In addition, it is possible to increase the number of pairs or sets of counter electrodes. 4A and 4B are enlarged top views of one charged particle optical element 13. FIG. 4A shows an example in which a pair of counter electrodes 11A and 11B similar to those in FIG. 3 are formed. On the other hand, in FIG. 4B, two pairs of counter electrodes 11A and 11B and counter electrodes 11C and 11D are formed. In this way, a plurality of sets of counter electrodes may be formed in one charged particle optical element 13. In the case of FIG. 4B, for example, the counter electrodes 11A and 11B are operated at the same potential at a certain potential A, and the counter electrodes 11C and 11D are operated at the same potential at a potential B different from the potential A. If the control circuit and wiring are configured, it can also operate as an astigmatism corrector. If all the counter electrodes 11A, 11B, 11C, and 11D have the same potential, they can act as lenses. Further, if the above voltages are added, the function of the deflector, lens, and astigmatism corrector can be combined.

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。 The control circuit 4 of this embodiment generates heat during driving and raises the temperature of the entire counter electrode array. The counter electrode formation region 9 as a whole also generates heat because it has the switch element and the wiring 6 although the amount of heat generation is smaller than that of the control circuit. In such a configuration, the second main surface 3 of the substrate 1 is fixed to the holder substrate 8 so that a charged particle beam (moving in the direction of the arrow α) can pass as shown in FIG. The holder substrate 8 has a cooling means (not shown), and heat can be discharged from the second main surface 3 to the holder substrate 8. The cooling means can be implemented by forming the holder substrate 8 itself with a material having good thermal conductivity, or by forming a flow path to flow a refrigerant. In the present embodiment, the holder substrate 8 has a flow path formed therein, and can be cooled using water as a refrigerant. The member of the holder substrate 8 is also formed of copper.

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。 The silicon substrate 1 has a via 7 filled with a metal having higher thermal conductivity than silicon. Particularly in this embodiment, copper is embedded as a filling material. As shown in FIGS. 1A and 1B, the vias 7 have a columnar structure, and a plurality of vias are densely arranged in the lower region of the control circuit 4 and the counter electrode formation region 9. The heat of the control circuit 4 can be effectively conducted to the second main surface 3. The columnar cross-sectional shape is circular in the illustrated example, but may be any other shape such as a square, a rectangle, or a triangle. The via 7 may be formed by any method such as a method of opening a hole and filling the metal with electroplating. The thermal conductivity coefficient of copper is 398 W / (m · K), which is about 2.6 times higher than that of silicon (150 W / (m · K)). Therefore, the thermal resistance of this part can be reduced to half or less. In the present embodiment, the via 7 buried in this way is formed only immediately below the control circuit 4 and the counter electrode formation region 9 having a large calorific value. Thus, by lowering the thermal resistance of the substrate 1 at the location where the heat generation amount is large, the temperature rise of the control circuit 4 and the multilayer wiring layer 6 can be reduced.

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。 Next, specific dimension examples will be described. The thickness of the silicon substrate 1 is 340 μm. The thickness of the multilayer wiring layer 6 is 10 μm. The counter electrode formation region 9 is formed in an area of 4 mm × 4 mm, and 26 × 26 charged particle optical elements 13 are formed in this area at a pitch of 150 μm. The through hole 12 typically has a diameter of about 10 μm to 30 μm, and in this embodiment, has a diameter of 15 μm. The counter electrodes 11A and 11B each have a width of 10 μm × length of 20 μm × height of 15 μm and are configured using gold bumps. On the other hand, the control circuit 4 is formed in an area of 6 mm × 1.5 mm with a distance of 0.1 mm from the counter electrode formation region 9. The copper vias 7 are formed immediately below the counter electrode formation region 9 in a region where the charged particle optical element 13 is not formed with a pitch of 150 μm and a diameter of 150 μm. Directly below the control circuit 4, the diameter is 300 μm and the pitch is 150 μm. All the vias 7 are formed in a region having a depth of 180 μm from the second main surface 3.

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/(m・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。 In such a configuration, one control circuit 4 and the counter electrode formation region 9 generate heat of about 6 W and 2 W, respectively. The second main surface 3 and the holder substrate 8 are not bonded in the counter electrode formation region 9 but bonded so that a good thermal connection can be obtained in other portions. The cooling means mounted on the holder substrate 8 is exhausted with a heat transfer coefficient of 10,000 W / (m 2 · K). Accordingly, the first main surface 2 is at a higher temperature than the second main surface 3.

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。 At this time, when driving is performed only by the substrate 1 without including all the vias 7, the translational displacement in the optical axis direction of the counter electrode formation region 9 due to heat deformation due to heat generation is an average displacement in the direction of arrow α in FIG. 62 nm. On the other hand, in this embodiment, it can be reduced by about 13%, which is 54 nm. Further, the deformation distribution in the counter electrode formation region 9 can also be reduced from 17 nm to 15 nm. As described above, in this embodiment, the thermal deformation of the counter electrode formation region 9 can be reduced by forming the via 7. Therefore, since the positional accuracy of the plurality of charged particle optical elements 13 formed in the counter electrode formation region 9 can be improved, a charged optical element with less aberration can be obtained. In addition, since the amount of change in the positional relationship with another optical element in the charged particle optical system before and after driving is reduced, assembly of the entire charged particle optical system can be simplified.

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。 Further, copper used as a filling material in this example has a linear expansion coefficient 5 to 6 times higher than that of silicon. This has the following effects. The multilayer wiring layer 6 for electrically wiring to the control circuit 4 and the interface unit 5 has a structure in which silicon oxide films and copper are alternately stacked. Therefore, the linear expansion coefficient is higher than that of silicon. Since the multilayer wiring layer 6 generates heat and is close to the control circuit 4, the temperature rises. In such a situation, the first main surface 2 side receives stress due to the elongation of the multilayer wiring layer 6. Therefore, as in the present embodiment, the via embedding depth of copper in the via 7 is not stopped through the silicon substrate, but is stopped halfway, so that the extension on the second main surface 3 side is increased and the multilayer wiring layer 6 is used. The influence of thermal stress on deformation can be reduced. Alternatively, the silicon substrate 1 and the via 7 can be electrically connected. In that case, the via 7 can be used as power supply means for defining the potential of the silicon substrate 1. Thus, the potential can be regulated by reducing the potential distribution even when the silicon substrate 1 has a high resistance without providing a special power supply pad or the like to the substrate 1.

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。 The manufacturing method of the counter electrode array of this example is as follows. A control circuit 4 and a multilayer wiring layer 6 are formed on a silicon substrate using a general semiconductor manufacturing technique, and then a photodiode is mounted. Thereafter, the through hole 12 is produced by a MEMS manufacturing technique, and the through hole 12 is backfilled and flattened. And the hole for via | veer 7 is formed from the 2nd main surface 3 side by a MEMS manufacturing technique, and the copper via | veer 7 is formed by electroplating. Thereafter, gold bumps are formed from the first main surface 2 side by electroplating to form counter electrodes 11A and 11B. Finally, the backfill material of the through holes 12 can be removed to form the counter electrode array. As described above, since the counter electrode array of this embodiment can be formed by combining the semiconductor manufacturing technology and the MEMS manufacturing technology, a high-density and large-scale counter electrode array can be formed with high accuracy.

(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。
(Example 2)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b). Note that portions having the same functions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified, and the description of the same effect is also simplified or omitted. The thickness of the counter electrode formation region 9 of the silicon substrate 1 is different between the first embodiment and the present embodiment. In the present embodiment, the thickness of this region is thinner than the thickness of regions other than that region. FIG. 5A is a top view of the counter electrode array of this embodiment, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. The counter electrode formation region 9 indicated by a broken line in FIG. 5B is thinner than the other regions. Further, unlike the first embodiment, the via 7 is not formed in the counter electrode formation region 9.

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。 Next, specific dimension examples will be described. The thickness of the counter electrode forming region 9 of the silicon substrate 1 is 40 μm. The other thickness is 340 μm. The diameter of the through-hole 12 is typically 0.5 μm to 20 μm, and in this embodiment is 1.5 μm. Due to the processing characteristics of deep dry etching on silicon, it is difficult to control the diameter and the inclination of the central axis when processing through holes with a high aspect ratio. If such an error occurs, the charged particle beam may be blocked. Further, when the diameter of the through hole becomes large due to an error, the through hole may reach the counter electrode arranged close to the counter electrode, and the counter electrode may be damaged. Therefore, it is necessary to increase the hole diameter for the charged particle beam and increase the gap of the counter electrode with respect to the hole diameter in anticipation of the processing margin. In this embodiment, by selecting the amount of thinning the substrate 1 according to the target through-hole diameter, a through-hole having a submicron order diameter can be formed between the counter electrodes. Furthermore, the pitch of the through holes 12 can be reduced, and the charged particle optical elements 13 can be arranged with high density.

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。 The vias 7 are formed with a diameter of 300 μm and a pitch of 150 μm immediately below the control circuit 4. Each via 7 is formed in a region having a depth of 240 μm from the second main surface 3. In the present embodiment, only the control circuit 4 generates heat at 6 W. Other dimensions and the amount of exhaust heat are the same as in the first embodiment.

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。 The silicon substrate 1 has a temperature gradient from the first main surface 2 to the second main surface 3, and a large thermal stress is generated on the first main surface side. Furthermore, since the multilayer wiring layer 6 has a larger linear expansion coefficient than silicon, this effect is increased. Since the counter electrode formation region 9 is formed in a thin film on the first main surface 2 side, the arrow in FIG. 5B is caused by the effect of the temperature increase and the temperature gradient in the thickness direction as described above. A translational displacement occurs in the β direction. At this time, this direction (Z direction) displacement of the upper surface of the counter electrode formation region 9 is shown in FIG. FIG. 6 shows the case where the hollow plot does not include the via 7 and only the silicon substrate 1 and the solid plot is the present embodiment. The horizontal axis indicates the position of the line segment OX shown in FIG. When the via 7 is not formed as shown, the maximum displacement is 0.15 μm. On the other hand, in this embodiment, the maximum displacement is 0.08 μm, and the maximum displacement can be reduced. Further, assuming that about 80% of the counter electrode formation region 9 having an overall width of 4 mm is actually used, the difference shown by the lines P and Q in FIG. 6 is an important displacement distribution. It can be seen that the displacement distribution of the prior art is about 80 nm, the displacement distribution of the present embodiment is about 15 nm, and the displacement distribution can also be reduced by the via 7.

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。 As described above, even when only the counter electrode formation region 9 of the substrate 1 is thinned, the deformation due to heat generation of the control circuit 4 can be effectively reduced by forming the via 7. Further, in this embodiment, since it is not necessary to form the vias 7 in the counter electrode forming region 9, the counter electrode array can be formed with a very high density. And since the filling material is not formed in the counter electrode formation area 9, the deformation | transformation resulting from the residual stress of a filling material can be eliminated.

(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。
(Example 3)
Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 (a) and 7 (b). Note that parts having the same functions as those of the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description will be simplified, and the description of the same effect will be simplified or omitted. The present embodiment is different from the previous embodiment in that it is an integrated unit in which two devices of the counter electrode array and the aperture array are assembled on the holder substrate 8.

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。 FIG. 7A shows a cross-sectional view of the unit of this embodiment. In the portion surrounded by the broken line R, the counter electrode array of Example 2 is joined to the third main surface 14 of the second substrate 16 with the second main surface 3 oriented as shown. In the present embodiment, the second main surface 3 and the third main surface 14 are bonded using an adhesive having good thermal conductivity. FIG. 7B is a top view seen from the direction of the arrow γ in FIG. As shown in the drawing, an opening 18 is formed in the second silicon substrate 16 at a position corresponding to the counter electrode. The charged particle beam enters from the direction of the arrow γ, is shaped into a desired shape by the opening 18 and enters the counter electrode. The opening 18 and the through hole 12 of the silicon substrate 1 are installed with their center axes aligned. By bonding the silicon substrate 1 and the second silicon substrate 16 without using another member as in this embodiment, the alignment between the two substrates can be improved. In addition, by joining at the wafer level and finally cutting to the device size, a highly aligned unit can be manufactured at low cost.

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。 In the second silicon substrate 16, the region where the opening 18 is formed is thin. Therefore, similarly to the through-hole 12 of the second embodiment, it is possible to accurately process holes with a minute diameter and pitch. On the other hand, the thickness of the other portions is increased, and the rigidity of the entire second silicon substrate 16 is kept high. By adopting such a structure, the second silicon substrate 16 is prevented from being damaged or deformed due to external stress even if an aperture array having a minute diameter and pitch is formed. Can do. The non-thinned portion is fixed on the fourth main surface 15 so as to have a good thermal connection to the holder substrate 8. As described in the previous embodiment, heat can be discharged from the fourth main surface 15 to the outside by the cooling means mounted on the holder substrate 8.

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。 The second silicon substrate 16 has a second via 17 so as to penetrate from the third main surface 14 to the fourth main surface 15 as shown in FIG. The second via 17 is formed at a position corresponding to the via 7 as shown in the figure so that it can be thermally connected to the via 7 formed in the counter electrode array. As with the via 7, a metal such as copper or tungsten can be used as the second filling material of the second via 17. In this embodiment, the filling material is copper. Heat from the control circuit 4, the interface unit 5, and the multilayer wiring layer 6 formed on the first main surface 2 side is discharged from the counter electrode array through the second main surface 3. Subsequently, since the second main surface 3 and the third main surface 14 are thermally well connected, heat is conducted from the third main surface 14 to the fourth main surface 15, and the holder substrate 8. Is discharged. At this time, since the thermal resistance in the thickness direction of the silicon substrate 1 and the second silicon substrate 16 is reduced by the via 7 and the second via 17, the heat from the first main surface 2 is effectively reduced. Can be discharged. And the temperature rise of the 1st main surface 2 can be reduced. In this manner, the structure in which the silicon substrate 1 and the second silicon substrate 16 are joined can be cooled well by the via 7 and the second via 17.

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。 Alternatively, the silicon substrate 1 and the via 7 and the second silicon substrate 16 and the second via 17 may be electrically connected. In that case, the via 7 and the second via 17 can be used as power supply means for defining the potential of the silicon substrate 1 and the second silicon substrate 16. Without providing a special power supply pad or the like to the substrate, the potential can be regulated by reducing the potential distribution even when silicon has a high resistance.

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 1 ... Silicon substrate (first substrate) 2 ... First main surface 3 ... Second main surface 4 ... Control circuit 7 ... Via (first filling material region), 11A, 11B .. Counter electrode, 12 .. Through hole, 14 .. Third main surface, 15.. Fourth main surface, 16 .. Second silicon substrate (second substrate), 17. Second via (second filling material region), 18 .. opening

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) In the production of semiconductor devices, the electron beam exposure technique is a promising candidate for lithography that enables fine pattern exposure of 0.1 μm or less. In such an exposure apparatus, a charged particle optical element for controlling the optical characteristics of the electron beam is used. In the electron beam exposure technique, there has been proposed a multi-beam system that simultaneously draws a pattern with a plurality of electron beams without using a mask. In a multi-beam system, a charged particle optical element in which charged particle optical elements are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array is used. In such a charged particle optical element array, a deflection electrode and a multipole lens can be formed by a microelectromechanical system (MEMS) manufacturing technique, and one element can be miniaturized and arranged at a high density to produce a large-scale array. . Furthermore, the control circuit is also integrated on the same substrate as the substrate on which the deflection electrode is formed, so that high speed and large scale array can be realized. (Refer to Patent Document 1 and Non-Patent Document 1) In addition, the astigmatism corrector can be downsized by using the MEMS manufacturing technique and using the facing electrode structure similar to the deflection electrode. (See Non-Patent Document 1)

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。 In such charged particle optical element arrays, higher precision is required for alignment between optical element arrays as one element is reduced in size and density, and smaller optical aberrations are required as drawing patterns become finer. Or Therefore, it is important to realize a charged particle optical element array with small thermal deformation.

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。 In a device in which the charged particle optical element array and the control circuit are integrated on the same substrate, there is a concern that heat generated by the control circuit causes the charged particle optical element array on the substrate to be thermally deformed. In particular, the control circuit also has an optical interface unit such as a photodiode for inputting a control signal to the device or an electrical interface unit such as a metal bump or a metal pad on the same surface side of the substrate. For this reason, it is difficult to say that it is easy to enlarge the exhaust heat exhaust area on this surface side. Therefore, there is a problem that thermal deformation cannot be sufficiently reduced. On the other hand, it is conceivable to cool from the back surface opposite to this surface. In this case, due to the thermal resistance of the substrate, it may not be possible to exhaust heat sufficiently, or a temperature gradient may occur in the thickness direction of the substrate, causing bending stress. Therefore, also in this case, there is a problem that thermal deformation cannot be sufficiently reduced.

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。 The counter electrode array also releases heat to the outside of the device on the surface (second main surface) opposite to the surface (first main surface) on which the counter electrode, control circuit, and interface section are formed. It has a heat exhaust surface. Here, the optical axis of the charged particle beam is the normal line, the surface of the first substrate on which the counter electrode is formed is the first main surface, and the surface opposite to the first main surface is the second main surface. A surface is a thickness, and a dimension in a direction from the first main surface to the second main surface is a thickness. The cooling means can come into thermal contact with the heat removal surface to discharge the heat. As the cooling means, means capable of transporting heat to the outside of the system, for example, a heat sink, a cooling element using a refrigerant, a Peltier element, a heat pipe, or the like is used. Moreover, you may have a heating means in the said heat exhaust surface . In the manner of this, when installing the cooling means to the second principal surface side, as compared with the case of placing the cooling means to the first main surface, it can be increased formation area of the interface unit and the counter electrode of the control signal. That is, the number of counter electrode arrays can be increased with the same device size. Therefore, the device can be manufactured at a lower cost.

Claims (9)

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。
A charged particle optical system having a first substrate provided with a counter electrode array including a plurality of counter electrodes that form electric fields that act on a plurality of charged particle beams in an optically charged particle manner, respectively.
The optical axis of the charged particle beam is a normal line, the surface of the first substrate on which the counter electrode is formed is a first main surface, and the surface opposite to the first main surface is a second main surface. The first substrate extends in the thickness direction from the second main surface, with the thickness in the direction from the first main surface to the second main surface as the thickness. A charged particle optical system having a region provided with a first filling material having higher thermal conductivity than a substrate.
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。
The first substrate is a silicon substrate;
The counter electrode array includes a control circuit on the silicon substrate, an interface unit that receives a control signal to the control circuit, and an electric field that acts on the plurality of charged particle beams optically based on the control signal. The charged particle optical system according to claim 1, further comprising: a plurality of counter electrodes that form a plurality of counter electrodes.
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。
The first substrate has a plurality of through holes that penetrate the first substrate in the thickness direction through which the plurality of charged particle beams respectively pass.
The thickness of the region of the first substrate on which the plurality of counter electrodes are formed is thinner than the thickness of a region other than the region on which the counter electrodes are formed. Charged particle optics.
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。 4. The charged particle optical system according to claim 1, wherein the first filling material has a higher coefficient of thermal expansion than the material of the first substrate or silicon. 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。 The charged particle optical system according to any one of claims 1 to 4, wherein the region filled with the first filling material is a region having one or more columnar structures. 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。
Further comprising an aperture array;
The aperture array has a plurality of apertures in the second substrate that respectively limit the charged particle beam incident on the counter electrode array;
The second substrate has the optical axis as a normal line, one surface as a third main surface, a surface opposite to the first main surface as a fourth main surface, and a third main surface. And a thickness in a direction between the fourth main surface and a region having a second filling material having a higher thermal conductivity than the second substrate in the thickness direction,
The charged particle according to any one of claims 1 to 5, wherein the third main surface is disposed in thermal contact with the second main surface of the counter electrode array. Optical system.
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。 The region filled with the second filling material is a region of one or more columnar structures, and penetrates from the third main surface to the fourth main surface. The charged particle optical system according to 1. 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。
An optical element array structure having a first substrate formed with a plurality of apertures through which a plurality of charged particle beams pass.
The optical axis of the charged particle beam is a normal line, one surface of the first substrate is a first main surface, a surface opposite to the first main surface is a second main surface, The thickness of the first substrate from the main surface to the second main surface is a thickness, and the first substrate extends in the thickness direction from the second main surface, and is more thermally conductive than the first substrate. An optical element array structure having a region provided with a high first filling material.
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。
The charged particle optical system or optical element array structure according to any one of claims 1 to 8,
An exposure apparatus that performs drawing on a substrate using a plurality of charged particle beams.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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