DE19927036A1

DE19927036A1 - Elektronenkanone zur Verwendung in einer Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19927036A1
Application number: DE19927036A
Authority: DE
Inventors: Yoshihisa Ooae; Takamasa Satoh; Akio Yamada; Hiroshi Yasuda
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2019-06-05
Also published as: JP4052731B2; TW429458B; KR100313845B1; GB2338589B; KR20000005866A; GB2338589A; US6252344B1; DE19927036C2; GB9913068D0; JP2000011932A

Abstract

Eine Elektronenkanone, vorzugsweise für eine vierpolige Elektronenkanone, für die Verwendung in einer Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung, bestehend aus: einer Kathode zur Emission eines Elektronenstrahls bei Anlegung einer negativen Beschleunigungshochspannung; einem ersten, der Kathode nachgeschalteten Gitter zur Fokussierung eines invertierten Abbildes des Elektronenstrahls bei Anlegung einer Spannung, die eine Sperrvorspannung für die Kathode wird, wobei die Kathode und das erste Gitter auf der Hochspannungsseite eines Hochspannungsisolators angeordnet sind; einer Anode, die auf der Niederspannungsseite des Hochspannungsisolators angeordnet ist, zum Sammeln des das erste Gitter passierenden Elektronenstrahls; und einem zweiten Gitter, welches auf der Hochspannungsseite des Hochspannungsisolators und zwischen dem ersten Gitter und der Anode angeordnet ist und eine Apertur zur Begrenzung der Menge des hierdurch passierenden Elektronenstroms aufweist. Eine Spannung, die eine Durchlaßvorspannung für die Kathode wird, wird an das zweite Gitter angelegt und das invertierte Abbild wird auf die Apertur des zweiten Gitters fokussiert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Belichtungs vorrichtung, die einen geladenen Teilchenstahl, wie z. B. einen Elektronenstrahl, nutzt. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Elektronenkanone zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, der für die Figur eines vorbestimmten Musters auf ein in einer Elektronenstrahl-Belichtungs vorrichtung exponiertes Material (insbesondere einem Wa fer) bestimmt ist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Es sind viele herkömmliche Elektronenstrahl-Belichtungs vorrichtungen bekannt, beispielsweise eine variable rechteckige Belichtungsapparatur, eine Blockbelichtungs apparatur und eine Stanzaperturmatrix-Belichtungs apparatur (blanking aperture array). Diese Belichtungs vorrichtungen verwenden eine Maske oder Blockmaske mit rechteckiger Apertur, um eine Querschnittsform des Elek tronenstrahls zu erzeugen, eine Apertur mit gewünschter Form als Einheit in einer sich wiederholenden Anordnung, und eine in einer Matrix arrangierten Vielzahl von Aper turen. Der Elektronenstrahl wird durch Bestrahlung einer gewünschten Fläche der Apertur auf der Maske geformt, so daß ein gewünschtes Muster auf den Wafer gezeichnet wird. In diesem Fall hat die Gleichförmigkeit des Elektronen strahls, der auf den Wafer gestrahlt wird, einen großen Einfluß auf die Linienbreite des zu zeichnenden Musters. Wenn zum Beispiel angenommen wird, daß die zulässige Li nienbreite 0,01 µm beträgt bei einer zu zeichnenden Linie von 0,1 µm, darf die Gleichförmigkeit des Strahls nur um wenige Prozent fluktuieren. Im Ergebnis wird eine einför mig erscheinende Durchstrahlungsfläche enger und eine Be lichtungsfläche wird reduziert, so daß der Durchsatz der Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung sich verschlech tert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung ei ner verbesserten Elektronenkanone zur Verwendung in einer Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Elektronenka none geschaffen und in einer bevorzugten Ausführungsform eine vierpolige Elektronenkanone zur Verwendung in einer Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung, die folgende Be standteile umfaßt: eine Kathode zur Emission eines Elek tronenstrahls bei Anlegung einer negativen Beschleuni gungshochspannung; ein erstes, der Kathode nachgeschalte tes Gitter zur Fokussierung eines invertierten Abbildes des Elektronenstrahls bei Anlegung einer Spannung, die eine Sperrvorspannung für die Kathode wird, wobei die Ka thode und das erste Gitter auf der Hochspannungsseite ei nes Hochspannungsisolators angeordnet sind; eine auf der Niederspannungsseite des Hochspannungsisolators angeord nete Anode zum Sammeln des das erste Gitter passierenden Elektronenstrahls; und ein zweites Gitter, welches auf der Hochspannungsseite des Hochspannungsisolators und zwischen dem ersten Gitter und der Anode angeordnet ist und eine Apertur zur Begrenzung der Menge des hierdurch passierenden Elektronenstrahls aufweist; wobei eine Span nung, die eine Durchlaßvorspannung für die Kathode wird, an das zweite Gitter angelegt wird und das invertierte Abbild auf die Apertur des zweiten Gitters fokussiert wird.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Elektronenkanone weiterhin eine elektromagnetische Ab lenkvorrichtung zur Ablenkung des von der Kathode emit tierten Elektronenstrahls in Richtung der Apertur des zweiten Gitters, wobei die elektromagnetische Ablenkvor richtung an einem mittels des Hochspannungsisolators von der Kathode und dem ersten und zweiten Gitter isolierten Ort angeordnet ist, an einer Stelle, die ungefähr dem Ort der Kathode für die bestrahlte Richtung des Elektronen strahls entspricht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Elektronenkanone weiterhin eine Differenz-Detektions schaltung zur Berechnung eines die Apertur des zweiten Gitters passierenden Stroms (IB), der auf der Differenz zwischen einem von der Kathode emittierten Emissionsstrom (IE) und dem Eingangsstrom (IG2) des zweiten Gitters ba siert, und zur Regelung mindestens einer der Versorgungs spannungen (VG1, VG2) des ersten und des zweiten Gitters (G1, G2) dient, während der berechnete Strom (IB) kon stant gehalten wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird minde stens eine der Versorgungsspannungen (VG1, VG2) des er sten und zweiten Gitters (G1, G2) geregelt, während der Emissionsstrom (IE) der Kathode konstant gehalten wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird minde stens eine der Versorgungsspannungen (VG1, VG2) des er sten und zweiten Gitters (G1, G2) geregelt, während der Eingangsstrom (IG2) des zweiten Gitters konstant gehalten wird.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird jede der Versorgungsspannungen (VG1, VG2) des ersten und zweiten Gitters (G1, G2) bestimmt, wenn das Verhältnis (IB/IE) des die Apertur des zweiten Gitters passierenden Stroms (IB) und des durch die Kathode emittierten Emissi onsstroms (IE) ein Maximum wird.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer vierpoligen Elektronenkanone gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Elektronen strahls und der Strahlungsintensität in einer Elektronen strahl-Belichtungsvorrichtung, welche die in Fig. 1 ab gebildete vierpolige Elektronenkanone verwendet;

Die Fig. 3A bis 3C sind Ansichten zur Erläuterung der elektrischen und physikalischen Merkmale der vierpoligen Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist ein schematisches Elektroblockdiagramm einer Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung, welche die vier polige Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;

Fig. 5 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Elek trodenspannungssteuerungseinheit in der in Fig. 4 darge stellten vierpoligen Elektronenkanone;

Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht einer dreipoligen Elektronenkanone nach konventionellem Stand der Technik und

Fig. 7 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Elektro nenstrahls und der Strahlungsintensität in einer Elektro nenstrahl-Belichtungsvorrichtung mit der in Fig. 6 dar gestellten dreipoligen Elektronenkanone.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Vor Erläuterung der bevorzugten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden einige Beispiele des konventionellen Technikstandes und seiner Probleme anhand der Figuren im Detail erläutert.

Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht einer dreipoligen Elektronenkanone nach konventionellem Stand der Technik. In der Figur ist Bezugszeichen 1 ein Hoch spannungsisolator, 2 eine Heizvorrichtung, C eine Katho de, G1 ein Gitter und A eine Anode mit einer Apertur AP. Der Hochspannungsisolator 1 ist für die Isolierung der einzelnen Elektroden vorgesehen und die Heizvorrichtung 2 ist für die Beheizung der Kathode C vorgesehen. Die her kömmliche dreipolige Elektronenkanone wird aus der Katho de C, dem Gitter G1 und der Anode A gebildet. Detaillier te Erklärungen werden in der folgenden Fig. 7 gegeben.

Fig. 7 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Elektro nenstrahls und der Strahlungsintensität in einer Elektro nenstrahl-Belichtungsvorrichtung mit der in Fig. 6 dar gestellten dreipoligen Elektronenkanone. Die gleichen Strukturelemente wie in Fig. 6 sind mit den gleichen Be zugszeichen in den folgenden Figuren versehen. Die Katho de C ist für die Emission thermischer Elektronen (mit an deren Worten, eines Emissionstromes IE, d. h. eines Elek tronenstrahls EB) vorgesehen, indem eine negative Hochbe schleunigungsspannung angelegt wird.

Das Gitter G1 ist für die Fokussierung eines invertierten Abbildes XO' des Elektronenstrahls EB vorgesehen, indem eine Spannung, die eine Sperrvorspannung für die Kathode C ist, angelegt wird. Die Anode A sorgt für die Sammlung des beschleunigten Elektronenstrahls EB nach der Passage durch das Gitter G1. Ferner sind die Kathode C und das Gitter G1 auf der Hochspannungsseite des Hochspannungs isolators 1 angeordnet und die Anode A auf der Niederspan nungsseite des Hochspannungsisolators 1. (Im allgemeinen ist die Anode A geerdet, wie in Fig. 1 dargestellt ist.)

Weiterhin kennzeichnet Bezugszeichen 11 eine erste Maske, die eine rechteckige Apertur AP oder einen Spalt aufweist und die der Anode A nachgeschaltet ist. Bezugszeichen 12 ist eine Linseneinheit, die eine Blockmaske, in welche eine Apertur gemäß des zu zeichnenden Musters eingearbei tet ist, eine Elektronenlinse (nicht abgebildet) zur Sammlung des Elektronenstrahls, eine Ablenkvorrichtung (nicht abgebildet) zur Ablenkung des Elektronenstrahls und eine Spule (nicht abgebildet) zur Korrektur des Elek tronenstrahls enthält. Bezugszeichen 13 ist eine zweite, der Linseneinheit 12 nachfolgend angeordnete Maske mit einer runden Apertur RAP.

Im obigen Aufbau bildet aufgrund eines elektrisches Fel des, das durch das Gitter G1 erzeugt wird, der von der Kathode C emittierte Emissionsstrom IE (d. h. der Elektro nenstrahl EB) ein invertiertes Abbild XO' und passiert die Apertur AP der Anode. Weiterhin wird der Elektronen strahl EB auf die erste Maske 11 mit der rechteckigen Apertur AP gestrahlt. In diesem Fall wird ein Teil des auf die erste Maske 11 gestrahlten Elektronenstrahls EB durch die umgebende Fläche der rechteckigen Apertur AP (vgl. die schraffierte Fläche) abgeschnitten und der ver bleibende Elektronenstrahl EB passiert die rechteckige Apertur AP. Der durch die rechteckige Apertur AP passier te Elektronenstrahl EB wird durch die Linseneinheit 12, welche die Elektronenlinse, die Ablenkvorrichtung und die Spule umfaßt, gesammelt.

Der Elektronenstrahl EB wird dann auf die zweite Maske 13 mit der runden Apertur RAP gestrahlt. Der durch die runde Apertur RAP passierte Elektronenstrahl wird durch eine Hauptablenkvorrichtung und eine Nebenablenkvorrichtung (beide nicht abgebildet) abgelenkt und auf einen ge wünschten Ort auf dem Wafer gelenkt. Im Ergebnis werden die vorbestimmten Muster auf den Wafer gezeichnet.

Anderseits existiert ein anderer Typ einer Elektronen kanone, nämlich eine Apertur-begrenzte Elektronenkanone (nicht dargestellt). Die Apertur-begrenzte Elektronenka none hat prinzipiell den gleichen Aufbau wie die dreipo lige Elektronenkanone, jedoch ist ein zweites Gitter mit, Apertur zwischen dem Gitter (insbes. ein Wehnelt-Gitter) und der Anode angeordnet. In einer herkömmlichen Apertur begrenzten Elektronenkanone ist das Wehnelt-Gitter auf der Hochspannungsseite des Hochspannungsisolators und das zweite Gitter auf der Niederspannungsseite des Isolators angeordnet. (Im allgemeinen ist das zweite Gitter geer det.)

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf Probleme der konventionellen dreipoligen Elektronenkanone und der Apertur-begrenzten Elektronenkanone.

Zunächst werden im folgenden Probleme der herkömmlichen dreipoligen Elektronenkanone erklärt.

In einer konventionellen in den Fig. 6 und 7 darge stellten dreipoligen Elektronenkanone, passiert der Emis sionsstrom IE die Apertur AP der Anode A, so daß die thermische Belastung, die auf die erste Maske 11 ein wirkt, relativ hoch wird. Infolge der hohen thermischen Belastung treten verschiedene Probleme auf, insbesondere Schmelzen der die rechteckige Apertur AP der ersten Maske 11 umgebenden Fläche, Auftreten von Sprüngen auf der die rechteckige Apertur AP umgebenden Fläche und Absplittern einer metallischen Schutzschicht. Weiterhin treten in der hinter der ersten Maske 11 angeordneten Linseneinheit 12, aufgrund der relativ hohen Energie, die auf die die rechteckige Apertur AP umgebende Fläche der Blockmaske einwirkt (insbes. auf den die Strahlung abschneidenden Bereich), die gleichen, oben genannten Probleme auf, näm lich Beschädigung des den Strahl abschneidenden Bereichs und Schmelzen dieses Bereichs. Darüber hinaus tritt ein Problem an der hinter der Linseneinheit 12 angeordneten zweiten Maske 13 mit der runden Apertur RAP auf, welches in einem beträchtlichen Verlust des Elektronenstrahls an der umgebenden Fläche besteht, wie in Fig. 7 durch das schraffierte Areal LB' gezeigt wird.

Ferner kann in einer herkömmlichen dreipoligen Elektro nenkanone die Gleichmäßigkeit des auf den Wafer gestrahl ten Elektronenstrahls verbessert werden, indem der Emis sionsstrom IE erhöht wird. Da jedoch gleichzeitig die Energie, die auf den strahlbegrenzenden Bereich der Blockmaske einwirkt, mit ansteigendem Emissionsstrom IE zunimmt, treten Probleme auf, wie Beschädigung des strahlabschneidenden Bereichs und Schmelzen dieses Be reichs, so daß die Realisierung eines gleichförmigen auf den Wafer strahlenden Elektronenstrahls sehr schwierig ist.

Darüber hinaus erhöht sich in einer typischen dreipoligen Elektronenkanone die Temperatur des Werkstückes, welches für die Kathode verwendet wird und aus einem LaB₆- Einkristall hergestellt wird, auf nahezu 1500°, wenn es durch die Heizvorrichtung aufgeheizt wird. Dementspre chend muß ein Material für die Befestigung der geheizten Kathode gegen hohe Temperaturen beständig und thermisch isoliert sein und muß notwendigerweise von dem umgebenden Areal elektrisch isoliert sein, um den Heizstrom auf rechtzuerhalten. Folglich muß eine verbesserte Anordnung bei der Montage der Heizvorrichtung und der Kathode erwo gen werden. Auch ist die präzise Bestimmung der Spitze des Kristalls (d. h. des Bereichs, der den Strahl emit tiert), sehr schwierig.

Im einzelnen müssen die Emissionsbedingungen des Elektro nenstrahls in Übereinstimmung mit der relativen Position des Wehnelt-Gitters beträchtlich verändert werden, so daß es sehr schwierig ist, die Position der Spitze des Kri stalls bei seiner Montage zu ändern und auch die Bündel knoten werden verändert. Folglich besteht in einer kon ventionellen dreipoligen Elektronenkanone ein Problem in der stark beeinträchtigten Montagepräzision.

Die tatsächliche Größe der Spitze des Kristalls beträgt etwa einige zehn µm im Durchmesser, während die tatsäch liche Größe der Apertur des Wehnelt-Gitters etwa 1 mm im Durchmesser beträgt. Aus der sehr geringen Größe der Kri stallspitze und der Apertur des Wehnelt-Gitters geht her vor, daß in einem Positionierungsprozeß sehr kleine Flä chen lokalisiert werden müssen. Wenn daher auch nur ge ringste Abweichungen im Positionierungsprozeß auftreten, haben diese Abweichungen großen Einfluß auf den emittier ten Elektronenstrahl. In solchen Situationen existieren mehrere essentielle Bedingungen im von der dreipoligen Elektronenkanone emittierten Elektronenstrahl, deren gleichzeitige Erfüllung basierend auf den drei Parametern (1) bis (3) sehr schwierig ist. Die zu erfüllenden essen tiellen Bedingungen sind folgende:

1. Stärke des Emissionsstromes IE (Dieser Strom verur sacht die Beschädigung der die rechteckige Apertur der ersten Maske 11 umgebenden Fläche),
2. Gleichförmigkeit der Strahlungsintensität des Strahls und
3. Größe des invertierten Bildes (Größe des invertierten Bildes in der runden Apertur in Maske 11).

Da in der dreipoligen Elektronenkanone jede an der Katho denelektrode und der Anodenelektrode angelegte Spannung konstant ist, ist diejenige Elektrode, an welcher die Spannung beliebig variiert werden kann, ausschließlich die Gitterelektrode (nämlich das Wehnelt-Gitter). Folg lich ist es praktisch unmöglich gleichzeitig die drei oben bezeichneten Bedingungen zu erfüllen, indem ein Pa rameter (nämlich Veränderung der Gitterspannung) variiert wird. Gemäß des konventionellen Technikstandes muß jedes Bauteil mit sehr hoher Präzision gestaltet werden (etwa gemäß eines auf Berechnungen und Experimenten basierenden Idealzustandes). Die Versorgungsspannung der Gitterelek trode wird derart gesteuert, daß der Emissionsstrom IE einem vorbestimmten Wert annimmt. Hierbei werden die Be dingungen der oben genannten Punkte (2) und (3) in Über einstimmung mit der Spannungsänderung des Gitters verän dert.

Wenn - mit anderen Worten - im herkömmlichen Technikstand eine beliebige Bedingung der Punkte (1) bis (3) mit hoher Präzision erfüllt wird, weichen andere Bedingungen, gemäß verschiedener Differenzen aufgrund der Montagepräzision und der Herstellungspräzision der Bauteile, vom Idealzu stand ab. Darüber hinaus besteht ein großes Problem in der zunehmenden Größe des invertierten Bildes. Wenn der Elektronenstrahl auf jede Maske gestrahlt wird und wenn die Menge des durch die runde Apertur RAP der zweiten Maske 13 abgeschnittenen Elektronenstrahls zu groß wird, wird die zweite Maske 13 mit unnötiger Strahlung be strahlt (vgl. Schraffur LB' in Fig. 7).

Wenn beispielsweise das Verhältnis des Stroms, der durch die runde Apertur RAP abgeschnitten wird, und des die runde Apertur RAP passierenden Stroms eins-zu-eins (1 : 1) beträgt, bedeutet das eine doppelte unnötige Bestrahlung auf Maske 13. Entsprechend, wird beispielsweise eine Strahlungsintensität von 60 A/cm^-1 benötigt, um eine Stromdichte von beispielsweise 30 A/cm^-1 auf dem Wafer zu erzielen. Es resultiert, wie oben erwähnt, ein Problem des Schmelzens der umgebenden Fläche aufgrund des starken Stromes.

Zweitens werden nun die Probleme einer herkömmlichen Apertur-begrenzten Elektronenkanone erläutert.

In der konventionellen Apertur-begrenzten Elektronenkano ne ist das erste Gitter (d. h. ein Wehnelt-Gitter) auf der Hochspannungsseite eines Hochspannungsisolators angeord net und das zweite Gitter ist auf der Niederspannungssei te (nämlich der Erdungsseite) des Hochspannungsisolators angeordnet. Entsprechend dieses Aufbaus ergeben sich die folgenden Probleme.

Erstens, indem ein Teil des endgültig beschleunigten Elektronenstrahls durch die runde Apertur RAP abgeschnit ten wird, erhöht sich die Energiebelastung an der runden Apertur RAP. Infolge dessen entstehen Probleme des Schmelzens der die runde Apertur RAP umgebenden Fläche und des Auftretens von Sprüngen ohne Schmelzen der umge benden Fläche. Da außerdem das invertierte Bild, das knapp unter der Elektronenkanone entsteht, mittels der Linsen erneut fokussiert werden muß, ist es notwendig, eine Elektronenkanone mit relativ großen Abmessungen zu gestalten.

Da weiterhin der Lichtweg des Elektronenstrahls lang wird, so daß das invertierte Bild zweimal fokussiert wird, entsteht ein Problem durch zunehmende Abweichungen aufgrund Coulomb'scher Wechselwirkungskräfte. Obwohl die negative Spannung angelegt wird, um die Energiebelastung an der runden Apertur RAP zu reduzieren, ist hier die Verwendung eines speziellen Isolators notwendig, der ein Isolierungsniveau ähnlich dem der Kathode aufweist, so daß auch die Größe der Elektronenkanone zunimmt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist sowohl die Lösung der oben geschilderten verschiedenen konventionellen Pro bleme, insbesondere der Probleme des Schmelzens der umge benden Fläche, der Beschädigung an der rechteckigen Aper tur und der diese umgebende Fläche, etc., als auch die Gestaltung einer verbesserten Elektronenkanone, wie im folgenden dargestellt wird.

Im Aufbau der erfindungsgemäßen Elektronenkanone wird das invertierte Bild auf die Apertur des zweiten Gitters fo kussiert (d. h., die Apertur des zweiten Gitters wird nach dem invertierten Bild ausgerichtet). Selbst wenn der Emissionsstrom, d. h. der von der Kathode emittierte Elek tronenstrahl, groß wird, wird ein unnötiger Randanteil des eine Gauß'sche Verteilungscharakteristik aufweisenden Elektronenstrahls abgeschnitten, so daß es möglich ist, die Menge des Elektronenstrahls auf jeder der Apertur nachgeschalteten Maske zu regulieren.

Damit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die thermische Energie auf der die Apertur umgebenden Fläche und der runden Apertur relativ zu reduzieren. Da durch ist es möglich, den Schaden an der Apertur zu un terdrücken, so daß das Problem des Schmelzens der die Apertur umgebenden Fläche gelöst werden kann.

Ferner ist die elektromagnetische Ablenkvorrichtung im Aufbau der erfindungsgemäßen Elektronenkanone für die Ab lenkung des von der Elektronenkanone emittierten Elektro nenstrahls in Richtung der Apertur des zweiten Gitters vorgesehen. Hierbei ist es wünschenswert, die elektroma gnetische Ablenkvorrichtung an einer Stelle anzubringen, die von der Kathode und dem ersten und zweiten Gitter mittels eines Hochspannungsisolators isoliert ist, und die näherungsweise dem Ort der Kathode für die durch strahlte Richtung des Elektronenstrahls entspricht.

Entsprechend der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Ablenkvorrichtung ist es einfach möglich, den von der Ka thode emittierten Elektronenstrahl auf die Apertur des zweiten Gitters zu lenken und die Spitze der Kathode mit der Apertur des zweiten Gitters mit hoher mechanischer Genauigkeit auszurichten.

Die bevorzugten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die angefügten Figuren im Detail erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer vierpoligen Elektronenkanone gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 ist eine Ansicht, die den Elektronenstrahl und die Strahlungsintensität in einer Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung mit der in Fig. 1 dargestellten vierpoligen Elektronenkanone erläu tert. In den Fig. 1 bis 5 kennzeichnet Bezugszeichen G2 das zweite Gitter gemäß der vorliegenden Erfindung. Die erfindungsgemäße vierpolige Elektronenkanone besteht aus der Kathode C, dem ersten Gitter G1, dem zweiten Git ter G2 und der Anode A.

In den Fig. 1 und 2 sowie auch in dem in Fig. 7 dar gestellten Aufbau emittiert die Kathode C den Emissi onsstrom IE bzw. den Elektronenstrahl EB, das Gitter G1 fokussiert das invertierte Bild des Elektronenstrahls EB und die Anode A sammelt den beschleunigten Elektronen strahl EB. Ferner ist das zweite Gitter G2 gemäß der vor liegenden Erfindung, das die Apertur AP aufweist, zwi schen dem ersten Gitter G1 und der Anode A angeordnet.

Weiterhin hat die erste Maske 11, genau wie der Aufbau in Fig. 7, eine rechteckige Apertur AP oder einen Spalt und ist der Anode A nachgeschaltet. Die Linseneinheit 12 um faßt die Blockmaske, in welche die Apertur gemäß des zu zeichnenden Musters eingearbeitet ist, die Elektronenlin se zur Sammlung des Elektronenstrahls, die Ablenkvorrich tung zur Ablenkung des Elektronenstrahls und die Spule zur Korrektur des Elektronenstrahls. Darüber hinaus hat die zweite Maske 13 eine runde Apertur RAP und ist der Linseneinheit 12 nachgeschaltet.

Zunächst werden die strukturellen Merkmale der vorliegen den Erfindung durch die folgenden vier Punkte illu striert.

1. Das zweite Gitter G2 ist zwischen dem ersten Gitter G1 und der Anode A angeordnet und weist eine Apertur AP zur Begrenzung der Menge des passierenden Elektronenstrahls auf.
2. Das zweite Gitter G2 ist, ebenso wie die Kathode C und das erste Gitter G1, auf der Hochspannungsseite des Hoch spannungsisolators (s. Bezugszeichen 1 in Fig. 1) ange ordnet. Das bedeutet, daß gemäß der vorliegenden Erfin dung die Kathode, das erste Gitter und das zweite Gitter auf der Hochspannungsseite des Hochspannungsisolators an geordnet sind.
3. Wenn eine negative Hochbeschleunigungsspannung VC an die Kathode C angelegt wird, versorgt eine Spannung VG2 (< VC), die als Durchlaßvorspannung für die Spannung VC eingestellt ist, das zweite Gitter G2.
4. Das invertierte Bild XO wird auf die Apertur AP des zweiten Gitters G2 fokussiert (vgl. Fig. 2).

In dieser Ausführungsform ist der Durchmesser der Spitze der Kathode C auf beispielsweise einige zehn µm gesetzt und der Durchmesser der Apertur AP des zweiten Gitters G2 auf beispielsweise 60 µm.

Das zweite strukturelle Merkmal der vorliegenden Erfin dung besteht in einer elektromagnetischen Ablenkvorrich tung 3 (vgl. Fig. 1, welche eine Querschnittsansicht ei ner ringförmigen Ablenkvorrichtung darstellt), um den von der Kathode C emittierten Elektronenstrahl in Rich tung der Apertur AP des zweiten Gitters G2 abzulenken. Die elektromagnetische Ablenkvorrichtung 3 ist an einer Stelle angeordnet, die durch den Hochspannungsisolator 1 von der Kathode C, dem ersten Gitter G1 und dem zweiten Gitter G2 isoliert ist. Die Ablenkvorrichtung 3 ist fer ner an einer der Kathode C ähnlichen Position zur Führung des Elektronenstrahls angeordnet.

Wie oben erwähnt, ist in Fig. 1 die Heizvorrichtung 2 zur Heizung der Kathode C vorgesehen. In Fig. 2 kenn zeichnet das Bezugszeichen IB den durch die Apertur AP des zweiten Gitters G2 fließenden Strom. In diesem Fall versorgt die Spannung VG1 (< VC), die als Sperrvorspan nung für die Spannung VC eingestellt ist, das erste Git ter. Die Anode A ist mit der Erde verbunden, die gleich zeitig die Niederspannungsseite des Hochspannungsisola tors 1 ist.

Im obigen Aufbau der vorliegenden Erfindung erzeugt der von der Kathode C der vierpoligen Elektronenkanone emit tierte Emissionsstrom IE das invertierte Abbild XO in der Apertur AP des zweiten Gitters G2 basierend auf dem elek tromagnetischen Feld, das durch die Versorgungsspannung VG1 des ersten Gitters G1 und der Versorgungsspannung VG2 des zweiten Gitters G2 bestimmt wird. Da der Durchmesser der Apertur AP 60 µm beträgt, also relativ gering ist, wird bei Gauß'scher Verteilung des durchstrahlenden Elek tronenstrahls gleichzeitig der Randanteil (d. h. der Randanteil der Gauß'schen Verteilung) des durchstrahlen den Elektronenstrahls abgeschnitten.

Der die Apertur AP des zweiten Gitters G2 passierende Elektronenstrahl wird in Richtung der Anode A beschleu nigt und auf die erste Maske 11, welche die rechteckige Apertur AP aufweist, gestrahlt, nachdem die Apertur AP der Anode A passiert wurde. Dann wird der die rechteckige Apertur AP der ersten Maske 11 passierende Elektronen strahl zur Linseneinheit 12 gestrahlt. In der Linsenein heit 12 wird, wie in Fig. 7 dargestellt, der Elektronen strahl durch die Linse gesammelt, durch den Ablenker ab gelenkt und durch die Spule korrigiert.

Nach Passieren der Linseneinheit 12 wird der Elektronen strahl EB auf die zweite Maske 13 mit der runden Apertur RAP gestrahlt. Nach Passieren der runden Apertur RAP wird der Elektronenstrahl EB auf die gewünschte Stelle auf den Wafer gerichtet, nachdem er durch die Haupt- und Neben ablenkvorrichtungen abgelenkt wurde.

Gemäß dieser Ausführungsform ist es im Vergleich zu der herkömmlichen dreipoligen Elektronenkanone möglich, selbst wenn der Emissionsstrom IE groß wird, die Menge des die erste Maske 11 zu bestrahlenden Elektronenstrahls zu unterdrücken, da unnötiger Randanteil des die Gauß'sche Verteilung aufweisenden Elektronenstrahls durch die Funktion des zweiten Gitters G2 abgeschnitten wird. Das bedeutet, daß es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, die thermische Energie, die auf die die rechteckige Apertur AP der Maske 11 umgebende Fläche (diese wird als "strahlabschneidender Bereich" bezeich net) trifft, zu reduzieren. Folglich ist es möglich, den Schaden am strahlabschneidenden Bereich zu eliminieren und das konventionelle Problem zu lösen, nämlich Schmel zen der umgebenden Fläche.

Da der von der Kathode C emittierte Emissionsstrom IE auf einen großen Wert eingestellt werden kann, resultiert weiterhin ein Vorteil, indem es möglich ist, die Gleich förmigkeit des die erste Maske 11 mit der rechteckigen Apertur bestrahlenden Elektronenstrahls zu verbessern.

Wenn das invertierte Abbild auf die zweite Maske 13 mit der runden Apertur RAP projiziert wird, weist der das in vertierte Abbild erzeugende Elektronenstrahl, der durch die Gauß'sche Verteilung dargestellt ist, keinen Randan teil auf, wie anhand des Graphen neben der zweiten Maske 13 in Fig. 2 gezeigt wird. Obwohl hier ein Anteil des Elektronenstrahls durch die die runde Apertur RAP umge bende Fläche (d. h. durch die schraffierte Fläche LB) ab geschnitten wird, ist es tatsächlich möglich, den unnöti gen, an der zweiten Maske 13 abgeschnitten Strahl LB zu eliminieren, da der Strahldurchmesser basierend auf der Größe der Apertur AP des zweiten Gitters G2 eingestellt werden kann.

Wie beim herkömmlichen Problem bereits erläutert wurde, ist in der Praxis die mechanische Montage der Apertur AP des zweiten Gitters G2 mit einem Durchmesser von 60 µm und das Ausrichten auf die Kathodenspitze von einigen zehn µm mit hoher Präzision sehr schwierig, wenn die ein zelnen Elektroden in der Elektronenkanone montiert wer den.

Da auf der anderen Seite in der vorliegenden Erfindung die elektromagnetische Ablenkvorrichtung vorgesehen ist, ist die Ablenkung des von der Kathode C in Richtung der Apertur AP des zweiten Gitters emittierten Elektronen strahls möglich, indem das elektromagnetische Feld ju stiert wird. Infolge dessen wird die Korrektur des mecha nischen Fehlers (z. B. der Ausrichtungsfehler) möglich.

Die Fig. 3A bis 3C zeigen Ansichten zur Erläuterung der elektrischen und physikalischen Merkmale der vierpo ligen Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Graph in Fig. 3A zeigt den Fall, bei dem die Versor gungsspannung VG1 des ersten Gitters G1 als negative kon stante Spannung (nämlich VG1 = -500 V) geregelt wird und die Versorgungsspannung VG2 des zweiten Gitters G2 vari iert wird. Der die Apertur AP des zweiten Gitters G2 pas sierende Strom IB und der von der Kathode C emittierte Emissionsstrom IE werden in Übereinstimmung mit der Ände rung der zweiten Spannung VG2 variiert. Der in Fig. 3B gezeigte Graph stellt den Fall dar, in dem die Versor gungsspannung VG1 konstant ist. Die Änderung des Verhält nisses von IB und IE (d. h. IB/IE) in Abhängigkeit von der variierten Versorgungsspannung VG2 ist als Ordinate des Graphen dargestellt. In Fig. 3C entsprechen R1, R2 und R3 den Bereichen der Versorgungsspannung VG2 in Fig. 3B. Wenn die Versorgungsspannung VG2 geändert wird, ändert sich auch, wie in Fig. 3C dargestellt ist, die Gestalt des von der Kathode C emittierten Elektronenstrahls im zweiten Gitter G2.

Wie in Fig. 3A gezeigt ist, nimmt der Emissionsstrom IE proportional zur Versorgungsspannung VG2 des zweiten Git ters zu. Auf der anderen Seite weist der Strom IB, der die Apertur AP des zweiten Gitters passiert, einen Ex tremwert auf. Das beruht darauf, daß mehrere Bedingungen, die das invertierte Bild bestimmen, in Abhängigkeit von der Größe der Versorgungsspannung VG2 geändert werden.

Wenn, wie in Fig. 3C gezeigt wird, das invertierte Bild P am Ort der Apertur AP des zweiten Gitters G2 erzeugt wird (vgl. den als durchgezogene Linie dargestellten Elektronenstrahl), wird gemäß des Bereichs R2 in Fig. 3B das Verhältnis IB/IE maximal. Dementsprechend deckt der Bereich R2 in Fig. 3B die besten Bedingungen ab, um den gleichförmigsten Elektronenstrahl auszustrahlen. Dies ist die grundlegende Einstellungsbedingung der vierpoligen Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Elek tronenstrahl-Belichtungsvorrichtung unter Verwendung der vierpoligen Elektronenkanone gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine -50 KV Hochspannungsein heit wird zur Erzeugung einer negativen Hochspannung ein gesetzt, d. h. -50 KV, um den Elektronenstrahl zu be schleunigen. Diese Einheit enthält einen -2 kV Spannungs verstärker, einen +2 kV Spannungsverstärker und einen Heizspannungsgleichrichter. Der +2 kV Spannungsverstärker und Heizspannungsgleichrichter sind in der folgenden Fig. 5 detailliert als Elektrodenspannungskontrolleinheit dargestellt. Ferner ist ein -50 kV Spannungsverstärker für die Verstärkung der Spannung vorgesehen. Eine Strom quelle ist für die -50 kV Hochspannungseinheit und den -50 kV Spannungsverstärker eingerichtet.

Fig. 5 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Elek trodenspannungskontrolleinheit in der in Fig. 4 darge stellten vierpoligen Elektronenkanone. Der +2 kV Span nungsverstärker 20 ist für die Versorgung des zweiten Gi tetrs G2 mit der Versorgungsspannung VG2 (= -48 kV) vor gesehen und der Heizspannungsgleichrichter 30 ist für die Versorgung der Kathode C mit der Versorgungsspannung VC (= -50 kV) vorgesehen. Der Spannungsverstärker 20 und der Heizspannungsgleichrichter 30 sind mit einer Differenz- Detektionsschaltung 40 verbunden. Darüber hinaus sind der Spannungsverstärker 20 und der Heizspannungsgleichrichter 30 auch mit einem anderen Verstärker zur Erzeugung der negativen Hochbeschleunigungsspannung VC (= -50 kV), die an der Kathode C angelegt wird, verbunden.

Der Spannungsverstärker 20 umfaßt eine +2 kV Erzeugungs schaltung 21 zur Addition von +2 kV zu -50 kV und zur Er zeugung der Versorgungsspannung VG2 (= -48 kV), eine - Detektionsschaltung 22 zur Messung des Stroms IG2 des zweiten Gitters G2 und eine VG2-Kontrollschaltung 23 zur Regelung der Versorgungsspannung auf der Basis eines Out puts der Differenz-Detektionsschaltung 40.

Auf der anderen Seite umfaßt der Heizspannungsgleichrich ter 30 eine Gleichrichterschaltung 31 zur Gleichrichtung der AC-Spannung (-50 kV) und zur Versorgung der Kathode C mit der gleichgerichteten Spannung und enthält eine Strom-Detektionsschaltung 32 zur Ermittlung des Emissi onsstromes IE der Kathode C.

Die Differenz-Detektionsschaltung 40 berechnet ferner die Differenz zwischen dem durch die Strom-Detektionsschal tung 32 gemessenen Strom IE und dem Strom IG2, welcher durch die Strom-Detektionsschaltung 22 gemessen wurde. Diese Differenz ist Output für die VG2-Kontrollschaltung 23.

Wie aus obigem Aufbau hervorgeht, wird der die Apertur AP des zweiten Gitters G2 passierende Strom durch die Diffe renz zwischen dem von der Kathode C emittierte Emissi onsstrom IE und und dem Strom IG2 des zweiten Gitters G2 bestimmt (d. h. IB = IE - IG2). In dieser Ausführungsform detektiert die Differenz-Detektionsschaltung 40 den Strom IB und regelt die Versorgungsspannung VG2 des zweiten Gitters G2 mittels der auf dem Detektionsergebnis von Schaltung 40 beruhenden VG2-Kontrollschaltung 23 derart, daß der Strom IB sich nicht verändert (d. h. konstant bleibt).

Obwohl in diesem Fall der Strom IB so geregelt wird, daß er konstant bleibt, ist die Erfindung nicht auf den Strom IB als zu regelnde Größe limitiert. Beispielsweise kann der Emissionsstrom IE der Kathode C so geregelt werden, daß er konstant bleibt, und auch der Strom IG2 des zwei ten Gitters G2 kann so geregelt werden, daß er konstant bleibt.

Obwohl ferner in dem Aufbau gemäß Fig. 5 das Ausgabesi gnal der Differenz-Detektionsschaltung 40 Eingangssignal für die VG2-Kontrollschaltung 23 im Spannungsverstärker 23 ist, ist die Erfindung nicht auf diesen Aufbau be schränkt. Zum Beispiel kann das Ausgabesignal der Diffe renz-Detektionsschaltung 40 Eingangssignal des Spannungs verstärkers für das erste Gitter G1 sein und die Versor gungsspannung VG1 für das erste Gitter G1 so geregelt werden, daß sie konstant bleibt.

Wie bereits oben erläutert, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, den Schaden an dem Teil der Apertur zu minimieren, der das Muster auf der Maske bildet, und an der Fläche, welche die rechteckige Apertur umgibt, so daß es einfach möglich ist, die konventionellen Probleme, wie beispielsweise Schmelzen der umgebenden Fläche, zu lösen.

Bezugszeichenliste

1

Hochspannungsisolator

2

Heizvorrichtung

3

elektromagnetische Ablenkvorrichtung

11

erste Maske

12

Linseneinheit

13

zweite Maske

20

Spannungsverstärker (voltage booster)

21

Erzeugungsschaltung (generating circuit)

22

Strom-Detektionsschaltung

23

Kontrollschaltung

30

Heizspannungsgleichrichter (filament rectifier)

31

Gleichrichterschaltung

32

Strom-Detektionsschaltung

40

Differenz-Detektionsschaltung
AAnode
APApertur
CKathode
EBElektronenstrahl
G1erstes Gitter
G2zweites Gitter
IBdurch die Apertur AP des zweiten Gitters G2 fließen der Strom
IEvon der Kathode emittierter Strom
IG2Eingangsstrom des zweiten Gitters
LBan Maske abgeschnittener Strahlanteil
LB'an Maske abgeschnittener Strahlanteil
RAPrunde Apertur
VG1Versorgungsspannung des ersten Gitters
VG2Versorgungsspannung des zweiten Gitters
XOinvertiertes Bild (crossover image)
XO'invertiertes Bild (crossover image)

Claims

1. Elektronenkanone zur Verwendung in einer Elektronen strahl-Belichtungsvorrichtung, enthaltend
eine Kathode zur Emission eines Elektronenstrahls beim Anlegen einer negativen Hochbeschleunigungsspan nung;
ein erstes, der Kathode nachgeschaltetes Gitter zur Fokussierung eines invertierten Bildes (crossover Image) des Elektronenstrahls beim Anlegen einer Span nung, die eine Sperrvorspannung für die Kathode wird, wobei die Kathode und das erste Gitter auf der Hoch spannungsseite eines Hochspannungsisolators angeord net sind;
eine Anode zur Sammlung des das erste Gitter passie renden Elektronenstrahls, wobei die Anode auf der Niederspannungsseite des Hochspannungsisolators ange ordnet ist;
ein zweites Gitter, das auf der Hochspannungsseite des Hochspannungsisolators und zwischen dem ersten Gitter und der Anode angeordnet ist und mit einer Apertur zur Limitierung der Menge des hierdurch pas sierenden Elektronenstrahls versehen ist;
wobei eine Spannung, die eine Durchlaßvorspannung für die Kathode wird, am zweiten Gitter angelegt wird und das invertierte Bild auf die Apertur des zweiten Git ters fokussiert wird.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine elektromagnetische Ablenkvorrichtung zur Ablen kung des von der Kathode emittierten Elektronen strahls in Richtung der Apertur des zweiten Gitters, wobei die elektromagnetische Ablenkvorrichtung an ei nem mittels des Hochspannungsisolators von der Katho de und dem ersten und zweiten Gitter isolierten Ort angeordnet ist, und an der Stelle angeordnet ist, die ungefähr dem Ort der Kathode für die bestrahlte Rich tung des Elektronenstrahls entspricht.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend eine Differenz-Detektionsschaltung zur Be rechnung eines die Apertur des zweiten Gitters pas sierenden Stroms (IB), der auf der Differenz zwischen einem von der Kathode emittierten Emissionsstrom (IE) und dem Eingangsstrom (IG2) des zweiten Gitters ba siert, und zur Regelung mindestens einer der Versor gungsspannungen (VG1, VG2) des ersten und des zweiten Gitters (G1, G2), während der berechnete Strom (IB) konstant gehalten wird.

4. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, wobei minde stens eine der Versorgungsspannungen (VG1, VG2) des ersten und zweiten Gitters (G1, G2) geregelt wird, während der Emissionsstrom (IE) der Kathode konstant gehalten wird.

5. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, wobei minde stens eine der Versorgungsspannungen (VG1, VG2) des ersten und zweiten Gitters (G1, G2) geregelt wird, während der Eingangsstrom (IG2) des zweiten Gitters konstant gehalten wird.

6. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Versorgungsspannungen (VG1, VG2) des ersten und zweiten Gitters (G1, G2) bestimmt wird, wenn das Ver hältnis (IB/IE) des die Apertur des zweiten Gitters passierenden Stroms (IB) und des durch die Kathode emittierten Emissionstroms (IE) ein Maximum wird.

7. Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei die Elektro nenkanone als vierpolige Elektronenkanone ausgestal tet ist.