DE19927036C2

DE19927036C2 - Elektronenkanone für eine Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19927036C2
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: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2019-06-05
Also published as: JP2000011932A; GB9913068D0; US6252344B1; JP4052731B2; TW429458B; GB2338589A; KR20000005866A; DE19927036A1; GB2338589B; KR100313845B1

Description

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 das Zeichnen von vorbestimmten Mustern auf einem in einer Elektronenstrahl-Belichtungs vorrichtung exponierten Material (insbesondere einem Wa fer) bestimmt ist.

Es sind viele herkömmliche Elektronenstrahl-Belichtungs vorrichtungen bekannt, beispielsweise eine variable rechteckige Belichtungsapparatur, eine Blockbelichtungs apparatur und eine Tastaperturmatrix-Belichtungsapparatur (BAA = blanking aperture array). Diese Belichtungsvor richtungen 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 angeordnete Vielzahl von Apertu ren. 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 bei einer zu zeichnenden Linie von 0,1 µm beträgt, darf die Gleichförmigkeit des Strahls nur um wenige Prozent fluktuieren. Im Ergebnis wird eine einför mig erscheinende Durchstrahlungsfläche enger und die Be lichtungsfläche wird reduziert, so daß sich die Leis tungsfähigkeit der Elektronenstrahl-Belichtungs vorrichtung verschlechtert.

Eine aus dem Stand der Technik allgemein bekannte Elektronenkanone und die mit deren Anwendung verbundenen Probleme werden anschließend anhand der Fig. 6 und 7 der beigefügten Zeichnung im Detail erläutert: In der Zeichnung zeigen:

Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht einer allgemein bekannten dreipoligen Elektronenkanone nach dem Stand der Technik; und

Fig. 7 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Elektronen strahls und der Strahlungsintensität in einer Elektronen strahl-Belichtungsvorrichtung mit der in Fig. 6 dargestellten dreipoligen Elektronenkanone.

Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht einer dreipoligen Elektronenkanone nach dem Stand der Technik. In der Figur ist Bezugszeichen 1 ein Hochspannungsisola tor, 2 eine Heizvorrichtung, C eine Kathode, G1 ein Git ter und A eine Anode mit einer Apertur AP. Der Hochspan nungsisolator 1 ist für die Isolierung der einzelnen E lektroden vorgesehen und die Heizvorrichtung 2 ist für die Beheizung der Kathode C vorgesehen. Die herkömmliche dreipolige Elektronenkanone wird aus der Kathode C, dem Gitter G1 und der Anode A gebildet. Detaillierte Erklä rungen werden in der folgenden Fig. 7 gegeben.

Fig. 7 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Elektronen strahls und der Strahlungsintensität in einer Elektronen strahl-Belichtungsvorrichtung mit der in Fig. 6 darge stellten 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 Emissionsstromes IE, d. h. eines Elek tronenstrahls EB) vorgesehen, indem eine Beschleunigungs hochspannung angelegt wird.

Das Gitter G1 ist für die Fokussierung eines Überkreu zungspunktes 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 Hoch spannungsisolators 1 angeordnet und die Anode A auf der Niederspannungsseite des Hochspannungsisolators 1. (Im allgemeinen ist die Anode A geerdet, wie in Fig. 1 darge stellt 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 (Lenken, Führen) des E lektronenstrahls und eine Spule (nicht abgebildet) zur Korrektur des Elektronenstrahls enthält. Bezugszeichen 13 ist eine zweite, der Linseneinheit 12 nachfolgend ange ordnete 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 Überkreuzungsbild XO' und passiert die Apertur AP der Anode. Weiterhin wird der Elektronenstrahl 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 umge bende Fläche der rechteckigen Apertur AP (vgl. die schraffierte Fläche) abgeschnitten und der verbleibende Elektronenstrahl EB passiert die rechteckige Apertur AP. Der durch die rechteckige Apertur AP hindurchgehende E lektronenstrahl EB wird durch die Linseneinheit 12, wel che 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 die runde Aper tur RAP passierende 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 das Schmelzen der die rechteckige Apertur AP der ersten Maske 11 umgebenden Fläche, das Auftreten von Sprüngen auf der die rechteckige Apertur AP umgebenden Fläche und das Absplittern einer metallischen Schutzschicht. Weiter hin 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 ab schneidenden Bereich), die gleichen, oben genannten Prob leme auf, nämlich Beschädigung des den Strahl abschnei denden 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, das in einem beträchtlichen Verlust des Elektro nenstrahls 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 E nergie, die auf den strahlbegrenzenden Bereich der Block maske einwirkt, mit ansteigendem Emissionsstrom IE zu nimmt, treten Probleme auf, wie Beschädigung des strahl abschneidenden Bereichs und Schmelzen dieses Bereichs, so daß die Realisierung eines gleichförmig auf den Wafer strahlenden Elektronenstrahls sehr schwierig ist.

Darüber hinaus erhöht sich in einer typischen dreipoligen Elektronenkanone die Temperatur des Werkstückes, das für die Kathode verwendet wird und aus einem LaB₆-Einkristall hergestellt wird, auf nahezu 1500°, wenn es durch die Heizvorrichtung aufgeheizt wird. Dementsprechend muß ein Material für die Befestigung der geheizten Kathode gegen hohe Temperaturen beständig und thermisch isoliert sein und muß notwendigerweise von dem umgebenden Areal elekt risch isoliert sein, um den Heizstrom aufrechtzuerhalten. Folglich muß eine verbesserte Anordnung bei der Montage der Heizvorrichtung und der Kathode erwogen werden. Auch ist die präzise Bestimmung der Spitze des Kristalls (d. h. des Bereichs, der den Strahl emittiert) 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 Kris talls 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 Kristallspitze und der Apertur des Wehnelt-Gitters geht hervor, daß in einem Positionierungsprozeß sehr kleine Flächen lokalisiert werden müssen. Wenn daher auch nur geringste Abweichungen im Positionierungsprozeß auftre ten, haben diese Abweichungen großen Einfluß auf den e mittierten Elektronenstrahl. In solchen Situationen exis tieren mehrere essentielle Bedingungen im von der dreipo ligen Elektronenkanone emittierten Elektronenstrahl, de ren gleichzeitige Erfüllung basierend auf den drei Para metern (1) bis (3) sehr schwierig ist. Die zu erfüllenden essentiellen 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 Überkreu zungspunktes 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 dem Stand der Technik muß jedes Bauteil mit sehr hoher Präzision gestaltet werden (etwa gemäß eines auf Berechnungen und Experimenten basierenden Idealzu standes). Die Versorgungsspannung der Gitterelektrode wird derart gesteuert, daß der Emissionsstrom IE einen vorbe stimmten Wert annimmt. Hierbei werden die Bedingungen der oben genannten Punkte (2) und (3) in Übereinstimmung mit der Spannungsänderung des Gitters verändert.

Wenn nach dem Stand der Technik eine beliebige Bedingung der Punkte (1) bis (3) mit hoher Präzision erfüllt wird, weichen andere Bedingungen infolge verschiedener Diffe renzen aufgrund der Montagepräzision und der Herstel lungspräzision der Bauteile vom Idealzustand ab. Darüber hinaus besteht ein großes Problem in der zunehmenden Grö ße 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 abgeschnitte nen Elektronenstrahls zu groß wird, wird die zweite Maske 13 mit unnötiger Strahlung bestrahlt (vg. 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. Dementsprechend wird beispielsweise eine Strahlungsintensität von 60 A/cm^-1 benötigt, um eine Stromdichte von beispielsweise 30 A/cm^-1 auf dem Wafer zu erzielen. Daraus resultiert das oben erwähnte Problem, dass die umgebende Fläche aufgrund des starken Stromes schmilzt.

Anschließend 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.

Zum einen erhöht sich die Energiebelastung an der runden Apertur RAP, indem ein Teil des endgültig beschleunigten Elektronenstrahls durch die runde Apertur RAP abgeschnit ten wird. Daraus resultieren die Probleme des Schmelzens der die runde Apertur RAP umgebenden Fläche und des Auf tretens von Sprüngen ohne Schmelzen der umgebenden Flä che. Da außerdem der Überkreuzungspunkt, der knapp unter der Elektronenkanone entsteht, mittels der Linsen erneut fokussiert werden muss, ist es notwendig, eine Elektro nenkanone mit relativ großen Abmessungen zu gestalten.

Da weiterhin der Lichtweg des Elektronenstrahls lang wird, so dass der Überkreuzungspunkt 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.

In der US 45 28 474 wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls von einer thermoionischen Kathode beschrieben, der eine erste Gitterelektrode, eine zweite Gitterelektrode und eine Anodenelektrode nachgeschaltet sind. Die Vorrichtung ist so ausgebildet, dass ein hoher Elektronenstrahlstrom eine geringe Energieausbreitung bei hoher Helligkeit und gleichmäßiger Intensitätsverteilung zur Folge hat.

Bei der in der US 33 74 379 beschriebenen Elektronenkano ne sind der Kathode eine erste, eine zweite und eine dritte Gitterelektrode nachgeordnet, wobei sich der Über kreuzungspunkt des Elektronenstrahls in der Öffnung des zweiten Gitters befindet.

Ein aus der US 21 81 850 bekanntes Kathodenstrahlrohr weist nach der Kathode einen Kathodenschirm, einen Be schleuniger, eine Modulatorelektrode und eine Anode mit einer Öffnung auf, wobei der Elektrodenstrahl in der Mo dulatorelektrode fokussiert wird.

Die DE 12 38 587 C offenbart eine Anordnung zur Erzeugung eines Ladungsträgerstrahls, die eine Ladungsträgerquelle, eine Fokussierungselektrode und eine Beschleunigungs elektrode umfasst. Der zur Emission dienende Bereich der Ladungsträgerquelle liegt in einem von einer stromdurch flossenen Spule gebildeten veränderbaren Magnetfeld. Mit Hilfe des Magnetfeldes wird der Elektronenstrahl in einem in Strahlungsrichtung hinter der Anode liegenden Über kreuzungspunkt gesammelt, um einen für die Materialbear beitung vorteilhaften Strahl mit kleiner Apparatur zur Verfügung zu stellen.

Die JP 09-260 237 A beschreibt eine Elektronenkanone, die eine Kathode, eine Steuerelektrode, eine Auslaufelektro de, eine Linsenelektrode und eine Anode aufweist. Durch bestimmte Potentiale der Elektroden kann unter anderen auch die Position des Überkreuzungspunktes eingestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung ei ner verbesserten Elektronenkanone für eine Elektronen strahl-Belichtungsvorrichtung, die leistungsfähig ist und eine lange Lebensdauer aufweist sowie die Lösung der Probleme des Schmelzens der Aperturen und der diese umgebenden Flächen, insbesondere der Beschädigung an der rechteckigen Apertur und der die se umgebenden Fläche.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 ausgebildeten Elektro nenkanone gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Wei terbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Elektronenkanone wird der Über kreuzungspunkt auf die Apertur des zweiten Gitters fokus siert (d. h., die Apertur des zweiten Gitters wird nach dem Überkreuzungspunkt ausgerichtet). Selbst wenn der E missionsstrom, d. h. der von der Kathode emittierte Elekt ronenstrahl, groß wird, wird ein unnötiger Randanteil des eine Gauß'sche Verteilungschrakteristik aufweisenden E lektronenstrahls abgeschnitten, so dass es möglich ist, die Größe 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 elektromag netische Ablenkvorrichtung an einer Stelle anzubringen, die von der Kathode und dem ersten und zweiten Gitter mittels eines Hochspannungsisolators isoliert ist, und die etwa dem Ort der Kathode für die Strahlungsrichtung 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.

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung näher erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer vierpoligen Elektronenkanone;

Fig. 2 eine Ansicht zur Erläuterung des Elektronen strahls und der Strahlungsintensität in einer Elekt ronenstrahl-Belichtungsvorrichtung unter Verwendung der in Fig. 1 abgebildeten vierpoligen Elektronenka none;

Fig. 3A bis 3C Ansichten zur Erläuterung der elekt rischen und physikalischen Merkmale der vierpoligen Elektronenkanone;

Fig. 4 ein schematisches Elektroblockdiagramm einer Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung unter Ver wendung der vierpoligen Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm einer E lektrodenspannungs-Steuerungseinheit in der in Fig. 4 dargestellten vierpoligen Elektronenkanone;

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 darge stellten Aufbau emittiert die Kathode C den Emissions strom IE bzw. den Elektronenstrahl EB, das Gitter G1 fo kussiert 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 illust riert.

1. Das zweite Gitter G2 ist zwischen dem ersten Gitter G1 und der Anode A angeordnet und weist eine Apertur AP zur Begrenzung 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 Beschleunigungshochspannung 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. Der Überkreuzungspunkt XO wird in der 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 kennzeichnet das Bezugszeichen IB den durch die Apertur AP des zweiten Gitters G2 fließenden Strom. In diesem Fall versorgt die Spannung VG1 (< VC), die als Sperrvorspannung für die Spannung VC eingestellt ist, das erste Gitter. Die Anode A ist mit der Erde verbunden, die gleichzeitig die Nie derspannungsseite des Hochspannungsisolators 1 ist.

Im obigen Aufbau der vorliegenden Erfindung erzeugt der von der Kathode C der vierpoligen Elektronenkanone emit tierte Emissionsstrom IE den Überkreuzungspunkt XO in der Apertur AP des zweiten Gitters G2, basierend auf dem e lektrischen Feld, das durch die Versorgungsspan nung VG1 des ersten Gitters G1 und die Versorgungsspan nung 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 durch strahlenden Elektronenstrahls gleichzeitig der Randanteil (d. h. der Randanteil der Gauß'schen Verteilung) des durchstrahlenden Elektronenstrahls abgeschnitten.

Der die Apertur AP des zweiten Gitters G2 passierende E lektronenstrahl wird in Richtung der Anode A beschleunigt und auf die erste Maske 11, welche die rechteckige Aper tur AP aufweist, gestrahlt, nachdem die Apertur AP der Anode A passiert wurde. Dann wird der die rechteckige A pertur 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, mit der Ablenkvorrich tung abgelenkt 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 Nebenab lenkvorrichtungen 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 bestrahlenden Elektronenstrahls zu reduzieren, da ein 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 das Schmelzen der umgebenden Fläche.

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

Wenn der Überkreuzungspunkt auf die zweite Maske 13 mit der runden Apertur RAP projiziert wird, weist der den Ü berkreuzungspunkt erzeugende Elektronenstrahl, der durch die Gauß'sche Verteilung dargestellt ist, keinen Randan teil auf, wie anhand der Graphik 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 bei der Darstellung der bekannten Probleme bereits erläutert wurde, ist in der Praxis die mechanische Monta ge der Apertur AP des zweiten Gitters G2 mit einem Durch messer von 60 µm und das Ausrichten auf die Kathodenspit ze von einigen zehn µm mit hoher Präzision sehr schwie rig, wenn die einzelnen Elektroden in der Elektronenkano ne montiert werden.

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 einge stellt 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. Die graphische Darstellung in Fig. 3A zeigt den Fall, bei dem die Versorgungsspannung VG1 des ersten Gitters G1 als negative konstante Spannung (nämlich VG1 = -500 V) gere gelt wird und die Versorgungsspannung VG2 des zweiten Gitters G2 variiert wird. Der die Apertur AP des zweiten Gitters G2 passierende Strom IB und der von der Kathode C emittierte Emissionsstrom IE werden in Übereinstimmung mit der Änderung der zweiten Spannung VG2 variiert. Die in Fig. 3B gezeigte Darstellung stellt den Fall dar, in dem die Versorgungsspannung VG1 konstant ist. Die Ände rung des Verhältnisses von IB und IE (d. h. IB/IE) in Ab hängigkeit von der variierten Versorgungsspannung VG2 ist als Ordinate dargestellt. In Fig. 3C entsprechen R1, R2 und R3 den Bereichen der Versorgungsspannung VG2 in Fig. 3B. Wenn die Versorgungsspannung VG2 geändert wird, än dert sich auch, wie in Fig. 3C dargestellt ist, die Ges talt 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 Bedingun gen, die das invertierte Bild bestimmen, in Abhängigkeit von der Größe der Versorgungsspannung VG2 geändert wer den.

Wenn, wie in Fig. 3C gezeigt wird, der Überkreuzungspunkt P am Ort der Apertur AP des zweiten Gitters G2 erzeugt wird (vgl. den als durchgezogene Linie dargestellten E lektronenstrahl), 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 Elektro nenstrahl-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 Elektrodenspannungsregeleinheit darge stellt. Ferner ist ein -50 kV Spannungsverstärker für die Verstärkung der Spannung vorgesehen. Eine Stromquelle ist für die -50 kV Hochspannungseinheit und den -50 kV Span nungsverstärker eingerichtet.

Fig. 5 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Elektro denspannungsregeleinheit in der in Fig. 4 dargestellten vierpoligen Elektronenkanone. Der +2 kV Spannungsverstär ker 20 ist für die Versorgung des zweiten Gitters G2 mit der Versorgungsspannung VG2 (= -48 kV) vorgesehen und der Heizspannungsgleichrichter 30 ist für die Versorgung der Kathode C mit der Versorgungsspannung VC (= -50 kV) vor gesehen. Der Spannungsverstärker 20 und der Heizspan nungsgleichrichter 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 Beschleunigungs-Hochspannung 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-Regelungsschaltung 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-Regelungsschaltung 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 Emissions strom IE und und dem Strom IG2 des zweiten Gitters G2 be stimmt (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 Ausgabesig nal der Differenz-Detektionsschaltung 40 Eingangssignal für die VG2-Regelungsschaltung 23 im Spannungsverstärker 20 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 bekannten Probleme, wie beispielsweise das 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

22

Strom-Detektionsschaltung

23

Regelungsschaltung

30

Heizspannungsgleichrichter (filament rectifier)

31

Gleichrichterschaltung

32

Strom-Detektionsschaltung

40

Differenz-Detektionsschaltung
A Anode
AP Apertur
C Kathode
EB Elektronenstrahl
G1 erstes Gitter
G2 zweites Gitter
IB durch die Apertur AP des zweiten Gitters G

2

fließen der Strom
IE von der Kathode emittierter Strom
IG2 Eingangsstrom des zweiten Gitters
LB an Maske abgeschnittener Strahlanteil
LB' an Maske abgeschnittener Strahlanteil
RAP runde Apertur
VG1 Versorgungsspannung des ersten Gitters
VG2 Versorgungsspannung des zweiten Gitters
XO Überkreuzungspunkt
XO' Überkreuzungspunkt

Claims

1. Elektronenkanone für eine Elektronenstrahl- Belichtungsvorrichtung, umfassend:
eine Kathode (C) zur Emission eines Elektronen strahls beim Anlegen einer negativen Beschleunigungs- Hochspannung;
ein erstes, der Kathode (C) nachgeschaltetes Gitter (G1) zur Fokussierung eines Überkreuzungspunktes des Elektronenstrahls (crossover Image) beim Anlegen ei ner Spannung (VG1), die eine Sperrvorspannung für die Kathode (C) wird, wobei die Kathode (C) und das erste Gitter (G1) auf der Hochspannungsseite eines Hoch spannungsisolators angeordnet sind;
eine Anode (A) zum Sammeln des das erste Gitter (G1) passierenden Elektronenstrahls, wobei die Anode auf der Niederspannungsseite des Hochspannungsisola tors angeordnet ist;
ein zweites Gitter (G2), das auf der Hochspannungs seite des Hochspannungsisolators und zwischen dem ersten Gitter (G1) und der Anode (A) angeordnet ist und mit einer Apertur zur Limitierung des diese passierenden Elektronenstrahls versehen ist;
wobei eine Spannung (VG2), die eine Durchlaßvorspan nung für die Kathode wird, am zweiten Gitter (G2) an gelegt wird und der Überkreuzungspunkt des Elektro nenstrahls auf die Apertur des zweiten Gitters (G2) dadurch fokussiert wird, dass
mindestens eine der Versorgungsspannungen (VG1, VG2) des ersten und zweiten Gitters (G1, G2) geregelt wird, während der Emissionsstrom (IE) von der Kathode (C) oder der Eingangsstrom (IG2) in das zweite Gitter (G2) oder ein aus der Differenz zwischen Emissions strom (IE) und Eingangsstrom (IG2) berechneter, die Apertur des zweiten Gitters (G2) passierender Strom (IB) konstant gehalten wird.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Versorgungsspannungen (VG1, VG2) des ersten und zweiten Gitters (G1, G2) bestimmt wer den, wenn das Verhältnis des die Apertur des zweiten Gitters (G2) passierenden Stromes (IB) und des durch die Kathode (C) emittierten Emissionsstromes (IE) ein Maximum wird.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich net durch eine elektromagnetische Ablenkvorrichtung (3) zum Lenken des von der Kathode (C) emittierten Elektronenstrahls in Richtung der Apertur des zweiten Gitters (G2), wobei die Ablenkvorrichtung (3) mittels des Hochspannungsisolators von der Katho de (C) und dem ersten und zweiten Gitter (G1, G2) i soliert und bezogen auf die Elektronenstrahl richtung, etwa in Höhe der Kathode (C), angeordnet ist.

4. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als vierpolige Elektronenkanone.