JP2005038638A - 電子銃とそれを用いた電子ビーム照射装置 - Google Patents
電子銃とそれを用いた電子ビーム照射装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高輝度の電子銃と、それを搭載した高精度の電子ビーム照射装置を提供する。
【解決手段】電子銃１の電子銃レンズ６の光軸２を中心とした内径が、電子ビームの入口よりも出口の方を広く形成することにより、電子銃レンズ６の内径面を、制御する電子ビームのプロファイルに沿った形に形成し、電子銃レンズ６として強いパワーが要求される場合でも、電子ビームのクロスオーバー位置でのビーム収束性を高めて、電子銃レンズ６の収差を小さくする。
【選択図】 図２
【解決手段】電子銃１の電子銃レンズ６の光軸２を中心とした内径が、電子ビームの入口よりも出口の方を広く形成することにより、電子銃レンズ６の内径面を、制御する電子ビームのプロファイルに沿った形に形成し、電子銃レンズ６として強いパワーが要求される場合でも、電子ビームのクロスオーバー位置でのビーム収束性を高めて、電子銃レンズ６の収差を小さくする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子銃と、電子銃から放出された電子ビームを用いた電子ビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビームを照射して所望のパターンを描画するパターン描画装置は、光波長より短い波長で描画ができるので、原理的に高分解能での描画が可能であり、高い解像度でパターンを形成できる特徴がある。
【０００３】
一般に、電子ビーム描画装置ではビーム解像性向上のため、高加速に加速した電子ビームを使用する方式が取られている。一方、高加速の電子ビーム描画装置では、描画対象であるウエハ試料のレジストの下面に形成された各種多層薄膜の影響で、レジストを通過した一部のビームが多層膜で反射し、散乱ビームとなって再びレジスト上方に向かう現象や、描画する電子ビームパターンの粗密のばらつき状態により、描画解像性にボケや解像度の劣化を引き起こす近接効果が発生することがある。
【０００４】
それらの問題に対応するため、低加速電圧の電子ビームを用いた電子線描画方式等が提案されている。その装置では、静電レンズと偏向器を重畳させ、エレクトロードを分割した静電レンズ（アインツェルレンズ）で構成し、レンズ機能と偏向器機能を同時に作用させている（例えば、特許文献１を参照）。なお、この電子線描画装置は、回転対称の光学系で構成されているので、制御性も優れており、扱いも簡単である特徴も有している。
【０００５】
電子ビーム描画装置によるパターン描画装置では、解像性とスループットの観点から、電子ビームは高い電流密度で照射する必要がある。高輝度の電子銃を実現するためには、高精度のレンズによって電子ビームを結像する必要がある。
【０００６】
高輝度の電子銃の実現には、電子銃内の電子銃レンズ電極（以下単に「電子銃レンズ」と言う）の収差に大きく左右される。電子銃レンズの収差には、球面収差、色収差、機械公差による収差などがあるが、これらの収差を小さく最適化する必要がある。
【０００７】
電子ビーム描画装置等で使用される電子銃は、一般にＬａＢ６（六化ホウ素ランタン）を用いた電子銃が使用されているが、電界放出型電子銃（ＦＥＧ）、熱電界放出型電子銃（ＴＦＥＧ）では、エナジースプレドが小さいため色収差に優れている。しかし、電界放出型電子銃（ＦＥＧ）、熱電界放出型電子銃（ＴＦＥＧ）は、エミッタ（陰極）の先端は半径１μｍ程度の小さな形状のため、大電流を得ようとすると、大きな開き角の電子ビームを集める必要がある。そのため、球面収差で電子ビーム径が広がり、輝度が低下する問題がある。
【０００８】
それらの事情から、図１１に構造とそれに対応した磁界強度のグラフを示すような電子銃も提案されている。すなわち、電子銃６０は、光軸５９に沿ってエミッタ６１、サプレッサ６２、イクストラクタ６３、電子銃レンズ６４を配置し、内側磁極６５によって構成される磁極ユニット６６の磁極先端が絶縁物６７を介して形成されたイクストラクタ６３は電子銃レンズ６４に接続されている。これらに、制御電圧として、例えばサプレッサ６２にはエミッタ６１基準で−５００Ｖ、イクストラクタ６３には１〜５Ｋｖ、アノード６８には１〜３０ＫＶ、電子銃レンズ６４には１〜３０ＫＶなどの電圧が印加される。また、磁極ユニット６６と内側磁極６５は純鉄や透磁率の材料で作られている。このときの永久磁石によって生成される磁界分布を示している。この様に、磁場と電場レンズを重畳した形で使用されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００９】
これらの構成により、電子銃６０の電場による機能に、磁場の収束レンズを重畳させることで、強力な電子収束効果を発生して、広がるビームを押さえ込むことができる。つまり、電子銃６０はエミッタ（陰極）６１、サプレッサ６２、イクストラクタ６３、電子銃レンズ６４、およびアノード（陽極）６８で構成されており、かつ、イクストラクタ６３は、磁場電極を兼ねた構造になっている。また、磁界ポールピース内にはサマリュムコバルトなどの強磁性永久磁石を挟むように構成している。したがって、この構成をとることで、電子銃レンズ６４と磁界を使用した制御をおこなっている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１７３５２９号公報 （段落番号００７４〜００７６）
【００１１】
【特許文献２】
特開２０００−２８５８３９号公報 （図９）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の電子銃の構造では、サプレッサやエキストラクタの構造や材料が性能に直接的に影響することや、強磁性永久磁石を使用しているため制御が非常に難しい等の問題があり、実用化が難しい状態であった。
【００１３】
また、図１１に示したように、電子銃レンズの形状は、単純な形状のプレーンエレクトロードが使用さている。しかしながら、電子銃レンズとして強いパワーが要求される場合には、エレクトロードの強さを高める必要がある。そのためには、エレクトロードの幅を大きくする必要が出てくる。しかし、単純にエレクトロード幅を大きくすると、図１１のグラフ部で示した様に、電子ビームのブームプロファイルのエンベロープに対応できず、クロスオーバ位置でビームが分散する現象（球面収差が大きくなる）が発生してしまうという問題がある。
【００１４】
本発明は、これらの事情に基づいてなされたもので、電場重畳の構造を使用しないでも可能な高輝度の電子銃と、それを搭載した高精度の電子ビーム照射装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、真空容器と、この真空容器の内部に配置されて電子ビームを放出する陰極と、この陰極で放出された前記電子ビームを光軸方向に加速する陽極と、この陽極と前記陰極との間に配置されて前記陽極で加速された前記電子ビームを前記光軸上に収束させる電界を発生する電子銃レンズを具えた電子光学系とを有する電子銃において、
前記電子銃レンズの前記光軸を中心とした内径は、前記電子ビームの入口よりも出口の方が広く形成されていることを特徴とする電子銃である。
【００１６】
また本発明によれば、前記電子銃レンズの前記光軸を中心とした内径は、前記電子ビームの進行方向に従って段差またはテーパ部により形成されていることを特徴とする電子銃である。
【００１７】
また本発明によれば、前記電子銃レンズの前記光軸を中心とした内径は、前記電子ビームの進行方向に従って、前記入口側の平行部に連通したテーパ部または段差により前記出口側まで広げられて形成されていることを特徴とする電子銃である。
【００１８】
また本発明によれば、前記電子ビームを放出する陰極は、該電子ビームを放出する先端部が該電子ビームの光軸に対して垂直なフラット面に形成されていることを特徴とする電子銃である。
【００１９】
また本発明によれば、前記陰極の前記フラット面の面積は、前記電子ビームの所定のクロスオーバサイズに対応して設定されていることを特徴とする電子銃である。
【００２０】
また本発明によれば、前記電子銃レンズは、印加する電圧を制御することにより前記電子ビームのクロスオーバ位置を任意に変更できると共に、前記光軸に沿って設けられている照明系レンズとしても機能するように設定されていることを特徴とする電子銃である。
【００２１】
また本発明によれば、前記陽極の前記光軸上の前方の、前記陰極から放出された電子ビームのクロスオーバ位置の最も下流側に、前記電子ビームの余分なビームをカットするアパーチャを配置したことを特徴とする電子銃である。
【００２２】
また本発明によれば、電子銃から放出された電子ビームを電子光学系を介して少なくとも成形や偏向し、被処理体に対して該電子ビームを照射する電子ビーム照射装置において、
前記電子銃として、上記のいずれかのひとつに記載されたものを用いていることを特徴とする電子ビーム照射装置である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
まず、本発明の基本的な考え方について説明する。例えば、半導体装置の製造に用いられる電子ビーム描画装置等の電子ビーム照射装置では、微細パターンを得るために、小斜面での高輝度が要求される。そのためには、被処理体であるウエハを高い電流密度で照射する必要があるが、その際、電子銃に設けられている電子銃レンズの収差の影響を少なくするためには、照射角は小さいことが望ましい。
【００２５】
輝度は単位面積当たりの電子流密度（電流角密度）であるが、この輝度の値は電子銃１以後の電子光学系のレンズによって大きくすることはできないので、電子銃１が高い輝度を持つことが重要である。電子銃の輝度を低下させる大きな要因は、電子銃内の電子銃レンズの収差である。
【００２６】
電子銃レンズの収差は、大別すると、（イ）幾何収差（球面収差、軸非対称収差）、（ロ）回折収差、（ハ）色収差である。これら収差のうち微細加工になるに従って特に重要なのが、色収差（色収差はエネルギー幅に比例する）の低減である。
【００２７】
色収差は、電子銃の陽極の加速電圧と電子銃レンズのレンズ電流に変動が生じると発生し、それにより光軸からの距離に比例した倍率と回転角の変動が生じて像がぼけてしまう。従って、色収差を小さくするには、加速電圧電源と電子銃レンズの励磁電流電源は、いずれも高い安定度をもつ必要がある。
【００２８】
本発明では、電子銃の構造として、電子銃レンズの収差を小さくするために、電子銃レンズの内径面を、制御する電子ビームのビームプロファイルに沿った形に形成し、電子ビームのクロスオーバ位置でのビーム収束性を高めている。
【００２９】
また、エミッタ部に先端がフラットなチップを用いることによって、放出する電子ビームが大ビーム電流を発生しながら、かつ、ビームの広がりを押さえて高輝度を実現している。
【００３０】
したがって、本発明の電子銃は、微細加工が必要な高精度の電子ビーム描画装置等の電子照射装置にとって、きわめて有効な電子源となる。それにより、電子照射装置も高精度の加工が可能になる。
【００３１】
以下、さらに具体的に説明する。図１は、電子銃の要部の横断面図である。すなわち、電子銃１は電子光学系の光軸２に沿って、例えば酸化ジルコニウム／タングステン（ＺｒＯ／Ｗ）よりなるエミッタ（陰極）３が配置され、その前方に電子光学系を構成するサプレッサ４、イクストラクタ５および電子銃レンズ６、更にその前方にアノード（陽極）７が順次配列され、また、永久磁石８、外側磁極９、内側磁極１０によって構成される磁極ユニット１２の磁極の先端が、絶縁物１３を介してイクストラクタ５、電子銃レンズ６に接続されている。
【００３２】
図示していないが、これら各電極と磁極ユニット１２は電子銃の室内部に配置され、高真空の環境下におかれている。また、エミッタ３、サプレッサ４、イクストラクタ５、電子銃レンズ６、アノード７はリード線によって高電圧が印加されている。
【００３３】
それらの高電圧は、例えば、サプレッサ４にはエミッタ基準で−５００Ｖ、イクストラクタ５には１〜５ＫＶ、アノード７には１〜３０ＫＶ、電子銃レンズ６には１〜３０ＫＶ等の電圧である。また、電子銃レンズ６の電圧は図示しないアノード７の前方に存在する小さな孔を設けた金属板で構成されたアパーチャ面にクロスオーバ（焦点）を結ぶように調整された電圧が印加される。これら各電極と永久磁石８は、図示しないイオンポンプなどの真空ポンプによって高真空に設定されている。
【００３４】
また、外側磁極９と内側磁極１０は純鉄や電磁軟鉄等の透磁率の高い材料で作られ、また、その内側に配置されたサマリュウムコバルトなどで作られた永久磁石８を挟むように設置されている。さらに、間隔部分は銅などの非磁性体で充填された構造を形成している。
【００３５】
磁場を加える方式としては、銅やニッケルなどのめっきを行ったサマリュムコバルトによる永久磁石８を用いる方式を用いている。
【００３６】
すなわち、通常、サマリュムコバルトなど永久磁石８は焼結金属であるため、ガスを内部に保持している。そのため、真空中では使用すると内部のガスが放出され高真空が得られない。そこで、ここでは内部ガスの放出を防止するために永久磁石８の表面を、銅やニッケルなどでメッキ処理した部材を使用している。
【００３７】
なお、永久磁石８はサマリュムコバルト系の磁石を用いたが、磁石としてはこれに限らずセリュムコバルト系、ネオジュム−鉄ボロン系、フェライトアルニコ系、プラスチックマグネット系、鉄クロムコバルト系、などなど種類を問わず使用できる。
【００３８】
なお、磁場の形成は、永久磁石８を用いなくて、コイルによる磁場の形成を用いることもできる。
【００３９】
これらの構成により、電子銃１の動作は、エミッタ３から放出された電子ビームを、アノード７に向けて加速して使用する。その際、サプレッサ１、エキストラクタ２によってビームの引出し条件を制御している。また、電子銃レンズ４によって、電子ビームをフォーカスさせて使用している。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態を示す電子銃の光軸に沿って配置した電極部の拡大模式図（ただし、光軸で半分に切断している）である。
【００４１】
すなわち、光軸２に沿って、エミッタ３の前方に、各電極を構成するサプレッサ４、イクストラクタ５、電子銃レンズ６、アノード７が所定の間隔で順次配列されている。特に、電子銃レンズ６は、光軸２に面する側である内径が、光軸２を中心として入口よりも出口の方が広く形成されており、電子ビームの進行方向に従って段状に広がって形成されている。この場合は、３段の段差（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）に形成されており、内径は、エミッタ３側から直径が３：４：５の関係で形成されている。
【００４２】
図３（ａ）は、本発明の実施の形態を示す電子銃１のビームプロファイルの説明図であり、図３（ｂ）は、対比として示した従来の電子銃のビームプロファイルの説明図である。すなわち、図３（ａ）においては、電子銃レンズ６の制御によるビームプロファイルＢＰは、直線Ａのように制御される。直線Ａは、制御以前のビームプロファイルＢＰの形状にほぼ近似しており、クロスオーバの位置のズレも少ない。それに対して、図３（ｂ）においては、従来の電子銃レンズ６ｚの制御によるビームプロファイルＢＰは、直線Ｂのように制御される。直線Ｂは、制御以前のビームプロファイルＢＰの形状とは大きく異なり、クロスオーバの位置が大きくずれている。
【００４３】
すなわち、これらの構造により、電子銃レンズ６として強いパワーが要求される場合でも、電子ビームのビームプロファイルＢＰのエンベロープ（展開）に逆らうことなく、図３（ａ）に示したようなビーム収束を実現できる。したがって、クロスオーバ位置（光軸２と交わる位置）でのビーム広がりを小さく押さえる（球面収差が少ない）ことが可能である。
【００４４】
図４および図５は、上述の本発明の電子銃の実施の形態の変形例を示すそれぞれの拡大模式図である。なお、図４および図５において、図２と同一機能部分には同一名称と符号を付して、その個々の説明を省略する。
【００４５】
図４においては、電子銃レンズ６ａの光軸２を中心とした内径を、電子ビームの入口よりも出口の方が広く形成されており、進行方向に従って広くなるようにテーパ部１４ａに形成している。
【００４６】
また、図５においては、電子銃レンズ６ｂの内径を、電子ビームの入口よりも出口の方が広く形成されており、進行方向に従って入口の平行部１４ｂと、それに連通しているテーパ部１４ｃとで形成している。
【００４７】
この場合、図４および図５に示した電子銃レンズ６ａ、６ｂは、何れも、図２で示した電子銃レンズ６と同様に、電子ビームの入口よりも出口の方が広く形成されている。それにより、図２で示した電子銃レンズ６と同様に、電子銃レンズ６ａ、６ｂとして強いパワーが要求される場合でも、電子ビームのビームプロファイルＢＰのエンベロープに逆らうことなく、良好なビーム収束を実現できる。その結果、クロスオーバ位置での電子ビームの広がりを小さく押さえる（球面収差が少ない）ことが可能である。
【００４８】
なお、図５においては、電子銃レンズ６ｂの電子ビームの入口の平行部１４ｂに連通してテーパ部１４ｃを設けたが、テーパ部１４ｃの部分を段差（不図示）により形成してもよい。
【００４９】
上述の各電子銃は、電子線描画装置等で使用するのに好適である。
【００５０】
次に、エミッタ３の先端部の形状について説明する。電子銃１が、高輝度の電子ビーム源としての機能を実現するためには、大ビーム電流を発生することが要求される。エミッタ３から放出されるビーム電流は、基本的にはエミッタ３の有効面積で決定される。
【００５１】
電子銃１では、一般的には、サプレッサ４で電子ビームが放出されるエリアを小さく押さえ込んで、イクストラクタ５で電子ビームを引き出す方法が用いられている。しかし、この方法は、図６に説明図を示すように、エミッタ３の先端部３ａが曲面を形成されているので、放出する電子ビームはこの曲面に沿って放出される。そのため、光軸２と平行方向への電子ビームは少なくなり、結果的に、エミッタ３での光軸２と平行方向への電子ビームについては、ビーム放出エリアを小さくなっているのと同じになり、大ビーム電流を得ることはできない。
【００５２】
一方、図７に模式図を示すように、本発明の実施の形態では、エミッタ３の先端部３ｂを光軸２に対して垂直なフラット面に形成されている。またこのフラット面は、エミッタ３から放出されるビーム電流は、基本的にはエミッタ３の有効面積で決定されるので、目的とするクロスオーバサイズに対応させて設定されている。
【００５３】
その結果、エミッタ３の先端部３ｂのフラット面からは一律の平行ビームが、所望のビーム電流で放出される。したがって、従来の先端部３ａが曲面のエミッタ３と異なり、エミッタ３の先端部３ｂのフラットな面全体から放出される電子ビームを得ることができる。そのうえ、放出された電子ビームは、従来のように先端部３ａが曲面のエミッタ３と異なり、フラットで球面状の分布を取らないため、収束性に優れたビームプロファイルＢＰを形成できる。また、フラット部分の寸法形状は、目的とするクロスオーバのビーム寸法に応じて選択することによって、電子線描画装置などの電子光源として最適化することができる。
【００５４】
なお、エミッタ３の先端部３ｂのフラット面は、研磨等により形成することができる。
【００５５】
図８（ａ）および（ｂ）は、上述の電子銃レンズ６とエミッタ３を組み込んだ電子銃１から放出された電子ビームのビームプロファイルＢＰの模式説明図である。図８（ａ）は、電子銃１の全体であり、図８（ｂ）は、エミッタ３の先端部３ｂ近傍の部分拡大図である。なお、図８（ａ）および（ｂ）において、図２と同一機能部分には、同一符号を付してその個々の説明を省略する。
【００５６】
すなわち、エミッタ３のフラットな先端から放出された電子ビームは、広がりの少ない大電流の電子ビームとして、電子ビームのビームプロファイルＢＰのエンベロープに逆らうことなく、良好なビーム収束を実現できる。それにより、クロスオーバ位置でのビーム広がりを小さく押さえることが実現できる。
【００５７】
次に、図９を（ａ）および（ｂ）参照して、上述の電子銃１の変形例について説明する。なお、図９（ａ）は、電子銃１の光軸２に沿って配置した電極部とカットアバチャの模式図であり、（ｂ）は、カットアバチャの位置とのクロスオーバ位置の関係を説明する説明図である。図９（ａ）および（ｂ）において、図２と同一機能部分には、同一符号を付してその個々の説明を省略する。
【００５８】
すなわち、光軸２に沿って、エミッタ３の前方に、各電極を構成するサプレッサ４、イクストラクタ５、電子銃レンズ６、アノード７が所定の間隔で順次配列されており、さらに、アノード７の前方にはカットアパーチャ１５が配置されている。このカットアパーチャ１５によって、アノード５の下流側での余分なビームをカットしている。
【００５９】
なお、電極に印加する電圧を制御することで、電子ビームのクロスオーバ位置を任意の位置（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３等）に可変選択することができるので、カットアパーチャ６の最も有効な位置は、最も遠くで使用するクロスオーバ位置に設けることにより、最も効率的なビームカットができる。
【００６０】
それらは、電子線描画装置等で使用するのに好適である。
【００６１】
次に、更に別の実施例とし図１０に示した模式構成図を用いて、電子銃レンズ６を後段の照明系レンズとして機能させた電子銃１とそれを用いた電子照射装置の一例として電子描画装置装置について説明する。なお、この場合も、電子銃１は、電極に印加する電圧を制御することで、電子ビームのクロスオーバ位置を任意の位置に可変選択することができるように構成されている。
【００６２】
電子描画装置の全体の配置は、電子銃１から放出される電子ビームの光軸２上に、電子光学系の各構成要素として、第１の成形アパーチャ１８、静電式照明レンズ２０、第１の静電式成形偏向器２１、第２の成形アパーチャ１９、第２の静電式成形偏向器２２、第３のアパーチャ２３、静電式縮小レンズ２４、静電式主偏向対物レンズ２５及び電子検出器３１が配置されている。
【００６３】
なお、静電式照明レンズ２０は、通常、電子銃１の光軸２上の前方に２個の電子レンズで形成されているが、この電子描画装置の場合は、電子銃１側の静電式照明レンズを電子銃１の電子銃レンズ６によって機能させているので、電子銃レンズ６の他には１個だけが静電式照明レンズ２０ｂとして配置されている。
【００６４】
静電式照明レンズ２０は、電子銃１から放出された電子ビームを均一な電子ビーム（照明ビーム）に整えるもので、静電式照明レンズはアインツェル型のレンズにより構成されている。
【００６５】
また、静電式照明レンズ２０ｂのクロスオーバは、第３のアパーチャ２３の位置に結像するように構成し、かつ、電子銃レンズ６と静電式照明レンズ２０ｂに対する印加電圧を可変制御することで、照明ビームの倍率を任意に選択でき、照明ビームの試料面上での電流密度を制御することができる。
【００６６】
第１の静電式成形偏向器２１は、各偏向器２１ａ、２１ｂから成り、試料１３面上に所望のアパーチャ像を得るために静電式照明レンズ２０により成形された電子ビームを偏向し、第２の成形アパ−チャ１９に対する照射位置を制御する機能を有している。
【００６７】
第２の静電式成形偏向器２２は、各偏向器２２ａ、２２ｂから成り、第２のアパーチャ成形７を通過して得られたアパーチャ像の電子ビームを元の光軸２上に戻す機能を有しており、それらは、各偏向器２２ａ、２２ｂのそれぞれの電極に、独立に電圧を印加することにより電子ビームを偏向制御している。
【００６８】
また、静電式主偏向対物レンズ２５は、静電式対物レンズ２６と静電式主偏向器２７とから構成されている。これら静電式対物レンズ２６及び静電式主偏向器２７には、電圧制御部４０が接続されている。この電圧制御部４０による静電式対物レンズ２６と静電式主偏向器２７とに対する電圧制御により、これら静電式対物レンズ２６と静電式主偏向器２７は機能する。すなわち、静電式対物レンズ２６は、静電式縮小レンズ２４を通過した電子ビームを被処理体３２上に縮小投影するもので、電極に同じ電圧が印加されることによって電子ビームを収束させる。また、静電式主偏向器２７は、静電式対物レンズ２６により被処理体３２上に縮小投影される電子ビームを被処理体３２上に偏向して描画するもので、電極にレンズ収束電圧とは別の独立制御電圧が加減演算されて印加され、電子ビームを被処理体３２の面上の任意の位置に移動させる。
【００６９】
また、静電式対物レンズ２６及び静電式主偏向器２７には、第１の収差補正部４１が接続されている。この収差補正部４１は、主偏向対物レンズ２５に対しての電子光学系で発生する収差に応じた補正量を複数の電極に加減印加して主偏向系で発生する収差を最小化する制御機能を有している。
【００７０】
また、電子ビームの光軸２に沿って、静電式主偏向対物レンズ２５の上流側には、静電式副偏向器２８、静電式プリ主偏向器２９、静電式プリ副偏向器３０が配置されており、それらには、第２の収差補正部４２が接続されている。この第２の収差補正部４２は、静電式主偏向器２７に対する静電式プリ主偏向器２９の制御電圧を加算方向に制御し、かつ、静電式副偏向器２８に対する静電式プリ副偏向器３０の制御電圧を減算方向に制御し、総合的な収差を最小化する機能を有している。
【００７１】
静電式縮小レンズ２４は、第１及び第２の静電式成形偏向器２１、２２を通過した電子ビームを縮小するものである。
【００７２】
この静電式縮小レンズ２４の上部には、第３のアパーチャ２３が設置されている。この第３のアパーチャ２３は、第１及び第２の成形アパ−チャ１８、１９等で散乱された不要なビームをカットするために設けられている。
【００７３】
この第３のアパーチャ２３は、静電式縮小レンズ２４に対して近接する位置に設けられているので、静電式縮小レンズ２４に接合した構造となっている。
【００７４】
次に、上述のように構成された装置の作用について説明する。
【００７５】
まず、被処理体３２は、ＸＹテーブル４４上に載置される。
【００７６】
電子銃１から放出された電子ビームは、矩形又は円形のセルアパーチャを有する第１の成形アパ−チャ１８に照射され、この第１の成形アパ−チャ１８を通過する。
【００７７】
電子式照明レンズ２０は、第１の成形アパ−チャ１８を通過した電子ビームに対し、第２の成形アパ−チャ１９における目的の１個のセルアパーチャに対して十分大きく、かつ隣接するセルアパーチャに干渉しない大きさのビーム径に拡大する。
【００７８】
このとき、静電式照明レンズ２０ｂは、電子ビームを第３の成形アパーチャ２３の位置に結像する。又、電子銃レンズ６及び静電式照明レンズ２０ａ、２０ｂの印加電圧が可変制御されることにより、電子ビーム（ここでは照明ビーム）２の倍率を任意に選択し、電子ビームの試料面上の電流密度を制御している。
【００７９】
第１の静電式成形偏向器２１は、第１の成形アパ−チャ１８と第２の成形アパ−チャ１９との各セルアパーチャを組み合わせて所望のアパーチャ像を得るために、静電式照明レンズ２０からの電子ビームを偏向し、第２の成形アパ−チャ１９に形成されている各セルアパーチャのうち目的とするセルアパーチャを選択するように照射位置を制御する。
【００８０】
第２の静電式成形偏向器２２は、第２のアパーチャ成形７を通過して得られたアパーチャ像の電子ビームを元の光軸２上に振り戻す。
【００８１】
静電式縮小レンズ２４は、第１及び第２の静電式成形偏向器２１、２２を通過した電子ビームを縮小する。すなわち、第１の静電式成形偏向器２１、第２の成形アパ−チャ１９及び第２の静電式成形偏向器２２を通過した電子ビームは、第２の成形アパ−チャ１９を起点とするセルパターンビームとしてスタートし、電子光学系の光軸２上に振り戻された状態で電子式縮小レンズ２４を通過する。
【００８２】
そして、主偏向対物レンズ２５の静電式対物レンズ２６は、静電式縮小レンズ２４を通過した電子ビームを被処理体３２上に縮小投影し、これと共に静電式主偏向器２７は、静電式対物レンズ２６により被処理体３２上に縮小投影される電子ビームを被処理体３２上に偏向して描画する。
【００８３】
このとき静電式主偏向器２７及び静電式副偏向器２８は、描画パターン位置に対するビーム位置を制御する。すなわち、静電式主偏向器２７は、ＸＹテーブル４４上に搭載された被処理体３２に対し、描画領域の位置をＸＹテーブル４４の位置を参照しながら静電式主偏向器２７の走査領域内で電子ビームを微小偏向し、かつ静電式副偏向器２８は、細かく分割した描画範囲に対して位置制御を行う。
【００８４】
さらに、静電式プリ主偏向器２９は、電子ビームを偏向し、被処理体３２面でビーム偏光制御に応じて発生する各種レンズ収差及び偏向収差を最小に制御し、静電式プリ副偏向器３０は、電子ビームを偏向し、被処理体３２面のビーム副偏向に応じて発生する各種レンズ収差及び副偏向収差を最小に制御する。
【００８５】
また、第１の収差補正部４１は、主偏向対物レンズ２５の複数の電極に同一電圧を印加して電子ビームを収束するに対し、電子光学系で発生する収差を主偏向量に応じて予め求めた補正量を複数の電極に加減印加して、静電式主偏向器２７に対する静電プリ主偏向器２９の制御電圧を加算方向に制御し、主偏向系で発生する収差を最小化する。
【００８６】
第２の収差補正部４２は、静電式副偏向器２８に対する静電式プリ副偏向器３０の制御電圧を減算方向に制御し、総合的な収差を最小化する。
【００８７】
このようにして所望のアパーチャ像に形成された電子ビームが被処理体３２に照射して、パターンを形成する。
【００８８】
この実施例では、電子描画装置装置で電子銃レンズ６を後段の照明系レンズとして機能させ、かつ、電子銃１は、電極に印加する電圧を制御することで、電子ビームのクロスオーバ位置を任意の位置に可変選択することができるようにしてあるので、電子光学系全体の長さを短小化でき、非常に小型の電子ビーム描画装置を実現できる。
【００８９】
以上に説明したように、上述の実施の形態によれば、電子銃の収差を少なくするために、電子銃レンズの光軸を中心とした内径を、エミッタから放出された電子ビームのプロファイルに沿った形状に形成したので、電子ビームのクロスオーバ位置での収束性を高めることができる。
【００９０】
また、電子銃のエミッタの端面をフラットに形成したので、大ビーム電流を発生しながら、かつ、ビームの広がりを押さえた高輝度の電子銃を実現することができる。
【００９１】
また、それらの電子銃を用いた電子ビーム照射装置は、高精度の電子ビーム照射を実現できる。
【００９２】
【発明の効果】
本発明によれば、高輝度の電子銃と、それを搭載した高精度の電子ビーム照射装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子銃の要部の横断面図。
【図２】本発明の電子銃の光軸に沿って配置した電極部の模式図。
【図３】（ａ）は、本発明の電子銃のビームプロファイルの説明図、（ｂ）は、対比として示した従来の電子銃のビームプロファイルの説明図。
【図４】本発明の電子銃の変形例を示す模式図。
【図５】本発明の電子銃の変形例を示す模式図。
【図６】従来のエミッタの先端部の説明図。
【図７】本発明のエミッタの先端部の説明図。
【図８】電子ビームのビームプロファイルの模式説明図で、（ａ）は、電子銃の全体、（ｂ）は、エミッタの先端部近傍の部分拡大図。
【図９】（ａ）は、変形例の電子銃の光軸に沿って配置した電極部とカットアバチャの模式図、（ｂ）は、そのカットアバチャの位置とのクロスオーバ位置の関係を説明する説明図。
【図１０】本発明の電子ビーム照射装置の模式図。
【図１１】従来の電子銃の構造とそれに対応した磁界強度のグラフ。
【符号の説明】
１…電子銃、２…光軸、３…エミッタ、３ａ、３ｂ…先端部、４…サプレッサ、５…イクストラクタ、６、６ａ、６ｂ…電子銃レンズ、７…アノード、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…段差、１４ａ、１４ｃ…テーパ部、１４ｂ…平行部、１５…カットアパーチャ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子銃と、電子銃から放出された電子ビームを用いた電子ビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビームを照射して所望のパターンを描画するパターン描画装置は、光波長より短い波長で描画ができるので、原理的に高分解能での描画が可能であり、高い解像度でパターンを形成できる特徴がある。
【０００３】
一般に、電子ビーム描画装置ではビーム解像性向上のため、高加速に加速した電子ビームを使用する方式が取られている。一方、高加速の電子ビーム描画装置では、描画対象であるウエハ試料のレジストの下面に形成された各種多層薄膜の影響で、レジストを通過した一部のビームが多層膜で反射し、散乱ビームとなって再びレジスト上方に向かう現象や、描画する電子ビームパターンの粗密のばらつき状態により、描画解像性にボケや解像度の劣化を引き起こす近接効果が発生することがある。
【０００４】
それらの問題に対応するため、低加速電圧の電子ビームを用いた電子線描画方式等が提案されている。その装置では、静電レンズと偏向器を重畳させ、エレクトロードを分割した静電レンズ（アインツェルレンズ）で構成し、レンズ機能と偏向器機能を同時に作用させている（例えば、特許文献１を参照）。なお、この電子線描画装置は、回転対称の光学系で構成されているので、制御性も優れており、扱いも簡単である特徴も有している。
【０００５】
電子ビーム描画装置によるパターン描画装置では、解像性とスループットの観点から、電子ビームは高い電流密度で照射する必要がある。高輝度の電子銃を実現するためには、高精度のレンズによって電子ビームを結像する必要がある。
【０００６】
高輝度の電子銃の実現には、電子銃内の電子銃レンズ電極（以下単に「電子銃レンズ」と言う）の収差に大きく左右される。電子銃レンズの収差には、球面収差、色収差、機械公差による収差などがあるが、これらの収差を小さく最適化する必要がある。
【０００７】
電子ビーム描画装置等で使用される電子銃は、一般にＬａＢ６（六化ホウ素ランタン）を用いた電子銃が使用されているが、電界放出型電子銃（ＦＥＧ）、熱電界放出型電子銃（ＴＦＥＧ）では、エナジースプレドが小さいため色収差に優れている。しかし、電界放出型電子銃（ＦＥＧ）、熱電界放出型電子銃（ＴＦＥＧ）は、エミッタ（陰極）の先端は半径１μｍ程度の小さな形状のため、大電流を得ようとすると、大きな開き角の電子ビームを集める必要がある。そのため、球面収差で電子ビーム径が広がり、輝度が低下する問題がある。
【０００８】
それらの事情から、図１１に構造とそれに対応した磁界強度のグラフを示すような電子銃も提案されている。すなわち、電子銃６０は、光軸５９に沿ってエミッタ６１、サプレッサ６２、イクストラクタ６３、電子銃レンズ６４を配置し、内側磁極６５によって構成される磁極ユニット６６の磁極先端が絶縁物６７を介して形成されたイクストラクタ６３は電子銃レンズ６４に接続されている。これらに、制御電圧として、例えばサプレッサ６２にはエミッタ６１基準で−５００Ｖ、イクストラクタ６３には１〜５Ｋｖ、アノード６８には１〜３０ＫＶ、電子銃レンズ６４には１〜３０ＫＶなどの電圧が印加される。また、磁極ユニット６６と内側磁極６５は純鉄や透磁率の材料で作られている。このときの永久磁石によって生成される磁界分布を示している。この様に、磁場と電場レンズを重畳した形で使用されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００９】
これらの構成により、電子銃６０の電場による機能に、磁場の収束レンズを重畳させることで、強力な電子収束効果を発生して、広がるビームを押さえ込むことができる。つまり、電子銃６０はエミッタ（陰極）６１、サプレッサ６２、イクストラクタ６３、電子銃レンズ６４、およびアノード（陽極）６８で構成されており、かつ、イクストラクタ６３は、磁場電極を兼ねた構造になっている。また、磁界ポールピース内にはサマリュムコバルトなどの強磁性永久磁石を挟むように構成している。したがって、この構成をとることで、電子銃レンズ６４と磁界を使用した制御をおこなっている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１７３５２９号公報 （段落番号００７４〜００７６）
【００１１】
【特許文献２】
特開２０００−２８５８３９号公報 （図９）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の電子銃の構造では、サプレッサやエキストラクタの構造や材料が性能に直接的に影響することや、強磁性永久磁石を使用しているため制御が非常に難しい等の問題があり、実用化が難しい状態であった。
【００１３】
また、図１１に示したように、電子銃レンズの形状は、単純な形状のプレーンエレクトロードが使用さている。しかしながら、電子銃レンズとして強いパワーが要求される場合には、エレクトロードの強さを高める必要がある。そのためには、エレクトロードの幅を大きくする必要が出てくる。しかし、単純にエレクトロード幅を大きくすると、図１１のグラフ部で示した様に、電子ビームのブームプロファイルのエンベロープに対応できず、クロスオーバ位置でビームが分散する現象（球面収差が大きくなる）が発生してしまうという問題がある。
【００１４】
本発明は、これらの事情に基づいてなされたもので、電場重畳の構造を使用しないでも可能な高輝度の電子銃と、それを搭載した高精度の電子ビーム照射装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、真空容器と、この真空容器の内部に配置されて電子ビームを放出する陰極と、この陰極で放出された前記電子ビームを光軸方向に加速する陽極と、この陽極と前記陰極との間に配置されて前記陽極で加速された前記電子ビームを前記光軸上に収束させる電界を発生する電子銃レンズを具えた電子光学系とを有する電子銃において、
前記電子銃レンズの前記光軸を中心とした内径は、前記電子ビームの入口よりも出口の方が広く形成されていることを特徴とする電子銃である。
【００１６】
また本発明によれば、前記電子銃レンズの前記光軸を中心とした内径は、前記電子ビームの進行方向に従って段差またはテーパ部により形成されていることを特徴とする電子銃である。
【００１７】
また本発明によれば、前記電子銃レンズの前記光軸を中心とした内径は、前記電子ビームの進行方向に従って、前記入口側の平行部に連通したテーパ部または段差により前記出口側まで広げられて形成されていることを特徴とする電子銃である。
【００１８】
また本発明によれば、前記電子ビームを放出する陰極は、該電子ビームを放出する先端部が該電子ビームの光軸に対して垂直なフラット面に形成されていることを特徴とする電子銃である。
【００１９】
また本発明によれば、前記陰極の前記フラット面の面積は、前記電子ビームの所定のクロスオーバサイズに対応して設定されていることを特徴とする電子銃である。
【００２０】
また本発明によれば、前記電子銃レンズは、印加する電圧を制御することにより前記電子ビームのクロスオーバ位置を任意に変更できると共に、前記光軸に沿って設けられている照明系レンズとしても機能するように設定されていることを特徴とする電子銃である。
【００２１】
また本発明によれば、前記陽極の前記光軸上の前方の、前記陰極から放出された電子ビームのクロスオーバ位置の最も下流側に、前記電子ビームの余分なビームをカットするアパーチャを配置したことを特徴とする電子銃である。
【００２２】
また本発明によれば、電子銃から放出された電子ビームを電子光学系を介して少なくとも成形や偏向し、被処理体に対して該電子ビームを照射する電子ビーム照射装置において、
前記電子銃として、上記のいずれかのひとつに記載されたものを用いていることを特徴とする電子ビーム照射装置である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
まず、本発明の基本的な考え方について説明する。例えば、半導体装置の製造に用いられる電子ビーム描画装置等の電子ビーム照射装置では、微細パターンを得るために、小斜面での高輝度が要求される。そのためには、被処理体であるウエハを高い電流密度で照射する必要があるが、その際、電子銃に設けられている電子銃レンズの収差の影響を少なくするためには、照射角は小さいことが望ましい。
【００２５】
輝度は単位面積当たりの電子流密度（電流角密度）であるが、この輝度の値は電子銃１以後の電子光学系のレンズによって大きくすることはできないので、電子銃１が高い輝度を持つことが重要である。電子銃の輝度を低下させる大きな要因は、電子銃内の電子銃レンズの収差である。
【００２６】
電子銃レンズの収差は、大別すると、（イ）幾何収差（球面収差、軸非対称収差）、（ロ）回折収差、（ハ）色収差である。これら収差のうち微細加工になるに従って特に重要なのが、色収差（色収差はエネルギー幅に比例する）の低減である。
【００２７】
色収差は、電子銃の陽極の加速電圧と電子銃レンズのレンズ電流に変動が生じると発生し、それにより光軸からの距離に比例した倍率と回転角の変動が生じて像がぼけてしまう。従って、色収差を小さくするには、加速電圧電源と電子銃レンズの励磁電流電源は、いずれも高い安定度をもつ必要がある。
【００２８】
本発明では、電子銃の構造として、電子銃レンズの収差を小さくするために、電子銃レンズの内径面を、制御する電子ビームのビームプロファイルに沿った形に形成し、電子ビームのクロスオーバ位置でのビーム収束性を高めている。
【００２９】
また、エミッタ部に先端がフラットなチップを用いることによって、放出する電子ビームが大ビーム電流を発生しながら、かつ、ビームの広がりを押さえて高輝度を実現している。
【００３０】
したがって、本発明の電子銃は、微細加工が必要な高精度の電子ビーム描画装置等の電子照射装置にとって、きわめて有効な電子源となる。それにより、電子照射装置も高精度の加工が可能になる。
【００３１】
以下、さらに具体的に説明する。図１は、電子銃の要部の横断面図である。すなわち、電子銃１は電子光学系の光軸２に沿って、例えば酸化ジルコニウム／タングステン（ＺｒＯ／Ｗ）よりなるエミッタ（陰極）３が配置され、その前方に電子光学系を構成するサプレッサ４、イクストラクタ５および電子銃レンズ６、更にその前方にアノード（陽極）７が順次配列され、また、永久磁石８、外側磁極９、内側磁極１０によって構成される磁極ユニット１２の磁極の先端が、絶縁物１３を介してイクストラクタ５、電子銃レンズ６に接続されている。
【００３２】
図示していないが、これら各電極と磁極ユニット１２は電子銃の室内部に配置され、高真空の環境下におかれている。また、エミッタ３、サプレッサ４、イクストラクタ５、電子銃レンズ６、アノード７はリード線によって高電圧が印加されている。
【００３３】
それらの高電圧は、例えば、サプレッサ４にはエミッタ基準で−５００Ｖ、イクストラクタ５には１〜５ＫＶ、アノード７には１〜３０ＫＶ、電子銃レンズ６には１〜３０ＫＶ等の電圧である。また、電子銃レンズ６の電圧は図示しないアノード７の前方に存在する小さな孔を設けた金属板で構成されたアパーチャ面にクロスオーバ（焦点）を結ぶように調整された電圧が印加される。これら各電極と永久磁石８は、図示しないイオンポンプなどの真空ポンプによって高真空に設定されている。
【００３４】
また、外側磁極９と内側磁極１０は純鉄や電磁軟鉄等の透磁率の高い材料で作られ、また、その内側に配置されたサマリュウムコバルトなどで作られた永久磁石８を挟むように設置されている。さらに、間隔部分は銅などの非磁性体で充填された構造を形成している。
【００３５】
磁場を加える方式としては、銅やニッケルなどのめっきを行ったサマリュムコバルトによる永久磁石８を用いる方式を用いている。
【００３６】
すなわち、通常、サマリュムコバルトなど永久磁石８は焼結金属であるため、ガスを内部に保持している。そのため、真空中では使用すると内部のガスが放出され高真空が得られない。そこで、ここでは内部ガスの放出を防止するために永久磁石８の表面を、銅やニッケルなどでメッキ処理した部材を使用している。
【００３７】
なお、永久磁石８はサマリュムコバルト系の磁石を用いたが、磁石としてはこれに限らずセリュムコバルト系、ネオジュム−鉄ボロン系、フェライトアルニコ系、プラスチックマグネット系、鉄クロムコバルト系、などなど種類を問わず使用できる。
【００３８】
なお、磁場の形成は、永久磁石８を用いなくて、コイルによる磁場の形成を用いることもできる。
【００３９】
これらの構成により、電子銃１の動作は、エミッタ３から放出された電子ビームを、アノード７に向けて加速して使用する。その際、サプレッサ１、エキストラクタ２によってビームの引出し条件を制御している。また、電子銃レンズ４によって、電子ビームをフォーカスさせて使用している。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態を示す電子銃の光軸に沿って配置した電極部の拡大模式図（ただし、光軸で半分に切断している）である。
【００４１】
すなわち、光軸２に沿って、エミッタ３の前方に、各電極を構成するサプレッサ４、イクストラクタ５、電子銃レンズ６、アノード７が所定の間隔で順次配列されている。特に、電子銃レンズ６は、光軸２に面する側である内径が、光軸２を中心として入口よりも出口の方が広く形成されており、電子ビームの進行方向に従って段状に広がって形成されている。この場合は、３段の段差（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）に形成されており、内径は、エミッタ３側から直径が３：４：５の関係で形成されている。
【００４２】
図３（ａ）は、本発明の実施の形態を示す電子銃１のビームプロファイルの説明図であり、図３（ｂ）は、対比として示した従来の電子銃のビームプロファイルの説明図である。すなわち、図３（ａ）においては、電子銃レンズ６の制御によるビームプロファイルＢＰは、直線Ａのように制御される。直線Ａは、制御以前のビームプロファイルＢＰの形状にほぼ近似しており、クロスオーバの位置のズレも少ない。それに対して、図３（ｂ）においては、従来の電子銃レンズ６ｚの制御によるビームプロファイルＢＰは、直線Ｂのように制御される。直線Ｂは、制御以前のビームプロファイルＢＰの形状とは大きく異なり、クロスオーバの位置が大きくずれている。
【００４３】
すなわち、これらの構造により、電子銃レンズ６として強いパワーが要求される場合でも、電子ビームのビームプロファイルＢＰのエンベロープ（展開）に逆らうことなく、図３（ａ）に示したようなビーム収束を実現できる。したがって、クロスオーバ位置（光軸２と交わる位置）でのビーム広がりを小さく押さえる（球面収差が少ない）ことが可能である。
【００４４】
図４および図５は、上述の本発明の電子銃の実施の形態の変形例を示すそれぞれの拡大模式図である。なお、図４および図５において、図２と同一機能部分には同一名称と符号を付して、その個々の説明を省略する。
【００４５】
図４においては、電子銃レンズ６ａの光軸２を中心とした内径を、電子ビームの入口よりも出口の方が広く形成されており、進行方向に従って広くなるようにテーパ部１４ａに形成している。
【００４６】
また、図５においては、電子銃レンズ６ｂの内径を、電子ビームの入口よりも出口の方が広く形成されており、進行方向に従って入口の平行部１４ｂと、それに連通しているテーパ部１４ｃとで形成している。
【００４７】
この場合、図４および図５に示した電子銃レンズ６ａ、６ｂは、何れも、図２で示した電子銃レンズ６と同様に、電子ビームの入口よりも出口の方が広く形成されている。それにより、図２で示した電子銃レンズ６と同様に、電子銃レンズ６ａ、６ｂとして強いパワーが要求される場合でも、電子ビームのビームプロファイルＢＰのエンベロープに逆らうことなく、良好なビーム収束を実現できる。その結果、クロスオーバ位置での電子ビームの広がりを小さく押さえる（球面収差が少ない）ことが可能である。
【００４８】
なお、図５においては、電子銃レンズ６ｂの電子ビームの入口の平行部１４ｂに連通してテーパ部１４ｃを設けたが、テーパ部１４ｃの部分を段差（不図示）により形成してもよい。
【００４９】
上述の各電子銃は、電子線描画装置等で使用するのに好適である。
【００５０】
次に、エミッタ３の先端部の形状について説明する。電子銃１が、高輝度の電子ビーム源としての機能を実現するためには、大ビーム電流を発生することが要求される。エミッタ３から放出されるビーム電流は、基本的にはエミッタ３の有効面積で決定される。
【００５１】
電子銃１では、一般的には、サプレッサ４で電子ビームが放出されるエリアを小さく押さえ込んで、イクストラクタ５で電子ビームを引き出す方法が用いられている。しかし、この方法は、図６に説明図を示すように、エミッタ３の先端部３ａが曲面を形成されているので、放出する電子ビームはこの曲面に沿って放出される。そのため、光軸２と平行方向への電子ビームは少なくなり、結果的に、エミッタ３での光軸２と平行方向への電子ビームについては、ビーム放出エリアを小さくなっているのと同じになり、大ビーム電流を得ることはできない。
【００５２】
一方、図７に模式図を示すように、本発明の実施の形態では、エミッタ３の先端部３ｂを光軸２に対して垂直なフラット面に形成されている。またこのフラット面は、エミッタ３から放出されるビーム電流は、基本的にはエミッタ３の有効面積で決定されるので、目的とするクロスオーバサイズに対応させて設定されている。
【００５３】
その結果、エミッタ３の先端部３ｂのフラット面からは一律の平行ビームが、所望のビーム電流で放出される。したがって、従来の先端部３ａが曲面のエミッタ３と異なり、エミッタ３の先端部３ｂのフラットな面全体から放出される電子ビームを得ることができる。そのうえ、放出された電子ビームは、従来のように先端部３ａが曲面のエミッタ３と異なり、フラットで球面状の分布を取らないため、収束性に優れたビームプロファイルＢＰを形成できる。また、フラット部分の寸法形状は、目的とするクロスオーバのビーム寸法に応じて選択することによって、電子線描画装置などの電子光源として最適化することができる。
【００５４】
なお、エミッタ３の先端部３ｂのフラット面は、研磨等により形成することができる。
【００５５】
図８（ａ）および（ｂ）は、上述の電子銃レンズ６とエミッタ３を組み込んだ電子銃１から放出された電子ビームのビームプロファイルＢＰの模式説明図である。図８（ａ）は、電子銃１の全体であり、図８（ｂ）は、エミッタ３の先端部３ｂ近傍の部分拡大図である。なお、図８（ａ）および（ｂ）において、図２と同一機能部分には、同一符号を付してその個々の説明を省略する。
【００５６】
すなわち、エミッタ３のフラットな先端から放出された電子ビームは、広がりの少ない大電流の電子ビームとして、電子ビームのビームプロファイルＢＰのエンベロープに逆らうことなく、良好なビーム収束を実現できる。それにより、クロスオーバ位置でのビーム広がりを小さく押さえることが実現できる。
【００５７】
次に、図９を（ａ）および（ｂ）参照して、上述の電子銃１の変形例について説明する。なお、図９（ａ）は、電子銃１の光軸２に沿って配置した電極部とカットアバチャの模式図であり、（ｂ）は、カットアバチャの位置とのクロスオーバ位置の関係を説明する説明図である。図９（ａ）および（ｂ）において、図２と同一機能部分には、同一符号を付してその個々の説明を省略する。
【００５８】
すなわち、光軸２に沿って、エミッタ３の前方に、各電極を構成するサプレッサ４、イクストラクタ５、電子銃レンズ６、アノード７が所定の間隔で順次配列されており、さらに、アノード７の前方にはカットアパーチャ１５が配置されている。このカットアパーチャ１５によって、アノード５の下流側での余分なビームをカットしている。
【００５９】
なお、電極に印加する電圧を制御することで、電子ビームのクロスオーバ位置を任意の位置（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３等）に可変選択することができるので、カットアパーチャ６の最も有効な位置は、最も遠くで使用するクロスオーバ位置に設けることにより、最も効率的なビームカットができる。
【００６０】
それらは、電子線描画装置等で使用するのに好適である。
【００６１】
次に、更に別の実施例とし図１０に示した模式構成図を用いて、電子銃レンズ６を後段の照明系レンズとして機能させた電子銃１とそれを用いた電子照射装置の一例として電子描画装置装置について説明する。なお、この場合も、電子銃１は、電極に印加する電圧を制御することで、電子ビームのクロスオーバ位置を任意の位置に可変選択することができるように構成されている。
【００６２】
電子描画装置の全体の配置は、電子銃１から放出される電子ビームの光軸２上に、電子光学系の各構成要素として、第１の成形アパーチャ１８、静電式照明レンズ２０、第１の静電式成形偏向器２１、第２の成形アパーチャ１９、第２の静電式成形偏向器２２、第３のアパーチャ２３、静電式縮小レンズ２４、静電式主偏向対物レンズ２５及び電子検出器３１が配置されている。
【００６３】
なお、静電式照明レンズ２０は、通常、電子銃１の光軸２上の前方に２個の電子レンズで形成されているが、この電子描画装置の場合は、電子銃１側の静電式照明レンズを電子銃１の電子銃レンズ６によって機能させているので、電子銃レンズ６の他には１個だけが静電式照明レンズ２０ｂとして配置されている。
【００６４】
静電式照明レンズ２０は、電子銃１から放出された電子ビームを均一な電子ビーム（照明ビーム）に整えるもので、静電式照明レンズはアインツェル型のレンズにより構成されている。
【００６５】
また、静電式照明レンズ２０ｂのクロスオーバは、第３のアパーチャ２３の位置に結像するように構成し、かつ、電子銃レンズ６と静電式照明レンズ２０ｂに対する印加電圧を可変制御することで、照明ビームの倍率を任意に選択でき、照明ビームの試料面上での電流密度を制御することができる。
【００６６】
第１の静電式成形偏向器２１は、各偏向器２１ａ、２１ｂから成り、試料１３面上に所望のアパーチャ像を得るために静電式照明レンズ２０により成形された電子ビームを偏向し、第２の成形アパ−チャ１９に対する照射位置を制御する機能を有している。
【００６７】
第２の静電式成形偏向器２２は、各偏向器２２ａ、２２ｂから成り、第２のアパーチャ成形７を通過して得られたアパーチャ像の電子ビームを元の光軸２上に戻す機能を有しており、それらは、各偏向器２２ａ、２２ｂのそれぞれの電極に、独立に電圧を印加することにより電子ビームを偏向制御している。
【００６８】
また、静電式主偏向対物レンズ２５は、静電式対物レンズ２６と静電式主偏向器２７とから構成されている。これら静電式対物レンズ２６及び静電式主偏向器２７には、電圧制御部４０が接続されている。この電圧制御部４０による静電式対物レンズ２６と静電式主偏向器２７とに対する電圧制御により、これら静電式対物レンズ２６と静電式主偏向器２７は機能する。すなわち、静電式対物レンズ２６は、静電式縮小レンズ２４を通過した電子ビームを被処理体３２上に縮小投影するもので、電極に同じ電圧が印加されることによって電子ビームを収束させる。また、静電式主偏向器２７は、静電式対物レンズ２６により被処理体３２上に縮小投影される電子ビームを被処理体３２上に偏向して描画するもので、電極にレンズ収束電圧とは別の独立制御電圧が加減演算されて印加され、電子ビームを被処理体３２の面上の任意の位置に移動させる。
【００６９】
また、静電式対物レンズ２６及び静電式主偏向器２７には、第１の収差補正部４１が接続されている。この収差補正部４１は、主偏向対物レンズ２５に対しての電子光学系で発生する収差に応じた補正量を複数の電極に加減印加して主偏向系で発生する収差を最小化する制御機能を有している。
【００７０】
また、電子ビームの光軸２に沿って、静電式主偏向対物レンズ２５の上流側には、静電式副偏向器２８、静電式プリ主偏向器２９、静電式プリ副偏向器３０が配置されており、それらには、第２の収差補正部４２が接続されている。この第２の収差補正部４２は、静電式主偏向器２７に対する静電式プリ主偏向器２９の制御電圧を加算方向に制御し、かつ、静電式副偏向器２８に対する静電式プリ副偏向器３０の制御電圧を減算方向に制御し、総合的な収差を最小化する機能を有している。
【００７１】
静電式縮小レンズ２４は、第１及び第２の静電式成形偏向器２１、２２を通過した電子ビームを縮小するものである。
【００７２】
この静電式縮小レンズ２４の上部には、第３のアパーチャ２３が設置されている。この第３のアパーチャ２３は、第１及び第２の成形アパ−チャ１８、１９等で散乱された不要なビームをカットするために設けられている。
【００７３】
この第３のアパーチャ２３は、静電式縮小レンズ２４に対して近接する位置に設けられているので、静電式縮小レンズ２４に接合した構造となっている。
【００７４】
次に、上述のように構成された装置の作用について説明する。
【００７５】
まず、被処理体３２は、ＸＹテーブル４４上に載置される。
【００７６】
電子銃１から放出された電子ビームは、矩形又は円形のセルアパーチャを有する第１の成形アパ−チャ１８に照射され、この第１の成形アパ−チャ１８を通過する。
【００７７】
電子式照明レンズ２０は、第１の成形アパ−チャ１８を通過した電子ビームに対し、第２の成形アパ−チャ１９における目的の１個のセルアパーチャに対して十分大きく、かつ隣接するセルアパーチャに干渉しない大きさのビーム径に拡大する。
【００７８】
このとき、静電式照明レンズ２０ｂは、電子ビームを第３の成形アパーチャ２３の位置に結像する。又、電子銃レンズ６及び静電式照明レンズ２０ａ、２０ｂの印加電圧が可変制御されることにより、電子ビーム（ここでは照明ビーム）２の倍率を任意に選択し、電子ビームの試料面上の電流密度を制御している。
【００７９】
第１の静電式成形偏向器２１は、第１の成形アパ−チャ１８と第２の成形アパ−チャ１９との各セルアパーチャを組み合わせて所望のアパーチャ像を得るために、静電式照明レンズ２０からの電子ビームを偏向し、第２の成形アパ−チャ１９に形成されている各セルアパーチャのうち目的とするセルアパーチャを選択するように照射位置を制御する。
【００８０】
第２の静電式成形偏向器２２は、第２のアパーチャ成形７を通過して得られたアパーチャ像の電子ビームを元の光軸２上に振り戻す。
【００８１】
静電式縮小レンズ２４は、第１及び第２の静電式成形偏向器２１、２２を通過した電子ビームを縮小する。すなわち、第１の静電式成形偏向器２１、第２の成形アパ−チャ１９及び第２の静電式成形偏向器２２を通過した電子ビームは、第２の成形アパ−チャ１９を起点とするセルパターンビームとしてスタートし、電子光学系の光軸２上に振り戻された状態で電子式縮小レンズ２４を通過する。
【００８２】
そして、主偏向対物レンズ２５の静電式対物レンズ２６は、静電式縮小レンズ２４を通過した電子ビームを被処理体３２上に縮小投影し、これと共に静電式主偏向器２７は、静電式対物レンズ２６により被処理体３２上に縮小投影される電子ビームを被処理体３２上に偏向して描画する。
【００８３】
このとき静電式主偏向器２７及び静電式副偏向器２８は、描画パターン位置に対するビーム位置を制御する。すなわち、静電式主偏向器２７は、ＸＹテーブル４４上に搭載された被処理体３２に対し、描画領域の位置をＸＹテーブル４４の位置を参照しながら静電式主偏向器２７の走査領域内で電子ビームを微小偏向し、かつ静電式副偏向器２８は、細かく分割した描画範囲に対して位置制御を行う。
【００８４】
さらに、静電式プリ主偏向器２９は、電子ビームを偏向し、被処理体３２面でビーム偏光制御に応じて発生する各種レンズ収差及び偏向収差を最小に制御し、静電式プリ副偏向器３０は、電子ビームを偏向し、被処理体３２面のビーム副偏向に応じて発生する各種レンズ収差及び副偏向収差を最小に制御する。
【００８５】
また、第１の収差補正部４１は、主偏向対物レンズ２５の複数の電極に同一電圧を印加して電子ビームを収束するに対し、電子光学系で発生する収差を主偏向量に応じて予め求めた補正量を複数の電極に加減印加して、静電式主偏向器２７に対する静電プリ主偏向器２９の制御電圧を加算方向に制御し、主偏向系で発生する収差を最小化する。
【００８６】
第２の収差補正部４２は、静電式副偏向器２８に対する静電式プリ副偏向器３０の制御電圧を減算方向に制御し、総合的な収差を最小化する。
【００８７】
このようにして所望のアパーチャ像に形成された電子ビームが被処理体３２に照射して、パターンを形成する。
【００８８】
この実施例では、電子描画装置装置で電子銃レンズ６を後段の照明系レンズとして機能させ、かつ、電子銃１は、電極に印加する電圧を制御することで、電子ビームのクロスオーバ位置を任意の位置に可変選択することができるようにしてあるので、電子光学系全体の長さを短小化でき、非常に小型の電子ビーム描画装置を実現できる。
【００８９】
以上に説明したように、上述の実施の形態によれば、電子銃の収差を少なくするために、電子銃レンズの光軸を中心とした内径を、エミッタから放出された電子ビームのプロファイルに沿った形状に形成したので、電子ビームのクロスオーバ位置での収束性を高めることができる。
【００９０】
また、電子銃のエミッタの端面をフラットに形成したので、大ビーム電流を発生しながら、かつ、ビームの広がりを押さえた高輝度の電子銃を実現することができる。
【００９１】
また、それらの電子銃を用いた電子ビーム照射装置は、高精度の電子ビーム照射を実現できる。
【００９２】
【発明の効果】
本発明によれば、高輝度の電子銃と、それを搭載した高精度の電子ビーム照射装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子銃の要部の横断面図。
【図２】本発明の電子銃の光軸に沿って配置した電極部の模式図。
【図３】（ａ）は、本発明の電子銃のビームプロファイルの説明図、（ｂ）は、対比として示した従来の電子銃のビームプロファイルの説明図。
【図４】本発明の電子銃の変形例を示す模式図。
【図５】本発明の電子銃の変形例を示す模式図。
【図６】従来のエミッタの先端部の説明図。
【図７】本発明のエミッタの先端部の説明図。
【図８】電子ビームのビームプロファイルの模式説明図で、（ａ）は、電子銃の全体、（ｂ）は、エミッタの先端部近傍の部分拡大図。
【図９】（ａ）は、変形例の電子銃の光軸に沿って配置した電極部とカットアバチャの模式図、（ｂ）は、そのカットアバチャの位置とのクロスオーバ位置の関係を説明する説明図。
【図１０】本発明の電子ビーム照射装置の模式図。
【図１１】従来の電子銃の構造とそれに対応した磁界強度のグラフ。
【符号の説明】
１…電子銃、２…光軸、３…エミッタ、３ａ、３ｂ…先端部、４…サプレッサ、５…イクストラクタ、６、６ａ、６ｂ…電子銃レンズ、７…アノード、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…段差、１４ａ、１４ｃ…テーパ部、１４ｂ…平行部、１５…カットアパーチャ
Claims (8)
- 真空容器と、この真空容器の内部に配置されて電子ビームを放出する陰極と、この陰極で放出された前記電子ビームを光軸方向に加速する陽極と、この陽極と前記陰極との間に配置されて前記陽極で加速された前記電子ビームを前記光軸上に収束させる電界を発生する電子銃レンズを具えた電子光学系とを有する電子銃において、
前記電子銃レンズの前記光軸を中心とした内径は、前記電子ビームの入口よりも出口の方が広く形成されていることを特徴とする電子銃。 - 前記電子銃レンズの前記光軸を中心とした内径は、前記電子ビームの進行方向に従って段差またはテーパ部により形成されていることを特徴とする請求項１記載の電子銃。
- 前記電子銃レンズの前記光軸を中心とした内径は、前記電子ビームの進行方向に従って、前記入口側の平行部に連通したテーパ部または段差により前記出口側まで広げられて形成されていることを特徴とする請求項１記載の電子銃。
- 前記電子ビームを放出する陰極は、該電子ビームを放出する先端部が該電子ビームの光軸に対して垂直なフラット面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電子銃。
- 前記陰極の前記フラット面の面積は、前記電子ビームの所定のクロスオーバサイズに対応して設定されていることを特徴とする請求項４記載の電子銃。
- 前記電子銃レンズは、印加する電圧を制御することにより前記電子ビームのクロスオーバ位置を任意に変更できると共に、前記光軸に沿って設けられている照明系レンズとしても機能するように設定されていることを特徴とする請求項１記載の電子銃。
- 前記陽極の前記光軸上の前方の、前記陰極から放出された電子ビームのクロスオーバ位置の最も下流側に、前記電子ビームの余分なビームをカットするアパーチャを配置したことを特徴とする請求項１記載の電子銃。
- 電子銃から放出された電子ビームを電子光学系を介して少なくとも成形や偏向し、被処理体に対して該電子ビームを照射する電子ビーム照射装置において、
前記電子銃として、請求項１乃至請求項７のいずれかのひとつに記載されたものを用いていることを特徴とする電子ビーム照射装置。
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