JP2005235604A - Electron gun and electron beam system using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子線露光装置や電子顕微鏡等の電子線装置に用いられる電子銃及びそれを用いた電子線装置に関する。 The present invention relates to an electron gun used in an electron beam apparatus such as an electron beam exposure apparatus or an electron microscope, and an electron beam apparatus using the same.
近年、より微細な半導体集積回路を露光できる、電子線露光装置の研究、開発が盛んに行われている。特に、EB(電子線)レチクルと呼ばれるマスク上に形成された電子回路等のパターンを電子光学系の投影レンズによりウエハーに縮小転写する装置が注目されている。この装置の露光領域(フィールド)はウエハー上で250μm程度と、他のEB(電子線)露光装置と比べると非常に大きい。そのため、そのフィールド内を均一に照明できるエミッタンスの高い電子銃が必要となる。エミッタンスの高い銃として、直径の大きなタンタル単結晶を電子のボンバードメントにより加熱する技術が提案されている(High emittance source for PREVAIL projection lithography system, J. Vac. Sci. Technol. B 17(6), 2856 (1999).)。この電子銃は図2に示すように、φ10mmのタンタル単結晶の(111)面を研磨したカソード101とカソード101の裏面を加熱し熱電子105を放出させるためのフィラメント103を有する。カソード101はカソードホルダ102に固定され、カソードホルダ102はガイシ107を介して鏡筒に固定されている。また、フィラメント103はフィラメント固定部108に固定され、固定部108はガイシ110を介してカソードホルダ102に固定されている。111,113はカソードホルダ102からの余分な熱電子をカットするための開口板である。
In recent years, research and development of electron beam exposure apparatuses capable of exposing finer semiconductor integrated circuits have been actively conducted. In particular, an apparatus that shrinks and transfers a pattern such as an electronic circuit formed on a mask called an EB (electron beam) reticle onto a wafer by a projection lens of an electron optical system has attracted attention. The exposure area (field) of this apparatus is about 250 μm on the wafer, which is very large compared to other EB (electron beam) exposure apparatuses. Therefore, an electron gun with high emittance that can uniformly illuminate the field is required. As a gun with high emittance, a technology to heat a large-diameter tantalum single crystal by electron bombardment has been proposed (High emittance source for PREVAIL projection lithography system, J. Vac. Sci. Technol. B 17 (6), 2856 (1999).). As shown in FIG. 2, this electron gun has a
カソードの加熱方法としてまず、タングステンフィラメント103にVfの電圧をかけることにより通電加熱し、熱電子104を放出させる。この電圧は通常20V程度である。フィラメント103とカソード101裏面にVbの電圧をかけ、フィラメント103からの熱電子104をカソード101裏面に加速し、ボンバードメントする。ボンバードメント電圧Vbは通常3kV程度である。ボンバードメントされた電子は運動エネルギーを熱エネルギーに変換しながら、最終的にカソード101裏面に吸収される。カソード101には-100kVの加速電圧(Vacc)が印加されており、加熱されることによりカソードから放出された熱電子105はグランド電位である照明光学系106の方に向かい、下向きに加速される。その後不図示のレンズ系により、不図示のレチクルを照明する。
As a heating method of the cathode, first, the
上記タンタルカソードから十分なエミッションをさせるためには、タンタルを約1700℃に加熱しなければならない。一方、タンタルカソードはメカ的にカソードホルダ102に保持されている。従って、カソード保持部分から熱伝導により、熱が周囲に散逸する。熱の散逸が大きいと、より大きなボンバードメントエネルギー、つまりより大量の熱電子をカソードに与えなければならず、熱の利用効率が悪くなる。真空中で大きな発熱を与えると、局所的にカソードホルダが高温化し、溶解したり、また熱膨張、熱による軟化や再結晶による部材の変形、部材の熱劣化の問題が生じる。また、熱散逸が大きいと、より広い部分を加熱しなければならず、加熱部分の容積増加から、熱容量の増大を招き、それを加熱、冷却するまでの時間が長く必要となる。つまり熱時定数が増大する。これは、装置を稼動させるまでに時間がかかる、あるいは装置をメンテナンスでダウンするまでに時間がかかることを意味し(例えば、半日程度)、トータルな生産性が低下する。また、カソードの広い部分を加熱すると、それに応じて熱がカソードホルダに伝わるため、カソードホルダの温度が上昇する。従って、カソードホルダの温度が高くなる部分は高融点金属等の熱に強い材料を使用しなければならず、また、カソードホルダの大きさも大きくしなけれ
ばならなくなる可能性があり、機械設計の制約となる。また、タングステン等の高融点金属は材料が高価であり、しかも機械加工が非常に難しく、部品の高コスト化を招く。更に、大きな発熱を与えるためには、加熱用の電源の負荷も大きくなり、電源の大型化、ノイズの増大、コストの増大を招く。
In order to provide sufficient emissions from the tantalum cathode, the tantalum must be heated to about 1700 ° C. On the other hand, the tantalum cathode is mechanically held by the
本発明は以上の問題を鑑みたものであり、カソードからの熱散逸を低減した電子銃及びそれを用いた電子線装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an electron gun with reduced heat dissipation from the cathode and an electron beam apparatus using the electron gun.
前記課題を解決するための第1の手段は、カソードと、カソードを加熱する手段と、前記カソードを保持するカソードホルダとを有し、前記カソードホルダは少なくとも前記カソードと接触する部分に接触面積の小さい支持体を有することを特徴とする電子銃である。 A first means for solving the problem includes a cathode, a means for heating the cathode, and a cathode holder for holding the cathode, and the cathode holder has a contact area at least in a portion in contact with the cathode. An electron gun having a small support.
本手段ではカソードとカソードホルダとが接触する部分に接触面積の小さい支持体を配置するため、接触熱伝導率が小さくなり、その部分を介しての熱散逸を少なくすることができる。真空中の熱の散逸は接触熱伝導と、輻射による熱伝達だけであり、その1つのファクターを小さく抑えることは、熱の利用効率の向上に有効である。そのため、少ないボンバードメントエネルギーで、カソードを効率的に加熱できる。また、加熱が少ないため、部材に対する熱負荷を軽減でき、部材の熱膨張、熱変形、熱による劣化を防げる。また、カソードホルダを小さくすることが可能となり、高融点金属の使用量を削減でき、大幅なコストダウンが図れる。また、加熱部分を小型化でき、熱時定数を短縮でき、装置の生産性を向上できる。更に、電源負荷を低減でき、コスト削減、ノイズの低減ができる。 In this means, since the support body having a small contact area is disposed at the portion where the cathode and the cathode holder are in contact with each other, the contact thermal conductivity is reduced, and the heat dissipation through the portion can be reduced. Heat dissipation in vacuum is only contact heat conduction and heat transfer by radiation, and keeping one factor small is effective in improving heat utilization efficiency. Therefore, the cathode can be efficiently heated with less bombardment energy. Moreover, since there is little heating, the thermal load with respect to a member can be reduced and the thermal expansion of a member, a thermal deformation, and deterioration by heat can be prevented. In addition, the cathode holder can be made smaller, the amount of refractory metal used can be reduced, and the cost can be greatly reduced. Moreover, the heating part can be reduced in size, the thermal time constant can be shortened, and the productivity of the apparatus can be improved. Furthermore, the power load can be reduced, and the cost and noise can be reduced.
なお、支持体はカソードホルダと一体にしても構わないし、後述するように、カソードホルダ本体とカソードとの間に別体として配置しても構わない。 The support may be integrated with the cathode holder, or may be disposed separately between the cathode holder main body and the cathode, as will be described later.
この場合に、支持体は、高融点物質の繊維からなるペーパーである事は好ましい。 In this case, the support is preferably a paper made of fibers of a high melting point material.
繊維からなるペーパーは糸状であるため、接触面積が少ないため、カソードからの熱散逸を低減することが可能である。 Since the paper made of fibers is thread-like and has a small contact area, it is possible to reduce heat dissipation from the cathode.
この場合に、高融点物質の繊維はカーボンからなる事は好ましい。 In this case, it is preferable that the high melting point material fiber is made of carbon.
カーボンは良好な電気伝導性があり、カソード裏面に入射するボンバードメント電子(熱電子)のドレインとしたり、カソード表面から放出されるエミッション電子(熱電子)をホルダーから供給することが可能である。 Carbon has good electrical conductivity, and can be used as a drain for bombardment electrons (thermoelectrons) incident on the back surface of the cathode or to supply emission electrons (thermoelectrons) emitted from the cathode surface from the holder.
この場合に、高融点物質の繊維はセラミックからなる事は好ましい。 In this case, it is preferable that the high melting point material fiber is made of ceramic.
セラミックは絶縁体であるが、高温になると電気伝導を持つため、同様にカソード裏面に入射するボンバードメント電子(熱電子)のドレインとしたり、カソード表面から放出されるエミッション電子(熱電子)をホルダーから供給することが可能である。 Ceramic is an insulator, but since it has electrical conduction at high temperatures, it is also used as a drain for bombardment electrons (thermoelectrons) incident on the backside of the cathode, or for holding emission electrons (thermoelectrons) emitted from the cathode surface. It is possible to supply from.
なおカソードと前記カソードホルダとを電気的に接続する手段を更に有することは好ましい。カソードホルダとカソードは電気的に接続されなければならない場合がある。このような場合に、支持体8の電気伝導率が悪い場合には、別途電気的に接続すればよい。
It is preferable to further have means for electrically connecting the cathode and the cathode holder. In some cases, the cathode holder and the cathode must be electrically connected. In such a case, if the
前記課題を解決するための第2の手段は、カソードと、カソードを加熱する手段と、前記カソードを保持するカソードホルダと、前記カソードホルダに機械的接触をするホルダ
接触部材と、を有し、前記カソードホルダと前記ホルダ接触部材とは接触面積の小さい支持体を介して機械的に接続されることを特徴とする電子銃である。
カソードやフィラメントからの熱によってカソードホルダも加熱される。従って、カソードホルダからカソードホルダと機械的に接触する部材(例えば、絶縁ガイシ等)に熱が伝搬することも低減させる必要がある。この場合に、接触面積の小さい支持体を配置することにより、熱散逸を防ぐことが可能となる。この支持体として、高融点物質の繊維からなるペーパーを使うことが可能であり、材料としては、カーボンやセラミックを使うことが可能である。
また、これらの電子銃を電子線装置に用いると、精度が高く、コストの低い装置を提供することが可能となる。
The second means for solving the problem includes a cathode, a means for heating the cathode, a cathode holder for holding the cathode, and a holder contact member for making mechanical contact with the cathode holder, In the electron gun, the cathode holder and the holder contact member are mechanically connected via a support having a small contact area.
The cathode holder is also heated by heat from the cathode and filament. Therefore, it is necessary to reduce the propagation of heat from the cathode holder to a member (for example, an insulating insulator) that is in mechanical contact with the cathode holder. In this case, heat dissipation can be prevented by arranging a support having a small contact area. As this support, it is possible to use a paper made of a fiber having a high melting point, and it is possible to use carbon or ceramic as a material.
Further, when these electron guns are used in an electron beam apparatus, it is possible to provide an apparatus with high accuracy and low cost.
上述の通り、本発明によれば、接触面積の小さい支持体をカソードに接触させるため、カソードからの熱散逸を低減することが可能となる。 As described above, according to the present invention, since the support having a small contact area is brought into contact with the cathode, it is possible to reduce heat dissipation from the cathode.
図1は、本発明の実施の形態による電子線装置に用いられる電子銃の概略構成を示す図である。なお、電子銃の構成としては図2に示す従来の電子銃とほぼ同様であるが、説明の便宜上、フィラメント固定部108やガイシ110は省略してある。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an electron gun used in an electron beam apparatus according to an embodiment of the present invention. The configuration of the electron gun is substantially the same as that of the conventional electron gun shown in FIG. 2, but the
カソード1は支持体8を介してカソードホルダ2に固定されており、カソードホルダ2は支持体10を介してガイシ7に固定されている。6は照明光学系であり、3はフィラメント、4はフィラメントから放出された熱電子であり、カソードを暖めるためのボンバードメント電子である。フィラメントに印可する電圧Vf、フィラメントとカソード間に印可する電圧Vb及びカソードとアノード11間に印可する電圧Vaccは従来の技術で説明したものと同様である。
The cathode 1 is fixed to the
カーボンファイバーを紙状にしたカーボンペーパーや、セラミック繊維を紙状にしたセラミックペーパーが、接触熱伝導率を低減することは知られている(C. V. Madhusudana,
Thermal Contact Conductance, P94, Springer)。カーボンペーパーは最近自動車の燃料として研究されている燃料電池の電極材料として注目を浴びている。その理由はカーボンペーパーの表面積の多さである。表面積が大きいのは、表面の凹凸が非常に大きいことを意味し、逆に接触面積が小さいことを意味する。そのため、接触熱伝導率を低減できるのである。図1ではこのカーボンペーパーを支持体8として用いることにより、接触による熱の散逸を低減できる。なお、カソードホルダー2は周辺電極をかねているため、カソード1と電気的に接続される必要がある。その点でも、カーボンは良好な電気伝導性があるため、カソード裏面に入射するボンバードメント電子のドレインとしたり、カソード表面から放出されるエミッション電子をホルダーから供給するのに都合が良い。さらにカーボンの融点は3500℃以上と高く、カソードが熱電子を十分放出する温度である1800℃よりはるかに高く、熱による溶解の心配もない。
It is known that carbon paper made of carbon fiber and ceramic paper made of paper made of ceramic fibers reduce contact thermal conductivity (CV Madhusudana,
Thermal Contact Conductance, P94, Springer). Carbon paper has been attracting attention as a fuel cell electrode material that has recently been studied as a fuel for automobiles. The reason is the large surface area of the carbon paper. A large surface area means that the unevenness of the surface is very large, and conversely means that the contact area is small. Therefore, the contact thermal conductivity can be reduced. In FIG. 1, by using this carbon paper as the
同様に、支持体8としてセラミックペーパーを熱絶縁に使用することが可能である。セラミックは絶縁体であるが、高温になると電気伝導を示し始める。そのため、カソード裏面に入射するボンバードメント電子のドレインとしたり、カソード表面から放出されるエミッション電子をホルダーから供給するのに都合が良い。なお、更なる電気伝導を必要とする場合、図1に示すように、カソードを金属製のネジ9でホルダー2に固定すれば、金属製のネジ9を介して電子が流入流出できる。しかしこの場合、ネジ9を介して熱が散逸するため、熱絶縁は悪化する。従って、電子の流入、流出させるべき量と熱伝導の量を考慮して、ネジ9の材料や形状を決めることが好ましい。なお、固定するという機能を必要とせず、電気的に接続するだけであれば、ネジではなく、単にカソード1とカソードホル
ダ2とを電気的に接続する手段(ワイヤ等)でも構わない。
Similarly, ceramic paper can be used as the
なお、セラミックの耐熱は1000℃程度であるため、例えば、カソードの中心付近の温度が1800℃と高温になる電子銃に用いる場合には、耐熱が低い。そのため、カソードのサイズをある程度大きくし、温度が低下した部分(つまり、耐熱性が十分に保たれる部分)に適応することも可能である。実際の電子銃はより複雑な形状をしており、カソードから遠い部分にも、いくつもの機械的な接触個所があり、電流の流入流出もさほど起こらない部分がある。従って、例えば図1に示すように、ホルダーをグランド電位から電気的に絶縁している絶縁ガイシ7と、ホルダー2との間にセラミックペーパーからなる支持体10を用いることが可能である。このような位置はカソード1から遠いため、耐熱可能な温度で使用可能である。支持体10の材料としては上述のカーボンペーパーや他の接触面積の小さい材料を用いることが可能である。
Since the heat resistance of ceramic is about 1000 ° C., for example, when used for an electron gun in which the temperature near the center of the cathode is as high as 1800 ° C., the heat resistance is low. Therefore, it is also possible to increase the size of the cathode to some extent and adapt to a portion where the temperature is lowered (that is, a portion where heat resistance is sufficiently maintained). The actual electron gun has a more complicated shape, and there are a number of mechanical contact points in the part far from the cathode, and there is a part where current inflow and outflow do not occur so much. Therefore, for example, as shown in FIG. 1, it is possible to use a
本実施の形態における電子銃は、電子線露光装置、電子線顕微鏡をはじめとする電子線装置に適用することが可能であり、カソードが高温となる電子銃を用いる場合に特に有効である The electron gun in this embodiment can be applied to electron beam apparatuses such as an electron beam exposure apparatus and an electron beam microscope, and is particularly effective when an electron gun whose cathode is at a high temperature is used.
1・・・カソード
2・・・カソードホルダ
3・・・フィラメント
7・・・ガイシ
8・・・支持体
9・・・金属製ネジ
1 ...
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JP2020087816A (en) * | 2018-11-29 | 2020-06-04 | イビデン株式会社 | Cathode |
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- 2004-02-20 JP JP2004043874A patent/JP2005235604A/en active Pending
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JP2020087816A (en) * | 2018-11-29 | 2020-06-04 | イビデン株式会社 | Cathode |
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