JP2009272084A - Electron gun - Google Patents

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JP2009272084A JP2008120103A JP2008120103A JP2009272084A JP 2009272084 A JP2009272084 A JP 2009272084A JP 2008120103 A JP2008120103 A JP 2008120103A JP 2008120103 A JP2008120103 A JP 2008120103A JP 2009272084 A JP2009272084 A JP 2009272084A
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Mamoru Nakasuji
護 中筋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simultaneously obtain high luminance and high emittance exceeding a Langmuir limit. <P>SOLUTION: An electron gun has a circular cathode, an extraction electrode or an anode and a Welnelt electrode, wherein the Welnelt electrode has at least a side surface shape of a truncated cone. Its radius is small on the cathode side, is large on the anode side, and is preferably set to a value within a range of 75≤Rc≤250, 11≤Dac≤21 and 62≤θw≤90, assuming a half angle of a cone as θw, a cathode radius Rc as μm, and a distance between the cathode and the extraction electrode or the anode as Dac (mm). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電子線描画装置に使用される長寿命・高輝度・高エミッタンス電子銃に関する。   The present invention relates to a long-life, high-luminance, high-emittance electron gun used for an electron beam drawing apparatus.

半導体製造プロセスにおいて、デザインルールは45nmの時代を迎えようとしており、また生産形態はDRAMに代表される少品種大量生産からSOC(Silicon on chip)のように多品種少量生産へ移行しつつある。それに伴い、微細なICパターンを転写する為のレチクル或いはマスクの需要が増加し、電子線描画装置がフル稼働し、この装置に必要な電子銃の高輝度化と長寿命化が重要になる。
電子線描画装置では高輝度は勿論、高エミッタンスの電子銃が要求される。従ってこの電子銃ではLaB6、W−ZrOやCeBixカソード等の熱カソード電子銃に限定される。電子銃を長寿命にするには比較的低い温度で動作させる必要があり、カソード電流密度を大きく出来ない制限がある。その制限で高輝度にするにはLangmuir limitを越える必要がある。
Langmuir limitを越える提案は下記の文献がある。
特願2006−119800 特願2006−224699
In the semiconductor manufacturing process, the design rule is about to reach 45 nm, and the production form is shifting from small-quantity mass production represented by DRAM to high-variety small-quantity production such as SOC (Silicon on chip). Along with this, the demand for reticles or masks for transferring fine IC patterns increases, the electron beam lithography apparatus becomes fully operational, and it is important to increase the brightness and life of the electron gun necessary for this apparatus.
An electron beam lithography system requires an electron gun with high emittance as well as high luminance. Therefore, in this electron gun is limited to hot cathode electron gun, such as LaB 6, W-ZrO and CeB ix cathode. In order to extend the life of the electron gun, it is necessary to operate it at a relatively low temperature, and there is a limitation that the cathode current density cannot be increased. It is necessary to exceed the Langmuir limit in order to achieve high brightness with that limit.
Proposals that exceed the Langmuir limit are listed below.
Japanese Patent Application No. 2006-119800 Japanese Patent Application No. 2006-224699

上記した従来の特許文献1あるいは特許文献2における電子銃は、高輝度が得られる条件ではエミッタンスが極端に小さい事、と僅かな電子銃電流変化で輝度が大きく変化する問題があった。
本発明は上記問題点を解決するためのもので、Langmuir limitを越える高輝度を可能にし、同じ条件でエミッタンスも大きい電子銃を提供する事を目的とする。更に電子線描画装置では輝度の長時間安定性が要求されるので例えば電子銃電流が変化したときの輝度変化は小さい事が必要である。また輝度の値は空間電荷効果の問題があり、最適値が存在し、高すぎても問題がある。
従って、輝度は2x10〜8x10A/cmsrの範囲の任意の値に、Langmuir 限界から要求される値より小さいカソード電流密度で調整出来る事が必要である。また、エミッタンスは可変成型ビームの場合は3μmmrad以上、キャラクタープロジェションタイプでは10μmmrad以上が得られるのが最適である。
The conventional electron gun in Patent Document 1 or Patent Document 2 described above has a problem that the emittance is extremely small under the condition that high brightness is obtained, and that the brightness greatly changes due to a slight change in the electron gun current.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an electron gun capable of high luminance exceeding the Langmuir limit and having a large emittance under the same conditions. Furthermore, since the electron beam drawing apparatus is required to have long-term stability of luminance, for example, the luminance change when the electron gun current is changed needs to be small. Also, the luminance value has a problem of space charge effect, and there is a problem even if an optimum value exists and is too high.
Therefore, it is necessary that the luminance can be adjusted to an arbitrary value in the range of 2 × 10 5 to 8 × 10 6 A / cm 2 sr with a cathode current density smaller than a value required from the Langmuir limit. Further, it is optimal that the emittance is 3 μmmrad or more for the variable shaped beam and 10 μmmrad or more for the character projection type.

上記した目的を達成するために、本発明に係る電子銃においては、加速電圧が30から100kVの範囲で、電子線描画装置に用いられる電子銃であって、円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθw(度)とし、 カソード半径Rcをμmとし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
75 ≦ Rc ≦ 250,
11 ≦ Dac ≦ 21及び
62 ≦θw ≦ 90
の範囲内の値にすると良い。
In order to achieve the above object, the electron gun according to the present invention is an electron gun used in an electron beam drawing apparatus having an acceleration voltage in the range of 30 to 100 kV, and includes a circular cathode, an extraction electrode or an anode, And the Wehnelt electrode, the Wehnelt electrode has at least the shape of the side surface of the truncated cone, the radius is small on the cathode side and large on the anode side, the half angle of the cone is θw (degrees), and the cathode radius Rc is μm. When the distance between the cathode and the extraction electrode or anode is Dac (mm),
75 ≤ Rc ≤ 250,
11 ≤ Dac ≤ 21 and
62 ≦ θw ≦ 90
A value within the range is good.

上記手段において、
更に、カソード半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 200
の範囲内の値にすると更に良い。
また、上記手段において
更に、半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 150
の範囲内の値にすると最適である。
In the above means,
Furthermore, the cathode radius Rc is
100 ≤ Rc ≤ 200
A value within the range is even better.
In the above means, the radius Rc is
100 ≤ Rc ≤ 150
A value within the range is optimal.

さらに、上記第1の手段において、
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
13 ≦ Dac ≦ 19
の範囲内の値にすると更に良い。
また、上記手段において
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
15 ≦ Dac ≦ 17
の範囲内の値にすると最適である。
Furthermore, in the first means,
Furthermore, set the distance between the cathode and the extraction electrode or anode to Dac (mm).
13 ≤ Dac ≤ 19
A value within the range is even better.
Further, in the above means, the distance between the cathode and the extraction electrode or the anode is set to Dac (mm).
15 ≤ Dac ≤ 17
A value within the range is optimal.

また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θw(度)を
63.9 ≦θw ≦ 85.5
の範囲内の値にすると更に良い。
Further, in the above means, the half angle θw (degree) of the Wehnelt cone is further calculated.
63.9 ≦ θw ≦ 85.5
A value within the range is even better.

また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θw(度)を
68.9 ≦θw ≦ 80
の範囲内の値にすると最適である。
In the above means, the Wehnelt cone half angle θw (degrees) is further calculated.
68.9 ≦ θw ≦ 80
A value within the range is optimal.

CeBix カソードを用い、50keVのビームエネルギーで輝度が3x10〜3.1x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1600K以下で良く、輝度が1x10〜4.7x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1620K以下で良く、輝度が2x10〜6.6x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1640K以下で良く、輝度が3x10〜8.5x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1660K以下で良い。 When a CeBix cathode is used and the luminance is 3 × 10 5 to 3.1 × 10 6 A / cm 2 sr with a beam energy of 50 keV, the cathode temperature may be 1600 K or less, and the luminance is 1 × 10 6 to 4.7 × 10 6 A / cm 2 sr. for the cathode temperature may hereinafter 1620K, if luminance of 2x10 6 ~6.6x10 6 a / cm 2 sr, the cathode temperature may hereinafter 1640K, brightness 3x10 6 ~8.5x10 6 a / cm In the case of 2 sr, the cathode temperature may be 1660K or less.

LaB6カソードを用い、50keVのビームエネルギーで輝度が2x10〜1x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1720K以下で良く、輝度が5x10〜2x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1740K以下で良く、輝度が1x10〜4x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1780K以下で良く、輝度が2x10〜6x10A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は1800Kで良く、LaB6カソードでも比較的低いカソード温度で使えるので長寿命のカソードが得られる。 Using LaB6 cathode, if the luminance at the beam energy of 50keV is 2x10 5 ~1x10 6 A / cm 2 sr, the cathode temperature may hereinafter 1720K, when the luminance of 5x10 5 ~2x10 6 A / cm 2 sr are the cathode temperature may hereinafter 1740K, if the luminance is 1x10 6 ~4x10 6 a / cm 2 sr, the cathode temperature may hereinafter 1780K, if the luminance is less than 2x10 6 ~6x10 6 a / cm 2 sr, cathode The temperature may be 1800K, and even a LaB6 cathode can be used at a relatively low cathode temperature, so a long-life cathode can be obtained.

本発明の電子銃では、Langmuir limit を超える輝度と適度のエミッタンスが同時に得られるので、電子線描画装置を容易に高スループット化が実現できる。また、カソード電流密度を小さくでき、カソード温度を低くできるので、電子銃の長寿命化と高信頼性が得られる。   In the electron gun of the present invention, luminance exceeding the Langmuir limit and appropriate emittance can be obtained at the same time, so that the electron beam drawing apparatus can easily achieve high throughput. Further, since the cathode current density can be reduced and the cathode temperature can be lowered, the life of the electron gun and the high reliability can be obtained.

図1は、本発明に係る電子銃のモデル図である。形状は光軸6の回りに回転対称形である。カソード1は電子線放出面が平面円板状で、LaB,CeB(又はCeBix),W−ZrO等の低仕事関数材料あるいは光陰極である。ウエーネルト電極2は、円錐台の内面の一部の形状であるのは従来の電子銃と共通である。ウエーネルト円錐の直径はカソード側で小さく、アノード側で大きくアノード側から見て凹型ウエーネルトである。従来、ウエーネルトは、高輝度にする場合はアノード側から見て凸型ウエーネルト、高エミッタンスにする場合は平面形状が良いとされていた。円筒3は場合によって用いても良い。電子銃外囲器4はアノードと同電位である。アノード電極5はビームが通る穴は光軸と平行な半径0.28 mmの穴とした。 FIG. 1 is a model diagram of an electron gun according to the present invention. The shape is rotationally symmetric around the optical axis 6. The cathode 1 is an electron beam emitting surface having a flat disk shape, and is a low work function material such as LaB 6 , CeB 6 (or CeBix), W-ZrO, or a photocathode. The Wehnelt electrode 2 has the shape of a part of the inner surface of the truncated cone and is common to the conventional electron gun. The diameter of the Wehnelt cone is small on the cathode side, large on the anode side, and is a concave Wehnelt when viewed from the anode side. Conventionally, the Wehnelt has a convex shape when viewed from the anode side when the brightness is high, and the planar shape is good when the emittance is high. The cylinder 3 may be used depending on circumstances. The electron gun envelope 4 is at the same potential as the anode. In the anode electrode 5, the hole through which the beam passes was a hole having a radius of 0.28 mm parallel to the optical axis.

図1のモデルでの電子銃での代表的なシミュレーション結果を図2に示した。アノード電圧:50 kV, カソード:0V, ウエーネルト電圧を変えて電子銃電流:Ieを変化させた。電子銃電流:Ieを変えて輝度Bを変化させた。通常の電子銃特性の表示と同じく横軸を電子銃電流Ieにし、縦軸に輝度BとエミッタンスEとカソード電流密度Jcを3本の曲線で表示している。
図2で横軸は電子銃電流Ie(μA), 縦軸は輝度B(x10A/cmsr),エミッタンスE(μmmrad)、及びカソード電流密度Jc(A/cm)である。図1で、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmである。ウエーネルト円錐の半角: θw は74.3度であり、カソード半径: Rcを変化させた結果である。
曲線21はカソード半径50μm、曲線22はカソード半径75μm、曲線23は、カソード半径100μm、曲線24はカソード半径150μm、曲線25は200μm、曲線26はカソード半径250μm、そして曲線27はカソード半径300μm、の場合である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度特性である。
カソード半径Rcが150μmに対応する24の実線の輝度は3x105 A/cm2srから6.7x106 A/cm2srの範囲で電子銃電流の単調増加関数になり、理想的な特性である。24の破線のエミッタンスEは40〜14(μmmrad)で10(μmmrad)以上を保っている。点線のカソード電流密度: Jcは1.8〜8.1A/cmであり、低い値である。曲線23と24は最適である、即ちカソード半径は150〜200μmが最適である。実線22はIeが800μA以上で輝度 Bが1x10A/cmsrを越え、良い特性である。実線25も電子銃電流Ieが650μA以上で輝度Bは1x10A/cmsrを越え、やはり良い特性である。カソード半径:250μmの実線26はIeが1700μA以上で1x10A/cmsrを越え、カソード電流密度(点線)が小さいことを考慮すれば良い特性である。カソード半径50μmの実線21は輝度がIeの減少関数であり、良くない。またカソード半径300μmの実線21は輝度が小さく良くない。
結局、カソード半径は75から250μmで良く、100から200μmで更に良く、150〜200μmが最適である。
A typical simulation result with the electron gun in the model of FIG. 1 is shown in FIG. Anode voltage: 50 kV, cathode: 0 V, electron gun current: Ie was changed by changing the Wehnelt voltage. Electron gun current: Brightness B was changed by changing Ie. As with normal electron gun characteristics, the horizontal axis represents the electron gun current Ie, and the vertical axis represents the brightness B, emittance E, and cathode current density Jc as three curves.
In FIG. 2, the horizontal axis represents the electron gun current Ie (μA), and the vertical axis represents the luminance B (× 10 5 A / cm 2 sr), emittance E (μmmrad), and cathode current density Jc (A / cm 2 ). In FIG. 1, the distance between the cathode and the anode electrode: Dac is 17 mm. The half angle of the Wehnelt cone: θw is 74.3 degrees, and this is the result of changing the cathode radius: Rc.
Curve 21 is cathode radius 50 μm, curve 22 is cathode radius 75 μm, curve 23 is cathode radius 100 μm, curve 24 is cathode radius 150 μm, curve 25 is 200 μm, curve 26 is cathode radius 250 μm, and curve 27 is cathode radius 300 μm. Is the case. The solid line is the luminance, the broken line is the emittance, and the dotted line is the cathode current density characteristic.
The luminance of 24 solid lines corresponding to the cathode radius Rc of 150 μm is a monotonically increasing function of the electron gun current in the range of 3 × 10 5 A / cm 2 sr to 6.7 × 10 6 A / cm 2 sr, which is an ideal characteristic. The emittance E indicated by the broken line 24 is 40 to 14 (μmmrad) and is maintained at 10 (μmmrad) or more. Dotted cathode current density: Jc is 1.8 to 8.1 A / cm 2, which is a low value. Curves 23 and 24 are optimal, i.e. the cathode radius is optimally 150-200 [mu] m. The solid line 22 is a good characteristic because Ie is 800 μA or more and the luminance B exceeds 1 × 10 6 A / cm 2 sr. The solid line 25 is also a good characteristic because the electron gun current Ie is 650 μA or more and the luminance B exceeds 1 × 10 6 A / cm 2 sr. The solid line 26 having a cathode radius of 250 μm is a characteristic that takes into account that Ie is 1700 μA or more and exceeds 1 × 10 6 A / cm 2 sr and the cathode current density (dotted line) is small. The solid line 21 having a cathode radius of 50 μm is not good because the luminance is a decreasing function of Ie. The solid line 21 having a cathode radius of 300 μm is not good because the luminance is small.
Eventually, the cathode radius may be 75 to 250 μm, more preferably 100 to 200 μm, and most preferably 150 to 200 μm.

図3は図2の計算結果から横軸を輝度B、縦軸をエミッタンスEあるいはカソード電流密度Jcで表示した図である。これは輝度とエミッタンスの関係(破線)や輝度とカソード電流密度(実線)との関係がすぐに分かる様にこの様な表示をした。輝度―エミッタンス曲線では、図の右あるいは上の曲線の性能が良く、輝度―カソード電流密度特性では図の右、あるいは下の曲線が高性能である。
曲線31、32、33、34、35、36,及び37はそれぞれカソード半径が50, 75, 100, 150, 200、250、300μmに対応する。直線30はビームエネルギーが50 keV でのLangmuir 限界で、従来の理論ではこの直線の右側には輝度―カソード電流密度曲線(実線)は存在しない。実線37(カソード半径300μm)以外は直線30の右側に実線があり、Langmuir 限界を越えている。破線を見れば、32と33のみ高輝度でエミッタンスが10μmmradより小さくなっている以外は10μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。エミッタンスが10μmmrad より小さくな場合も3μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。
FIG. 3 is a diagram in which the horizontal axis represents the luminance B and the vertical axis represents the emittance E or the cathode current density Jc from the calculation result of FIG. This was displayed in such a way that the relationship between luminance and emittance (broken line) and the relationship between luminance and cathode current density (solid line) can be understood immediately. In the luminance-emittance curve, the performance of the right or upper curve is good, and in the luminance-cathode current density characteristic, the right or lower curve of the graph shows high performance.
Curves 31, 32, 33, 34, 35, 36 and 37 correspond to cathode radii of 50, 75, 100, 150, 200, 250 and 300 μm, respectively. The straight line 30 is the Langmuir limit at a beam energy of 50 keV. According to the conventional theory, there is no luminance-cathode current density curve (solid line) on the right side of this line. There is a solid line on the right side of the straight line 30 except for the solid line 37 (cathode radius 300 μm), which exceeds the Langmuir limit. Looking at the broken line, it can be seen that only 32 and 33 have high brightness and emittance is smaller than 10 μmmrad, and the characteristic is good because it exceeds 10 μmmrad. Even when the emittance is smaller than 10 μmmrad, it is larger than 3 μmmrad, so there is no problem for the variable shaped beam.

図4は、カソード・アノード間距離: Dacを変化させた結果である。ウエーネルト円錐の半角: θw は74.3度であり、カソード半径: Rcは150μmに固定させた。
曲線41,42,43,44,45,46、及び47はそれぞれカソード・アノード間距離: Dacが11,13,15,17,19,21、及び23mmである。図2と同様で、実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。実線を比較すれば、曲線43と44は非常に広い電子銃電流Ieで大きい輝度を与え、最適である。実線42は電子銃電流Ieの大きい場合、輝度が43や44に少し劣るが良い特性である。逆に実線45はIeの小さい場合、輝度が43や44に少し劣るがやはり良い特性である。実線41はIeの大きい場合、輝度が実線43や44に劣るが使用可能な特性である。逆に実線46はIeの小さい場合、輝度が実線43や44に劣るがやはり使用可能な特性である。実線47はIeが1100μAでやっと1x10A/cm2srに達するので良くない。従って、カソード・アノード間距離: Dacに関しては、11〜21mmの範囲で使用可能であり、13から19mmでは良い特性を示し、15から17mmが最適である。カソード電流密度(点線)はDacが11mm(点線41)では、やや大きく、他はほとんど差が無い。エミッタンス(破線)はDacが21mmの高輝度条件で10μmmradより小さくなるが、3μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は10μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
FIG. 4 shows the result of changing the cathode-anode distance: Dac. The half angle of the Wehnelt cone: θw was 74.3 degrees, and the cathode radius: Rc was fixed at 150 μm.
Curves 41, 42, 43, 44, 45, 46, and 47 have cathode-anode distances Dac of 11, 13, 15, 17, 19, 21, and 23 mm, respectively. As in FIG. 2, the solid line is the luminance, the broken line is the emittance, and the dotted line is the cathode current density. Comparing the solid lines, curves 43 and 44 are optimal because they give a large brightness with a very wide electron gun current Ie. The solid line 42 is a good characteristic when the electron gun current Ie is large but the luminance is slightly inferior to 43 and 44. On the contrary, the solid line 45 is a good characteristic when the Ie is small, although the luminance is slightly inferior to 43 and 44. The solid line 41 is a usable characteristic when Ie is large, although the luminance is inferior to the solid lines 43 and 44. On the contrary, the solid line 46 is a characteristic that can be used even though the luminance is inferior to the solid lines 43 and 44 when Ie is small. The solid line 47 is not good because Ie reaches 1 × 10 6 A / cm 2 sr at 1100 μA. Accordingly, the cathode-anode distance: Dac can be used within a range of 11 to 21 mm, and good characteristics are exhibited at 13 to 19 mm, and 15 to 17 mm is optimal. The cathode current density (dotted line) is slightly large when Dac is 11 mm (dotted line 41), and there is almost no difference in others. The emittance (dashed line) is smaller than 10 μmmrad under the high brightness condition of Dac of 21 mm, but is larger than 3 μmmrad, so there is no problem for the variable shaped beam. Except for this condition, it exceeds 10 μmmrad, so it can be seen that the characteristics are good.

図5は図4の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。50はビームエネルギーが50 keV でのLangmuir 限界である。曲線51,52,53,54,55,56、及び57はそれぞれカソード・アノード間距離: Dacが11,13,15,17,19,21、及び23mmである。実線は全てどこかで直線50の右側にあり、Langmuir 限界を越えている。破線を見れば、55と56のみ高輝度でエミッタンスが10μmmrad より小さくなるが、3μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は10μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。   FIG. 5 is a diagram showing the calculation result of FIG. 4 with the horizontal axis representing luminance and the vertical axis representing emittance or cathode current density. The solid line is the luminance-cathode current density curve, and the broken line is the luminance-emittance curve. 50 is the Langmuir limit at a beam energy of 50 keV. Curves 51, 52, 53, 54, 55, 56, and 57 are cathode-anode distances: Dac of 11, 13, 15, 17, 19, 21, and 23 mm, respectively. All the solid lines are somewhere on the right side of the straight line 50, exceeding the Langmuir limit. Looking at the broken line, only 55 and 56 have high brightness and emittance is smaller than 10 μmmrad, but since it is larger than 3 μmmrad, there is no problem for the variable shaped beam. Except for this condition, it exceeds 10 μmmrad, so it can be seen that the characteristics are good.

図6は、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmに固定、カソード半径: Rcを150μmに固定し、ウエーネルト円錐の半角: θw を変化させた結果である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。曲線61、62、63、64,65,66,67,68はウエーネルト円錐の半角: θwがそれぞれ59.3, 63.9, 68.9, 74.3, 80, 85.8, 90及び95.9度である。θwが90度は平面ウエーネルトであり、95.9度はアノード側から見て凸型ウエーネルトであり、その他はアノード側から見て凹型ウエーネルトである。図4と同様で、実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。
実線を比較すれば、曲線63、64と65は非常に広い電子銃電流で大きい輝度を与え、最適である。実線62は、輝度が実線63、64や65に少し劣るが良い特性である。実線66は電子銃電流Ieの小さい場合、輝度が63、64や65に少し劣るがやはり良い特性である。実線61は輝度が小さく良くない。曲線67はIeの小さい場合、輝度が実線63や64に劣るがIeの増加関数であり使用可能な特性である。68はIeが1700μAでも2x10A/cm2srに達しないので良くない。
従って、ウエーネルト円錐の半角: θw に関しては、63.9〜90度の範囲で使用可能であり、63.9から85.8度では良い特性を示し、68.9から85.8度が最適である。カソード電流密度(点線)はウエーネルト円錐の半角: θw が小さい場合は小さく、ウエーネルト円錐の半角: θw が大きいと、同じIeで大きくなる。エミッタンス(破線)はウエーネルト円錐の半角: θw が63.9,85.8度の高輝度条件でのみ10μmmradより小さくなるが、3μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は10μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
図7は図6の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。70はビームエネルギーが50 keV Tcが1700KでのLangmuir 限界である。曲線71,72,73,74,75,76、77及び78はそれぞれウエーネルト円錐の半角: θw が59.3, 63.9, 68.9, 74.3, 80, 85.8, 90,及び95.9度である。θwが90度は平面ウエーネルトであり、95.9度はアノード側から見て凸型ウエーネルトであり、その他はアノード側から見て凹型ウエーネルトである。図4と同様で、実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。
実線は全てどこかで直線50の右側にあり、Langmuir 限界を越えている。破線を見れば、76と77のみ高輝度でエミッタンスが10μmmrad より小さいが、3μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は10μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
FIG. 6 shows the results when the cathode-anode electrode distance: Dac is fixed at 17 mm, the cathode radius: Rc is fixed at 150 μm, and the Wehnelt cone half angle: θw is changed. The solid line is the luminance, the broken line is the emittance, and the dotted line is the cathode current density. Curves 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, and 68 are Wehnelt cone half angles: θw are 59.3, 63.9, 68.9, 74.3, 80, 85.8, 90, and 95.9 degrees, respectively. When θw is 90 degrees, it is a planar Wehnelt, 95.9 degrees is a convex Wehnelt as viewed from the anode side, and the other is a recessed Wehnelt as viewed from the anode side. As in FIG. 4, the solid line is the luminance, the broken line is the emittance, and the dotted line is the cathode current density.
Comparing the solid lines, the curves 63, 64 and 65 are optimal because they give a large brightness with a very wide electron gun current. The solid line 62 is a good characteristic although the luminance is slightly inferior to the solid lines 63, 64 and 65. The solid line 66 is still a good characteristic when the electron gun current Ie is small, but the luminance is slightly inferior to 63, 64 or 65. The solid line 61 has a low luminance and is not good. The curve 67 is a characteristic that can be used as an increasing function of Ie, although the luminance is inferior to the solid lines 63 and 64 when Ie is small. 68 is not good because Ie does not reach 2 × 10 6 A / cm 2 sr even at 1700 μA.
Therefore, the half angle of the Wehnelt cone: θw can be used in the range of 63.9 to 90 degrees, 63.9 to 85.8 degrees shows good characteristics, and 68.9 to 85.8 degrees is optimal. The cathode current density (dotted line) is small when the half-angle of Wehnelt cone: θw is small, and increases at the same Ie when the half-angle of Wehnelt cone: θw is large. The emittance (dashed line) is less than 10 μmmrad only under high brightness conditions where the Wehnelt cone half-angle: θw is 63.9, 85.8 degrees, but is larger than 3 μmmrad, so there is no problem for a variable shaped beam. Except for this condition, it exceeds 10 μmmrad, so it can be seen that the characteristics are good.
FIG. 7 is a diagram showing the calculation result of FIG. 6 with the horizontal axis representing luminance and the vertical axis representing emittance or cathode current density. The solid line is the luminance-cathode current density curve, and the broken line is the luminance-emittance curve. 70 is the Langmuir limit at a beam energy of 50 keV Tc of 1700K. Curves 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77 and 78 are Wehnelt cone half angles: θw are 59.3, 63.9, 68.9, 74.3, 80, 85.8, 90 and 95.9 degrees, respectively. A θw of 90 degrees is a planar Wehnelt, 95.9 degrees is a convex Wehnelt as viewed from the anode side, and the other is a concave Wehnelt as viewed from the anode side. As in FIG. 4, the solid line is the luminance, the broken line is the emittance, and the dotted line is the cathode current density.
All the solid lines are somewhere on the right side of the straight line 50, exceeding the Langmuir limit. As can be seen from the broken line, only 76 and 77 have high brightness and emittance is smaller than 10 μmmrad, but since it is larger than 3 μmmrad, there is no problem for the variable shaped beam. Except for this condition, it exceeds 10 μmmrad, so it can be seen that the characteristics are good.

図8は、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmに固定、カソード半径: Rcを150μmに固定し、ウエーネルト円錐の半角: θw を74.3度に固定し、カソード温度を変化させた結果である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線(2本以上が重なっている場合は実線に見える)はカソード電流密度である。曲線81、82、83、84,85はカソード温度Tcがそれぞれ1600, 1620, 1640, 1660及び1680度Kである。カソード温度Tcが1600度KではIeが680μA、1620度KではIeが1060μA、1640度KではIeが1850μA、1660度KではIeが2550μAまで空間電荷制限条件であるのが実線の輝度特性あるいは点線のカソード電流密度特性から判る。
実線を見れば、輝度が3.1x10A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は1600K以下で良く、輝度が4.7x10A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は1620K以下で良く、輝度が6.6x10A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は1640K以下で良く、輝度が8.5x10A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は1660K以下で良く、この様な低いカソード温度でCeBixカソードを使用した場合非常に長寿命のカソードが得られる。
以上の結果を実用の輝度範囲で纏めると、50keVのビームエネルギーで輝度が3x10〜3.1x10A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は1600K以下で良く、輝度が1x10〜4.7x10A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は1620K以下で良く、輝度が2x10〜6.6x10A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は1640K以下で良く、輝度が3x10〜8.5x10A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は1660K以下で使用可能である。
図9は図8の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。直線90はビームエネルギーが50 keV カソード温度:Tcが1700KでのLangmuir 限界である。曲線91,92,93,94及び95はカソード温度Tcがそれぞれ1600, 1620, 1640, 1660及び1680度Kである。表示されたすべての条件でLangmuir 限界を越えている。塊になった実線から外れている部分は空間電荷制限条件を外れているので好ましくない。エミッタンスは10mradμmを越えているので問題はない。
Fig. 8 shows the result of changing the cathode temperature with cathode-anode electrode distance: Dac fixed at 17 mm, cathode radius: Rc fixed at 150 μm, Wehnelt cone half-angle: θw fixed at 74.3 degrees It is. The solid line is the luminance, the broken line is the emittance, and the dotted line (which appears as a solid line when two or more lines overlap) is the cathode current density. Curves 81, 82, 83, 84, and 85 have cathode temperatures Tc of 1600, 1620, 1640, 1660, and 1680 degrees K, respectively. When the cathode temperature Tc is 1600 degrees K, Ie is 680 μA, at 1620 degrees K, Ie is 1060 μA, at 1640 degrees K, Ie is 1850 μA, and at 1660 degrees K, the space charge limit condition is up to 2550 μA. It can be seen from the cathode current density characteristics.
As seen from the solid line, when the luminance is 3.1 × 10 6 A / cm 2 sr or less, the cathode temperature may be 1600K or less, and when the luminance is 4.7 × 10 6 A / cm 2 sr or less, the cathode temperature is 1620K or less. When the luminance is 6.6 × 10 6 A / cm 2 sr or less, the cathode temperature may be 1640K or less, and when the luminance is 8.5 × 10 6 A / cm 2 sr or less, the cathode temperature may be 1660K or less. the cathode of very long life when using CeB ix cathode in such a low cathode temperatures.
Summarizing the above results in a practical luminance range, when the luminance is in the range of 3 × 10 5 to 3.1 × 10 6 A / cm 2 sr with a beam energy of 50 keV, the cathode temperature may be 1600 K or less and the luminance is 1 × 10 6. ~4.7X10 6 If the range of a / cm 2 sr, the cathode temperature may hereinafter 1620K, when the brightness is in the range of 2x10 6 ~6.6x10 6 a / cm 2 sr , the cathode temperature 1640K well below when the brightness is in the range of 3x10 6 ~8.5x10 6 a / cm 2 sr , the cathode temperature can be used in the following 1660K.
FIG. 9 is a diagram in which the horizontal axis represents luminance and the vertical axis represents emittance or cathode current density from the calculation results of FIG. The solid line is the luminance-cathode current density curve, and the broken line is the luminance-emittance curve. The straight line 90 is the Langmuir limit when the beam energy is 50 keV and the cathode temperature Tc is 1700K. Curves 91, 92, 93, 94 and 95 have cathode temperatures Tc of 1600, 1620, 1640, 1660 and 1680 degrees K, respectively. The Langmuir limit is exceeded in all the displayed conditions. The portion deviating from the solid line that is a lump is not preferable because it is outside the space charge limiting condition. There is no problem because the emittance exceeds 10 mradμm.

図10は加速電圧30kVで、カソード・アノード電極間距離: Dacを変化させた結果である。ウエーネルト円錐の半角: θwは78.2度に固定、カソード半径: Rcを150μmに固定した。 実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。曲線10、11、12、13、14,15,16,及び17はカソード・アノード電極間距離: Dacはそれぞれ10、13、15、17、19、21、23及び25mmである。
実線を比較すれば、曲線12と13は非常に広い電子銃電流Ieで大きい輝度を与え、最適である。実線11は、輝度が実線12や13に少し劣るが良い特性である。実線14はIeの小さい場合、輝度が実線12や13に少し劣るがやはり良い特性である。実線10は輝度が小さく良くない。曲線15はIeの小さい場合、輝度が12や13に劣るがIeの増加関数であり使用可能な特性である。実線16はIeが1400μAでやっと1x10A/cm2srに達するのみで良くない。17は全く良くない。
従って、カソード・アノード間距離: Dacに関しては、50kVの場合と同じく13〜21mmの範囲で使用可能であり、13から19mmでは良い特性を示し、15から17mmが最適である。カソード電流密度(点線)はDacが10mmでは、やや大きく、他はほとんど差が無い。エミッタンス(破線)はDacが21mmの場合部分的にのみ10μmmradより小さくなるのと、Dacが17mmの場合、高輝度条件で10μmmradより小さくなるが、3μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は10μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
FIG. 10 shows the result of changing the cathode-anode electrode distance: Dac at an acceleration voltage of 30 kV. Half angle of Wehnelt cone: θw was fixed at 78.2 degrees, cathode radius: Rc was fixed at 150 μm. The solid line is the luminance, the broken line is the emittance, and the dotted line is the cathode current density. Curves 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17 are cathode-anode electrode distances: Dac is 10, 13, 15, 17, 19, 21, 23, and 25 mm, respectively.
Comparing the solid lines, the curves 12 and 13 are optimal because they give a large brightness with a very wide electron gun current Ie. The solid line 11 is a good characteristic although the luminance is slightly inferior to the solid lines 12 and 13. When the solid line 14 has a small Ie, the luminance is slightly inferior to that of the solid lines 12 and 13, but it is still a good characteristic. The solid line 10 has a low luminance and is not good. The curve 15 is a characteristic that can be used as an increase function of Ie although the luminance is inferior to 12 or 13 when Ie is small. The solid line 16 only needs to reach 1 × 10 6 A / cm 2 sr when Ie is 1400 μA. 17 is not good at all.
Accordingly, the cathode-anode distance: Dac can be used in the range of 13 to 21 mm as in the case of 50 kV, and good characteristics are exhibited at 13 to 19 mm, and 15 to 17 mm is optimal. The cathode current density (dotted line) is slightly large when Dac is 10 mm, and there is almost no difference in others. The emittance (dashed line) is only partially smaller than 10 μmmrad when Dac is 21 mm, and smaller than 10 μmmrad under high brightness conditions when Dac is 17 mm, but is larger than 3 μmmrad, so there is no problem for variable shaped beams. . Except for this condition, it exceeds 10 μmmrad, so it can be seen that the characteristics are good.

図11は加速電圧100kVでの電子銃モデルである。アノード117に100kV,引き出し電極115に50kVを印加する条件にした。111はカソード、112はウエーネルト、114は電子銃室、116は光軸である。この様な引き出し電極を用いることによりカソード・アノード間の放電の心配を回避し、しかも50kVでの特性をほぼ有効利用できる。
図11のモデルでの電子銃での代表的なシミュレーション結果を図12に示した。アノード電圧:100 kV, カソード:0V, ウエーネルト電圧を変えて電子銃電流を変化させた。電子銃電流を変えて輝度を変化させた。通常の電子銃特性の表示と同じく横軸を電子銃電流にし、縦軸に輝度とエミッタンスとカソード電流密度を3本の曲線で表示している。
図12で横軸は電子銃電流Ie(μA), 縦軸は輝度B(10A/cmsr),エミッタンスE(μmmrad)、及びカソード電流密度Jc(A/cm)である。図12で、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmである。ウエーネルト円錐の半角: θw は74.3度であり、カソード半径: Rcを変化させた結果である。
曲線121はカソード半径50μm、曲線122はカソード半径75μm、曲線123は、カソード半径100μm、曲線124はカソード半径150μm、曲線125はカソード半径200μm、そして曲線126はカソード半径250μmの場合である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度特性である。
カソード半径Rcが150μmに対応する124の実線の輝度は6.8x105 A/cm2srから8x106 A/cm2srの範囲で電子銃電流の単調増加関数になり、理想的な特性である。124の破線のエミッタンスは54〜19(μmmrad)で10(μmmrad)以上を保っている。点線のカソード電流密度: Jcは2〜9.1A/cmであり、低い値である。曲線123と124は最適である、即ちカソード半径は150〜200μmが最適である。実線122は輝度が少し高めだが条件によっては使用可能である。実線125も電子銃電流Ieが220μA以上で1x10A/cmsrを越え、やはり使用可能である。カソード半径:250μmの実線126は電子銃電流Ieが920μA以上で輝度Bが1x10A/cmsrを越え、カソード電流密度(点線)が小さいことを考慮すれば良い特性である。カソード半径:Rcが50μmの実線121は輝度がIeの減少関数になる条件があり、良くない。
結局、100kVの場合も、50kVの場合と同様、カソード半径は75から250μmで使用可能で、100から200μmで良く、150〜200μmが最適である。
FIG. 11 shows an electron gun model at an acceleration voltage of 100 kV. The conditions were such that 100 kV was applied to the anode 117 and 50 kV was applied to the extraction electrode 115. 111 is a cathode, 112 is Wehnelt, 114 is an electron gun chamber, and 116 is an optical axis. By using such an extraction electrode, it is possible to avoid worrying about the discharge between the cathode and the anode and to effectively use the characteristics at 50 kV.
A typical simulation result with the electron gun in the model of FIG. 11 is shown in FIG. The electron gun current was changed by changing the anode voltage: 100 kV, the cathode: 0 V, and the Wehnelt voltage. The brightness was changed by changing the electron gun current. As with normal electron gun characteristics, the horizontal axis represents electron gun current, and the vertical axis represents brightness, emittance, and cathode current density as three curves.
In FIG. 12, the horizontal axis represents electron gun current Ie (μA), and the vertical axis represents luminance B (10 5 A / cm 2 sr), emittance E (μmmrad), and cathode current density Jc (A / cm 2 ). In FIG. 12, the distance between the cathode and anode electrodes: Dac is 17 mm. The half angle of the Wehnelt cone: θw is 74.3 degrees, and this is the result of changing the cathode radius: Rc.
Curve 121 is cathode radius 50 μm, curve 122 is cathode radius 75 μm, curve 123 is cathode radius 100 μm, curve 124 is cathode radius 150 μm, curve 125 is cathode radius 200 μm, and curve 126 is cathode radius 250 μm. The solid line is the luminance, the broken line is the emittance, and the dotted line is the cathode current density characteristic.
The luminance of the 124 solid line corresponding to the cathode radius Rc of 150 μm becomes a monotonically increasing function of the electron gun current in the range of 6.8 × 10 5 A / cm 2 sr to 8 × 10 6 A / cm 2 sr, which is an ideal characteristic. The emittance of the broken line 124 is 54 to 19 (μmmrad) and is maintained at 10 (μmmrad) or more. Dotted cathode current density: Jc is 2 to 9.1 A / cm 2, which is a low value. Curves 123 and 124 are optimal, i.e., the cathode radius is optimally 150-200 [mu] m. The solid line 122 has a slightly higher luminance but can be used depending on conditions. The solid line 125 can also be used because the electron gun current Ie exceeds 220 μA and exceeds 1 × 10 6 A / cm 2 sr. The solid line 126 having a cathode radius of 250 μm is a characteristic that takes into account that the electron gun current Ie is 920 μA or more, the luminance B exceeds 1 × 10 6 A / cm 2 sr, and the cathode current density (dotted line) is small. The solid line 121 having a cathode radius Rc of 50 μm is not good because there is a condition that the luminance becomes a decreasing function of Ie.
Eventually, in the case of 100 kV, as in the case of 50 kV, the cathode radius can be used from 75 to 250 μm, 100 to 200 μm may be used, and 150 to 200 μm is optimal.

図13は図12の計算結果から横軸を輝度B、縦軸をエミッタンスEあるいはカソード電流密度Jcで表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。直線130はビームエネルギーが100 keV , Tcが1700KでのLangmuir 限界である。曲線131,132,133,134及び135はカソード半径Rcがそれぞれ50, 75, 100, 150, 200, 及び250μmである。表示されたすべての実線はどこかの条件でLangmuir 限界を越えている。エミッタンスは大部分の条件で10mradμmを越えているので良い特性である。   FIG. 13 is a diagram in which the horizontal axis represents luminance B and the vertical axis represents emittance E or cathode current density Jc from the calculation results of FIG. The solid line is the luminance-cathode current density curve, and the broken line is the luminance-emittance curve. The straight line 130 is the Langmuir limit when the beam energy is 100 keV and Tc is 1700K. Curves 131, 132, 133, 134, and 135 have cathode radii Rc of 50, 75, 100, 150, 200, and 250 μm, respectively. All displayed solid lines exceed the Langmuir limit in some conditions. The emittance is good because it exceeds 10 mradμm under most conditions.

図14は、カソード材料をCeBixからLaB6に変えた場合である。カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmに固定、カソード半径: Rcを150μm、ウエーネルト円錐の半角: θw を74.3度に固定し、カソード温度:Tcを変化させた結果である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。曲線140、141、142, 143、144, 145及び146はカソード温度Tcがそれぞれ1680, 1700, 1720, 1740, 1760, 1780及び1800度Kである。カソード温度Tcが1680度Kでは電子銃電流Ieが150μA、1700度Kでは電子銃電流Ieが200μA、1720Kでは電子銃電流Ieが400μA,1740度Kでは電子銃電流Ieが600μA、1760度Kでは電子銃電流Ieが900μA, 1780Kでは電子銃電流1200μAまで空間電荷制限条件であるのが点線のカソード電流密度特性から判る。
実線を見れば、輝度が1x10A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は1720K以下で良く、輝度が2x10A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は1740K以下で良く、輝度が4x10A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は1780K以下で良く、輝度が6x10A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は1800K以下で良く、LaB6カソードでも比較的低いカソード温度で使えるので長寿命のカソードが得られる。
以上の結果を実用の輝度範囲で纏めると、LaB6カソードを用い、50keVのビームエネルギーで輝度が2x10〜1x10A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は1720K以下で良く、輝度が5x10〜2x10A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は1740K以下で良く、輝度が1x10〜4x10A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は1780K以下で良く、輝度が2x10〜6x10A/cm2sr以下の範囲の場合は、カソード温度は1800K以下で使用できる。
図15は図14の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。150はビームエネルギーが50 keV、カソード温度1800K でのLangmuir 限界である。曲線151,152,153,154,155,156及び157はカソード温度Tcがそれぞれ1680, 1700, 1720, 1740, 1760, 1780及び1800度Kである。表示されたすべての条件でLangmuir 限界を越えている。塊になった実線から外れている部分は空間電荷制限条件を外れているので好ましくない。エミッタンスは10mradμmを越えているので問題はない。
FIG. 14 shows a case where the cathode material is changed from CeBix to LaB6. The distance between cathode and anode electrode: Dac is fixed at 17 mm, cathode radius: Rc is 150 μm, half-angle of Wehnelt cone: θw is fixed at 74.3 degrees, and cathode temperature: Tc is changed. The solid line is the luminance, the broken line is the emittance, and the dotted line is the cathode current density. Curves 140, 141, 142, 143, 144, 145 and 146 have cathode temperatures Tc of 1680, 1700, 1720, 1740, 1760, 1780 and 1800 degrees K, respectively. When the cathode temperature Tc is 1680 degrees K, the electron gun current Ie is 150 μA, when 1700 degrees K, the electron gun current Ie is 200 μA, when 1720 K, the electron gun current Ie is 400 μA, and when 1740 degrees K, the electron gun current Ie is 600 μA, 1760 degrees K. When the electron gun current Ie is 900 μA and 1780 K, it can be seen from the cathode current density characteristic of the dotted line that the space charge limiting condition is up to the electron gun current of 1200 μA.
From the solid line, when the luminance is 1 × 10 6 A / cm 2 sr or less, the cathode temperature may be 1720K or less, and when the luminance is 2 × 10 6 A / cm 2 sr or less, the cathode temperature may be 1740K or less. Is 4780 A / cm 2 sr or less, the cathode temperature may be 1780 K or less, and if the brightness is 6 × 10 6 A / cm 2 sr or less, the cathode temperature may be 1800 K or less, even with a LaB6 cathode at a relatively low cathode temperature. Since it can be used, a long-life cathode can be obtained.
The above results are summarized in a practical luminance range. When a LaB6 cathode is used and the luminance is in the range of 2 × 10 5 to 1 × 10 6 A / cm 2 sr with a beam energy of 50 keV, the cathode temperature may be 1720K or less, and the luminance is In the case of the range of 5 × 10 5 to 2 × 10 6 A / cm 2 sr, the cathode temperature may be 1740K or less, and in the case where the luminance is in the range of 1 × 10 6 to 4 × 10 6 A / cm 2 sr, the cathode temperature may be 1780K or less. When the luminance is in the range of 2 × 10 6 to 6 × 10 6 A / cm 2 sr or less, the cathode temperature can be used at 1800 K or less.
FIG. 15 is a diagram in which the horizontal axis represents luminance and the vertical axis represents emittance or cathode current density from the calculation results of FIG. The solid line is the luminance-cathode current density curve, and the broken line is the luminance-emittance curve. 150 is the Langmuir limit at a beam energy of 50 keV and a cathode temperature of 1800K. Curves 151, 152, 153, 154, 155, 156 and 157 have cathode temperatures Tc of 1680, 1700, 1720, 1740, 1760, 1780 and 1800 degrees K, respectively. The Langmuir limit is exceeded in all the displayed conditions. The portion deviating from the solid line that is a lump is not preferable because it is outside the space charge limiting condition. There is no problem because the emittance exceeds 10 mradμm.

以上纏めると、加速電圧が30から100kVの範囲で、電子線描画装置に用いられる電子銃であって、円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθwとし、カソード半径Rcをμmとし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
75 ≦ Rc ≦ 250,
11 ≦ Dac ≦ 21及び
62 ≦θw ≦ 90
の範囲内の値にすると良い。
In summary, an electron gun used in an electron beam lithography system with an acceleration voltage in the range of 30 to 100 kV, which has a circular cathode, an extraction electrode or an anode, and a Wehnelt electrode, and the Wehnelt electrode is a side surface of a truncated cone. The radius is small on the cathode side and large on the anode side, the half angle of the cone is θw, the cathode radius Rc is μm, and the distance between the cathode and the extraction electrode or the anode is Dac (mm). Time,
75 ≤ Rc ≤ 250,
11 ≤ Dac ≤ 21 and
62 ≦ θw ≦ 90
A value within the range is good.

上記手段において、
更に、カソード半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 200
の範囲内の値にすると更に良い。
In the above means,
Furthermore, the cathode radius Rc is
100 ≤ Rc ≤ 200
A value within the range is even better.

また、上記手段において
更に、半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 150
の範囲内の値にすると最高である。
Further, in the above means, the radius Rc is
100 ≤ Rc ≤ 150
A value within the range is best.

さらに、上記第1の手段において、
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
13 ≦ Dac ≦ 19
の範囲内の値にすると更に良い。
Furthermore, in the first means,
Furthermore, set the distance between the cathode and the extraction electrode or anode to Dac (mm).
13 ≤ Dac ≤ 19
A value within the range is even better.

また、上記手段において
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
15 ≦ Dac ≦ 17
の範囲内の値にすると最適である。
Further, in the above means, the distance between the cathode and the extraction electrode or anode is set to Dac (mm).
15 ≤ Dac ≤ 17
A value within the range is optimal.

また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θw(度)を
63.9 ≦θw ≦ 85.5
の範囲内の値にすると更に良い。
In the above means, the Wehnelt cone half angle θw (degrees) is further calculated.
63.9 ≦ θw ≦ 85.5
A value within the range is even better.

また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θw(度)を
68.9 ≦θw ≦ 80
の範囲内の値にすると最高である。
In the above means, the Wehnelt cone half angle θw (degrees) is further calculated.
68.9 ≦ θw ≦ 80
A value within the range is best.

CeBix カソードを用い、50keVのビームエネルギーで輝度が3x10〜3.1x10A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は1600K以下で良く、輝度が1x10〜4.7x10A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は1620K以下で良く、輝度が2x10〜6.6x10A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は1640K以下で良く、輝度が3x10〜8.5x10A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は1660K以下で使用可能である。この様な低いカソード温度でCeBixカソードを使用した場合非常に長寿命のカソードが得られる。 When the CeBix cathode is used and the brightness is in the range of 3 × 10 5 to 3.1 × 10 6 A / cm 2 sr with the beam energy of 50 keV, the cathode temperature may be 1600 K or less, and the brightness is 1 × 10 6 to 4.7 × 10 6 A / When it is in the range of cm 2 sr, the cathode temperature may be 1620K or less, and when the luminance is in the range of 2 × 10 6 to 6.6 × 10 6 A / cm 2 sr, the cathode temperature may be 1640K or less and the luminance is 3 × 10. In the range of 6 to 8.5 × 10 6 A / cm 2 sr, the cathode temperature can be used at 1660 K or less. When a CeB ix cathode is used at such a low cathode temperature, a very long-life cathode can be obtained.

LaB6カソードを用い、50keVのビームエネルギーで輝度が2x10〜1x10A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は1720K以下で良く、輝度が5x10〜2x10A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は1740K以下で良く、輝度が1x10〜4x10A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は1780K以下で良く、輝度が2x10〜6x10A/cm2sr以下の範囲の場合は、カソード温度は1800K以下で使用できる。LaB6カソードでも比較的低いカソード温度で使えるので長寿命のカソードが得られる。 Using LaB6 cathode, if the luminance at the beam energy of 50keV is in the range of 2x10 5 ~1x10 6 A / cm 2 sr, the cathode temperature may hereinafter 1720K, the range of brightness 5x10 5 ~2x10 6 A / cm 2 sr for the cathode temperature may hereinafter 1740K, if the range of brightness 1x10 6 ~4x10 6 a / cm 2 sr, the cathode temperature may hereinafter 1780K, brightness 2x10 6 ~6x10 6 a / cm 2 sr In the following ranges, the cathode temperature can be used at 1800K or less. A LaB6 cathode can be used at a relatively low cathode temperature, so a long-life cathode can be obtained.

以上、本発明に係る電子線装置の発明を実施するための最良の形態を説明したところから理解されるように、本発明は、輝度が大きく、同時にエミッタンスも大きい電子銃を利用可能にし、電子線描画装置用に適した電子銃が得られる。更に輝度が電子銃電流の単調増加関数になり、しかも電子銃電流の変化に対して輝度の変化量が小さいので安定動作が期待できる。最適輝度を選べるので空間電荷効果によるボケも小さくできる。
さらに、輝度はLangmuir Limit をこえるのでカソード電流密度を小さくできるので、長寿命の電子銃が得られる事が分かった。
As described above, as can be understood from the description of the best mode for carrying out the invention of the electron beam apparatus according to the present invention, the present invention makes it possible to use an electron gun having high luminance and high emittance, An electron gun suitable for a line drawing apparatus can be obtained. Further, since the luminance is a monotonically increasing function of the electron gun current and the amount of change in luminance is small with respect to the change in electron gun current, stable operation can be expected. Since the optimum brightness can be selected, the blur due to the space charge effect can be reduced.
Furthermore, since the luminance exceeds the Langmuir Limit, the cathode current density can be reduced, and it has been found that a long-life electron gun can be obtained.

本発明に係る電子銃のモデル図である。It is a model figure of the electron gun which concerns on this invention. 図1に示した電子銃でのカソード半径:Rcを変化させた場合のシミュレーション例である。It is an example of a simulation when the cathode radius: Rc in the electron gun shown in FIG. 1 is changed. 図2の結果を輝度(横軸)−エミッタンスあるいはカソード電流密度(縦軸)表示した図。The figure which displayed the result of FIG. 2 with brightness | luminance (horizontal axis)-emittance or cathode current density (vertical axis). 図1に示した電子銃でのカソードとアノード間距離Dacを変化させた場合のシミュレーション例である。It is a simulation example when the distance Dac between the cathode and the anode in the electron gun shown in FIG. 1 is changed. 図4の結果を輝度(横軸)−エミッタンスあるいはカソード電流密度(縦軸)表示した図である。FIG. 5 is a diagram in which the results of FIG. 4 are displayed in luminance (horizontal axis) -emittance or cathode current density (vertical axis). 図1に示した電子銃でのウエーネルト角:θwを変化させた場合のシミュレーション例である。It is a simulation example when the Wehnelt angle: θw in the electron gun shown in FIG. 1 is changed. 図6の結果を輝度(横軸)−エミッタンスあるいはカソード電流密度(縦軸)表示した図である。It is the figure which displayed the result of FIG. 6 with brightness | luminance (horizontal axis)-emittance or cathode current density (vertical axis). 図1に示した電子銃でのカソード温度:Tcを変化させた場合のシミュレーション例であり、カソードはCeBixである。This is a simulation example when the cathode temperature: Tc in the electron gun shown in FIG. 1 is changed, and the cathode is CeBix. 図8の結果を輝度(横軸)−エミッタンスあるいはカソード電流密度(縦軸)表示した図である。It is the figure which displayed the result of FIG. 8 with brightness | luminance (horizontal axis)-emittance or cathode current density (vertical axis). 図1に示した電子銃で、ビームエネルギー30keVでのカソードとアノード間距離Dacを変化させた場合のシミュレーション例である。This is a simulation example when the distance Dac between the cathode and the anode is changed at a beam energy of 30 keV with the electron gun shown in FIG. 本発明の引き出し電極を用いた他の実施の形態の電子銃モデルである。It is an electron gun model of other embodiments using the extraction electrode of the present invention. 図11に示した電子銃で、ビームエネルギー100keVでのカソード半径:Rcを変化させた場合のシミュレーション例である。12 is a simulation example in the case where the cathode radius: Rc is changed at a beam energy of 100 keV in the electron gun shown in FIG. 図12の結果を横軸に輝度、縦軸にエミッタンス及びカソード電流密度で表示した結果である。12 is a result of displaying the result of FIG. 12 by luminance on the horizontal axis and emittance and cathode current density on the vertical axis. 図1に示した電子銃でのカソード温度:Tcを変化させた場合のシミュレーション例であり、カソードはLaB6である。This is a simulation example when the cathode temperature: Tc in the electron gun shown in FIG. 1 is changed, and the cathode is LaB6. 図14の結果を横軸に輝度、縦軸にエミッタンス及びカソード電流密度で表示した結果である。The results of FIG. 14 are displayed with luminance on the horizontal axis and emittance and cathode current density on the vertical axis.

符号の説明Explanation of symbols

1,111:カソード、2、112:ウエーネルト、3:ウエーネルトの円筒部分、4,114:電子銃室、5:アノード、116、6:光軸、7,117:評価面、115:引き出し電極 1, 111: cathode, 2, 112: Wehnelt, 3: Wehnelt cylindrical portion, 4, 114: electron gun chamber, 5: anode, 116, 6: optical axis, 7, 117: evaluation surface, 115: extraction electrode

Claims (9)

加速電圧が30から100kVの範囲で、電子線描画装置に用いられる電子銃であって、円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθw(度)とし、カソード半径をRc(μm)とし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
75 ≦ Rc ≦ 250,
11 ≦ Dac ≦ 21及び
62 ≦θw ≦ 90
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
An electron gun used in an electron beam lithography apparatus having an acceleration voltage in a range of 30 to 100 kV, having a circular cathode, an extraction electrode or an anode, and a Wehnelt electrode, and the Wehnelt electrode has at least the shape of the side surface of the truncated cone The radius is small on the cathode side, large on the anode side, the half angle of the cone is θw (degrees), the cathode radius is Rc (μm), and the distance between the cathode and the extraction electrode or anode is Dac (mm). When
75 ≦ Rc ≦ 250,
11 ≦ Dac ≦ 21 and 62 ≦ θw ≦ 90
An electron gun characterized by a value within the range of.
請求項1に於いて、更に、カソード半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 200
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
2. The cathode radius Rc according to claim 1, wherein the cathode radius Rc is 100 ≦ Rc ≦ 200.
An electron gun characterized by a value within the range of.
請求項2に於いて、更に、半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 150
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
3. The radius Rc according to claim 2, wherein the radius Rc is 100 ≦ Rc ≦ 150.
An electron gun characterized by a value within the range of.
請求項1に於いて、更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離Dac (mm)が
13 ≦ Dac ≦ 19
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
2. The distance between the cathode and the extraction electrode or the anode Dac (mm) according to claim 1 is 13 ≦ Dac ≦ 19.
An electron gun characterized by a value within the range of.
請求項4に於いて、更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離Dac (mm)が
15 ≦ Dac ≦ 17
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
5. The distance between the cathode and the extraction electrode or the anode Dac (mm) according to claim 4, wherein 15 ≦ Dac ≦ 17
An electron gun characterized by a value within the range of.
請求項1に於いて、更に、上記ウエーネルト円錐の半角θw(度)が
63.9 ≦θw ≦ 85.5
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
2. The Wehnelt cone half angle θw (degree) according to claim 1, wherein 63.9 ≦ θw ≦ 85.5.
An electron gun characterized by a value within the range of.
請求項6に於いて、更に、上記ウエーネルト円錐の半角θw(度)が
68.9 ≦θw ≦ 80
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
In addition, the half angle θw (degree) of the Wehnelt cone is 68.9 ≦ θw ≦ 80.
An electron gun characterized by a value within the range of.
請求項1に於いて、CeBix カソードを用い、50keVのビームエネルギーで輝度が3x10〜3.1x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1600K以下、輝度が1x10〜4.7x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1620K以下、輝度が2x10〜6.6x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1640K以下、あるいは輝度が3x10〜8.5x10A/cm2srの場合は、カソード温度は1660K以下の値である事を特徴とする電子銃。 In claim 1, with CeBix cathode, if the luminance at the beam energy of 50keV is 3x10 5 ~3.1x10 6 A / cm 2 sr, the cathode temperature is 1600K or less, the luminance is 1x10 6 ~4.7x10 6 In the case of A / cm 2 sr, the cathode temperature is 1620 K or less, and in the case of luminance 2 × 10 6 to 6.6 × 10 6 A / cm 2 sr, the cathode temperature is 1640 K or less, or the luminance is 3 × 10 6 to 8.5 × 10 6 A. In the case of / cm 2 sr, the cathode temperature is a value of 1660K or less. 請求項1に於いて、LaB6カソードを用い、50keVのビームエネルギーで輝度が2x10〜1x10A/cm2srの場合のカソード温度は1720K以下、輝度が5x10〜2x10A/cm2srの場合のカソード温度は1740K以下、輝度が1x10〜4x10A/cm2srの場合のカソード温度は1780K以下、あるいは輝度が2x10〜6x10A/cm2sr以下の場合のカソード温度は1800K以下の値である事を特徴とする電子銃。
In claim 1, with a LaB6 cathode, the cathode temperature when the luminance with a beam energy of 50keV is 2x10 5 ~1x10 6 A / cm 2 sr is 1720K or less, the luminance is 5x10 5 ~2x10 6 A / cm 2 sr the cathode temperature is 1740K in the following cases, the cathode temperature when the luminance is 1x10 6 ~4x10 6 a / cm 2 sr is 1780K or less, or the cathode temperature when the luminance is less than 2x10 6 ~6x10 6 a / cm 2 sr are An electron gun having a value of 1800K or less.
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