JP2009508303A

JP2009508303A - 電子銃に用いる電子ビーム源

Info

Publication number: JP2009508303A
Application number: JP2008530020A
Authority: JP
Inventors: スティーヴンティー．コイル，; マイケルアール．シェインフェイン，; ウィリアムジェイ．デヴォアー，
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2005-09-10
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2009-02-26
Also published as: EP1941527A4; WO2007030819A2; US7372195B2; WO2007030819A3; KR20080048528A; EP1941527A2; US20070057617A1

Abstract

電子銃に用いる電子ビーム源。電子ビーム源は先端に端部を有するエミッタを含む。エミッタは電子ビームを生成するように構成される。電子ビーム源は、エミッタの先端が抑制電極から突出し、引出し電極がエミッタの先端に隣接して配置されるようにエミッタを横方向に包囲するサップレッサ電極をさらに含む。引出し電極は、磁界が電子ビームの軸と同心の磁気ディスクを含む。
【選択図】図４

Description

発明の背景

発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般に、電子銃（電子源）に関し、特に、たとえば、電子ビームリソグラフィまたは電子顕微鏡法に使用されうる電子銃に関する。

関連技術の説明

[0002]電子ビームカラムは、たとえば、電子ビームに敏感なレジストを一般的に塗布した基板にパターンを描画する電子ビームリソグラフィ用として周知である。露光されたレジストの次の段階では、エッチングなどの工程用のパターンとして後で使用可能なレジストのパターンを画成する。電子ビームカラムは、結像面と薄いサンプル用の電子顕微鏡法においても使用される。電子顕微鏡法およびリソグラフィ用の従来の電子ビームカラムは、周知であり、一般に電子ビームを生成するための電子エミッタを有する電子銃を含む。電子銃からのビームは、走査プローブを生成したり、一連の電子ビームレンズ（電子ビームレンズは電磁型または静電型とすることができる）を使ってサンプルやアパーチャーを照射したりするのに使用することができる。

[0003]電子ビームカラムは、一般に、ショットキーエミッション電子銃または電界放射銃などの電子源を含み、これらは、通常、エミッタ（カソード）、電子ビームを集光する静電前段加速器レンズ、およびターゲットへの光源アパーチャーまたはサンプルに繰り返し集光して描画する一連のレンズを含む。

[0004]ショットキー電子源を使って小さいスポットに集光される非常に大きいビーム電流を得ることは一般に困難であった。こうした電子源ではエミッタの輝度は高いものの、エミッタ領域から現れる電子ビームの角度強度は、エミッタそのものの特性によって制限される。その結果、電子銃にはかなり大きいアパーチャー角を使用せねばならず、このことによって、電子銃レンズにおける球面収差および色収差が、実現し得る小さいスポットサイズ（これは一般にビームの最小断面直径と呼ばれる）を制限する主要因子となっている。

[0005]電子銃レンズの収差を減らす１つの方法は、集束要素として電磁レンズを使用することである。この方法を使用すると、エミッタ先端と引出し領域が磁界にさらされ、その結果、全静電方式に比較して放射の実効立体角が著しく増大する。しかし、この設計の１つの欠点は、レンズコイルとその冷却液が先端電位の近くで浮き、これによって、より複雑な高圧の電源とケーブルが必要になる。さらに、機械的設計が従来のショットキーエミッション設計または電界放射設計から大きく逸脱しており、このことによってこの方法は一層複雑になる。

[0006]電子銃レンズの収差を減らす試みはほかにも行われている。しかし、これらの試みは、標準的な静電型レンズのサイズと焦点距離が高電圧システムに必要な大きいスタンドオフ距離によって制限されるため厄介であることが判明している。

[0007]したがって、収差を最小限に抑えた電子銃用の新たな電子ビーム源に関する技術が必要である。

発明の概要

[0008]本発明の様々な実施形態は、一般に、電子銃に用いる電子ビーム源を対象としている。電子ビーム源は先端に端部を有するエミッタを含む。エミッタは電子ビームを生成するように構成される。電子ビーム源は、エミッタの先端が抑制電極から突出し、引出し電極がエミッタの先端に隣接して配置されるようにエミッタを横方向に包囲する抑制電極をさらに含む。引出し電極は、磁界が電子ビームの軸と同心の磁気ディスクを含む。

[0009]また、本発明の様々な実施形態も、一般に、電子銃に用いる電子ビーム源を対象としている。電子ビーム源は先端に端部を有するエミッタを含む。エミッタは電子ビームを生成するように構成される。電子ビーム源は、エミッタの先端が抑制電極から突出し、引出し電極がエミッタの先端に隣接して配置されるようにエミッタを横方向に包囲する抑制電極をさらに含む。引出し電極は、引出しサポートおよび引出しサポートに配置された磁気ディスクを含む。磁気ディスクは永久磁石である。

[0010]本発明の前述の特徴が細部にわたって理解できるように、すなわち、先に簡単に要約した本発明の実施形態を参照してより具体的に説明するために、実施形態の一部を添付図面に示している。ただし、添付図面は本発明の代表的な実施形態のみを示すものであり、それゆえその範囲を限定するものと考えるべきでない。というのは、本発明は同様に有効な他の実施形態を認めうるからである。

詳細な説明

[0016]本発明の１つ以上の実施形態による、電子銃１０の一部分の側部断面図を示す。電子銃１０の残りの部分は図示されていない。電子銃１０は電界放射銃またはショットキーエミッション電子銃であってもよい。このような装置の詳細は、Ｌ．ＳｗａｎｓｏｎおよびＧ．Ｓｃｈｗｉｎｄ著“ＡＲｅｖｉｗｏｆＴｈｅＺｒＯ／ＷＳｃｈｏｔｔｋｙＣａｔｈｏｄｅ”，ＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＣｈａｒｇｅｄＰａｒｔｉｃｌｅＯｐｔｉｃｓ（編集者ＪｏｎＯｒｌｏｆｆ），ＣＲＣＰｒｅｓｓＬＬＣ，ＮｅｗＹｏｒｋ，（１９９７）に掲載されており、これを参照として本明細書に組み入れる。電子銃１０は、電子ビームを生成するように構成されたエミッタ（カソード）１４を含む。エミッタ１４は、先の尖った（半径約１μｍ）配向単結晶のタングステン構造として、Ｕ字形のフィラメント（図示せず）に装着することができる。エミッタ１４は負バイアスされた抑制電極１６で包囲することができ、抑制電極１６はエミッタ１４の先端に近いどこかで熱イオン化電子が放出されるのを防ぐ導電性構造とすることができる。エミッタ１４の尖った先端は抑制電極１６からわずかに突出して引出し電極２４に対向し、引出し電極２４は上側アパーチャー２９を画成する。引出し電極２４は、エミッタ１４に対して正にバイアスすることができ、上側アパーチャー２９の下方にある下側アパーチャー２８を画成して下流の電子銃レンズ（図示せず）に入る電子ビームを形成する。

[0017]本発明の一実施形態によると、引出し電極２４は引出しサポート１５０に配置された磁気ディスク１００を含み、引出しサポート１５０は非磁性材料から作ることができる。磁気ディスク１００は、サマリウムコバルト、ネオジム鉄ホウ素などの材料から作られた永久磁石とすることができる。磁気ディスク１００は、リング状（ドーナツ形）であり、電子ビームが通過できる開口１１０を有する。一実施形態では、磁気ディスク１００の上面は、エミッタ１４の先端から約１ｍｍ離れている。磁気ディスク１００は、開口１１０の軸がビーム軸と同心になるように配置される。こうすることによって、磁気ディスク１００は固定焦点距離レンズの役割を果たす。磁気ディスク１００は、構造的剛性を高め、あるいはガス放出や微粒子などの汚染を抑えるためにステンレス鋼シースに格納することもできる。電子銃１０は、引出し電極２４から出てくる電子ビームをさらに集束する静電型レンズなどの集束電極２５をさらに含んでいてもよい。このようにすると、磁気ディスク１００は固定焦点距離を持つが、集束電極２５は可変焦点距離（電圧を変えることによる）を持つ。

[0018]図２は、本発明の他の実施形態による、電子銃２１０の一部分の側部断面図を示す。電子銃２１０は引出し電極２２４を有し、引出し電極２２４は磁気ディスク２００上に配置された引出しアパーチャーディスク２２０を含み、これら両方のディスクは引出しサポート２５０で支持される。引出しアパーチャーディスク２２０は、磁気ディスク２００を電子ビームによる照射から保護するように構成される。引出しアパーチャーディスク２２０は、モリブデン、ステンレス鋼、チタンなどの非磁性材料から作ることができる。磁気ディスク２００は、サマリウムコバルト、ネオジム鉄ホウ素などの材料から作られる永久磁石とすることができる。磁気ディスク２００は、リング状（ドーナツ状）で、電子ビームが通過できる開口２３０を有する。電子銃２１０の他の構成要素、たとえば、エミッタ２１４と抑制電極２１６は、電子銃１０の構成要素と実質的に同じである。したがって、電子銃２１０の各種構成要素の他の詳細は、前述の電子銃１０を基準として提供される。

[0019]図３は、本発明の１つ以上の実施形態による、磁気ディスク３００の平面図と断面図を示す。一実施形態では、磁気ディスク３００は、約１ｍｍの内径（ＩＤ）、約５ｍｍの外径（ＯＤ）、約１．０２５ｍｍの厚さ（Ｌ）、約０°のテーパボア角度（α）、および約８７５ｅｍｕ／ｃｍ^３の飽和磁化（Ｍ_Ｓ）を備え、飽和磁化（Ｍ_Ｓ）はサマリウムコバルトタイプ３２ＨＳに匹敵するように選択されている。このような形態の場合、磁気ディスク３００を使用すると、球面収差係数を約１９．８ｍｍ（磁気ディスクなし）から約２．９ｍｍ（磁気ディスクあり）まで減らすことができる。このように、本発明の実施形態を使用すると、従来の５０ｋＶの電子銃の球面収差係数を約１／６に減らすことができる。球面収差係数は、ＯＤを約１０ｍｍに増やしＩＤを約０．５ｍｍに減らすことにより、約２．５ｍｍ以下にさらに減らすことができる。また、球面収差係数は、磁気ディスクをエミッタ１４の近くに移動することにより減らすこともできる。さらに、磁気ディスクの磁界は電子ビームを平行にすることができ、それによってビーム電流の実効角度強度が増加する。

[0020]一実施形態では、磁気ディスク１００、２００、３００の磁界は、ビーム軸と同心である。磁界は、ＲｏｇｅｒＦ．Ｈａｒｒｉｎｇｔｏｎ著の "ＦｉｅｌｄＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎＢｙＭｏｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄｓ"，Ｗｉｌｅｙ−ＩＥＥＥＰｒｅｓｓ（１９９３）に記載された方法などの電荷密度法を使って空間のいたるところで計算することができる。この場合、ビーム軸に沿った磁界（軸方向磁束密度）をファイルに抽出することができ、これを、英国、ロンドンに本社を置くＭｕｎｒｏ'ｓＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＳｏｆｔｗａｒｅＬｔｄ．による電子光学シミュレーションプログラムＡＢＥＲへの入力として使用することができる。こうして、レンズの光学特性と収差が算出される。このような収差として、球面収差、色収差、歪み、非点収差、コマ収差、および像面湾曲が挙げられる。磁気ディスクの幾何学的パラメータ、すなわち、ＩＤ、ＯＤ、Ｌ、およびαは、磁気ディスクの位置とともに変動して光学特性と収差に影響を及ぼす可能性がある。

[0021]図４は、本発明の１つ以上の実施形態による、ビーム軸に沿った磁気ディスクの磁界４００（軸方向磁束密度）のプロットを示す。特に、軸方向磁束密度４００は磁気ディスクの位置または実質的にその近くで最大となる。

[0022]磁気ディスク１００と集束電極２５の間の軸方向磁束密度は収差を増大させるものとされている。したがって、高透磁率の分路を電子銃に追加すると、磁気ディスク１００と集束電極２５の間の軸方向磁束密度を減らすことができる。分路は引出しサポート１５０または抑制電極１６の一部として配置することができる。図５は、分路５００が磁気ディスク１００と集束電極２５の間の軸方向磁束密度に及ぼす影響を示す。実線は分路５００のある電子銃の軸方向磁束密度５１０を表し、鎖線は分路５００のない電子銃の軸方向磁束密度５２０を表す。特に、磁気ディスク１００と集束電極２５の間の軸方向磁束密度５１０は著しく減少して実質的にゼロになる。しかし、球面収差係数は、分路のある電子銃の方が分路のない電子銃よりも大きくなる可能性がある。他方、分路を抑制電極１６の一部として配置すると、軸方向磁束密度を引出し領域のさらに奥に広げることができ、収差を減らすことができる。

[0023]磁気ディスク１００と集束電極２５の間の軸方向磁束密度の大きさを減らすためには、電子銃に分路を追加することのほかに、磁気ディスクの厚さ（Ｌ）を減らしてもよい。さらに、磁気ディスク１００をエミッタ１４に近づけて配置すると、球面収差係数を小さくすることができる。

[0024]前述の内容は本発明の実施形態を対象としたものであるが、本発明の他の実施形態およびさらに他の実施形態は、その基本的な範囲を逸脱することなく案出されうるものであり、その範囲は冒頭の特許請求の範囲によって決定される。

本発明の１つ以上の実施形態による、電子銃の一部分の側部断面図を示す。本発明の他の実施形態による、電子銃の一部分の側部断面図を示す。本発明の１つ以上の実施形態による、磁気ディスクの平面図と断面図を示す。本発明の１つ以上の実施形態による、ビーム軸に沿った磁気ディスクの磁界（軸方向磁束密度）のプロットを示す。本発明の１つ以上の実施形態による、分路が磁気ディスクと集束電極の間の軸方向磁束密度に及ぼす影響を示す。

符号の説明

１０…電子銃、１４…エミッタ（カソード）、１６…抑制電極、２４…引出し電極、２５…集束電極、２８…下側アパーチャー、２９…上側アパーチャー、１００…磁気ディスク、１１０…開口、１５０…引出しサポート、２００…磁気ディスク、２１０…電子銃、２１４…エミッタ、２１６…抑制電極、２２０…引出しアパーチャーディスク、２２４…引出し電極、２３０…開口、２５０…引出しサポート、３００…磁気ディスク、４００…磁界、軸方向磁束密度、５００…分路、５１０…軸方向磁束密度、５２０…軸方向磁束密度

Claims

電子銃に用いる電子ビーム源であって、
先端に端部を有するエミッタであって、電子ビームを生成するように構成されている、前記エミッタと、
前記エミッタの前記先端が突出するように前記エミッタを横方向に包囲する、抑制電極と、
前記エミッタの前記先端に隣接して配置された引出し電極であって、磁界が前記電子ビームの軸と同心の磁気ディスクを備える、前記引出し電極と、
を備える、電子ビーム源。
前記磁気ディスクが永久磁石である、請求項１の電子ビーム源。
前記磁気ディスクがサマリウムコバルトから作られる、請求項１の電子ビーム源。
前記磁気ディスクがドーナツ形をした、請求項１の電子ビーム源。
前記電子銃が電界放射銃およびショットキーエミッション電子銃の１つである、請求項１の電子ビーム源。
前記磁気ディスクがステンレス鋼シースに格納される、請求項１の電子ビーム源。
前記ステンレス鋼シースが前記磁気ディスクを前記電子ビームによる照射から保護するように構成される、請求項６の電子ビーム源。
前記磁気ディスクが前記エミッタの前記先端に対面する開口を画成する、請求項１の電子ビーム源。
前記磁気ディスクが前記エミッタの前記先端から約１ｍｍ以下のところに配置される、請求項１の電子ビーム源。
前記磁気ディスクが前記電子ビームの軸と同心の軸を有する開口を画成する、請求項１の電子ビーム源。
前記引出し電極に隣接して配置される集束電極をさらに備え、該集束電極が前記引出し電極から出てくる前記電子ビームをさらに集束するように構成される、請求項１の電子ビーム源。
前記引出し電極が前記磁気ディスクの前に配置される引出しアパーチャーディスクをさらに備える、請求項１の電子ビーム源。
前記引出しアパーチャーディスクが前記磁気ディスクを前記電子ビームによる照射から保護するように構成される、請求項１２の電子ビーム源。
前記磁気ディスクが約１ｍｍの内径を有する、請求項１の電子ビーム源。
前記磁気ディスクが約５ｍｍの外径を有する、請求項１の電子ビーム源。
前記磁気ディスクが約１．０２５ｍｍの厚さを有する、請求項１の電子ビーム源。
前記磁気ディスクが約０°のテーパボア角度を有する、請求項１の電子ビーム源。
前記磁気ディスクが約８７５ｅｍｕ／ｃｍ^３の飽和磁化を有する、請求項１の電子ビーム源。
前記引出し電極が、前記磁気ディスクを支持する引出しサポートと、前記引出しサポートの一部として配置される高透磁率の分路と、を備える、請求項１の電子ビーム源。
前記引出し電極に隣接して配置される集束電極をさらに備え、前記高透磁率の分路が前記磁気ディスクと前記集束電極の間の磁界を減らすように構成される、請求項１９の電子ビーム源。
前記引出し電極が、前記磁気ディスクを支持する引出しサポートと、前記抑制電極の一部として配置される高透磁率の分路と、を備える、請求項１の電子ビーム源。
電子銃に用いる電子ビーム源であって、
先端に端部を有するエミッタであって、電子ビームを生成するように構成されている、前記エミッタと、
前記エミッタの前記先端が突出するように前記エミッタを横方向に包囲する、抑制電極と、
前記エミッタの前記先端に隣接して配置された引出し電極であって、引出しサポートと、該引出しサポートに配置される磁気ディスクとを備え、前記磁気ディスクが永久磁石である、前記引出し電極と、
を備える、電子ビーム源。
前記磁気ディスクがサマリウムコバルトから作られる、請求項２２の電子ビーム源。
前記引出し電極に隣接して配置される集束電極をさらに備え、前記引出しサポートが前記磁気ディスクと前記集束電極の間の磁界を減らすように構成される高透磁率の分路を備える、請求項２２の電子ビーム源。