JP2016152251A - 電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法 - Google Patents
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Abstract
【目的】
定量的な予測をすることが出来る、電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法を提供する。
【構成】
実施形態の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法は、カソードの寿命基準値を用いてカソードのエミッタンスを計算する工程と、エミッタンスを用いてカソードのエミッタ寿命直径を計算する工程と、カソードから照射される電子ビームを用いて試料上にパターンを描画する工程と、電子ビームのエミッション電流を測定する工程と、エミッション電流を用いてエミッタ直径を計算する工程と、エミッタ直径の経時変化を測定する工程と、経時変化の回帰式を決定する工程と、回帰式とエミッタ寿命直径を用いてカソードの寿命を予測する工程と、を含む。
【選択図】図１
定量的な予測をすることが出来る、電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法を提供する。
【構成】
実施形態の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法は、カソードの寿命基準値を用いてカソードのエミッタンスを計算する工程と、エミッタンスを用いてカソードのエミッタ寿命直径を計算する工程と、カソードから照射される電子ビームを用いて試料上にパターンを描画する工程と、電子ビームのエミッション電流を測定する工程と、エミッション電流を用いてエミッタ直径を計算する工程と、エミッタ直径の経時変化を測定する工程と、経時変化の回帰式を決定する工程と、回帰式とエミッタ寿命直径を用いてカソードの寿命を予測する工程と、を含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法に関する。たとえば、所定の照射量の電子ビームを試料に照射することでパターンを描画する電子ビーム描画装置に用いられるカソードの寿命予測方法に関する。
半導体デバイスの微細化の進展を担うリソグラフィ技術は、回路パターンなどのパターンを生成する重要なプロセスである。近年、ＬＳＩの高集積化に伴い、半導体デバイスに要求される回路線幅は年々微細化されてきている。これらの半導体デバイスへ所望の回路パターンを形成するためには、高精度の原画パターン（レチクル或いはマスクともいう）が必要となる。電子などの荷電粒子を用いた荷電粒子ビーム（荷電粒子線）による描画技術は本質的に優れた解像性を有しており、高精度の原画パターンの生産に用いられる。
図１１は、可変成形型電子ビーム描画装置の動作を説明するための概念図である。なお、可変成形型電子ビーム描画装置は、荷電粒子ビーム描画装置の一例である。可変成形型電子ビーム（ＥＢ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ）描画装置は、以下のように動作する。まず、第１のアパーチャ４１０には、電子ビーム３３０を成形するための矩形、例えば長方形の開口４１１が形成されている。また、第２のアパーチャ４２０には、開口４１１を通過した電子ビーム３３０を所望の矩形形状に成形するための可変成形開口４２１が形成されている。荷電粒子ソース４３０から照射され、開口４１１を通過した電子ビーム３３０は、偏向器により偏向される。そして、可変成形開口４２１の一部を通過して、ステージ上に搭載された試料３４０に照射される。ステージは、描画中、所定の一方向（例えば、Ｘ方向とする）に連続的に移動している。このように、開口４１１と可変成形開口４２１との両方を通過できる矩形形状が、試料３４０の描画領域に描画される。開口４１１と可変成形開口４２１との両方を通過させ、任意形状を作成する方式を可変成形方式という。
電子ビーム描画装置のスループットを向上させるためには、ビームの電流密度の増大が
不可欠となっている。そして、その大電流密度を実現させるためには、電子銃のカソード
温度を高温に設定する必要が生じる。しかし、カソードを高温に設定するとカソード材料
の蒸発速度が大きくなるために、描画中にカソード先端形状が変化してしまう。従って、精度の高い描画をおこなうためには、カソードの寿命を予測できることが好ましい。
不可欠となっている。そして、その大電流密度を実現させるためには、電子銃のカソード
温度を高温に設定する必要が生じる。しかし、カソードを高温に設定するとカソード材料
の蒸発速度が大きくなるために、描画中にカソード先端形状が変化してしまう。従って、精度の高い描画をおこなうためには、カソードの寿命を予測できることが好ましい。
特許文献１には、クライアントの複数の電子顕微鏡のそれぞれの稼動状態を示す画像を、サービスサーバに入力し、画像の中から電子銃用電源のエミッション電流および引き出し電圧を抽出して時間軸に対するエミッション電流および引き出し電圧の時々刻々の現在値データのエミッション電流の変動速さに基づいて現在値からエミッション電流についての使用限界値までの電子発生チップの推定余寿命を求め、また引き出し電圧の変動速さに基づいて現在値から引き出し電圧についての使用限界値までの電子発生チップの推定余寿命を求め、いずれかの推定余寿命で早く発生する推定余寿命までの到達時間情報をクライアント端末に出力することを特徴とする電子顕微鏡の電子銃監視方法が記載されている。
本発明が解決しようとする課題は、定量的な予測をすることが出来る、電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法を提供することである。
実施形態の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法は、カソードの寿命基準値を用いてカソードのエミッタンスを計算する工程と、エミッタンスを用いてカソードのエミッタ寿命直径を計算する工程と、カソードから照射される電子ビームを用いて試料上にパターンを描画する工程と、電子ビームのエミッション電流を測定する工程と、エミッション電流を用いてエミッタ直径を計算する工程と、エミッタ直径の経時変化を測定する工程と、経時変化の回帰式を決定する工程と、回帰式とエミッタ寿命直径を用いてカソードの寿命を予測する工程と、を含む。
上記態様の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法において、エミッション電流を用いてエミッタ直径を計算する工程において、電子ビームの電流密度をＪ、エミッション電流をＩｅとした場合に、エミッタ直径ｄを以下の数式（９）を用いて計算することが好ましい。
上記態様の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法において、カソードの寿命基準値を用いてカソードのエミッタンスを計算する工程において、試料上での電子ビームの電子ビーム中心と電子ビームが試料上に形成するショットの電子ビーム端の距離をＲｎとしたときに、電子ビーム端の電流密度Ｊ（Ｒｎ）と電子ビーム中心の電流密度Ｊ（０）を用いて寿命基準値ｎを以下の数式（１）により計算することが好ましい。
上記態様の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法において、カソードの寿命基準値を用いてカソードのエミッタンスを計算する工程において、電子ビームの単位時間あたりの電子数が電子ビームの電子ビーム中心での単位時間あたりの電子数の１／ｅとなる角度をＡｅ、試料上で電子ビームの単位時間あたりの電子数が電子ビームの電子ビーム中心での単位時間あたりの電子数の１／ｅとなる電子ビームの半径をＲｅとした場合に、エミッタンスを以下の数式（６）を用いて計算することが好ましい。
上記態様の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法において、カソードの寿命基準値を用いてカソードのエミッタンスを計算する工程において、ショットの形状が長方形であり、長方形の一辺の長さがＷｎで他辺の長さがＨｎである場合に、エミッタンスを以下の数式（７）を用いて計算することが好ましい。
本発明の一態様によれば、定量的な予測をすることが出来る、電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法の提供が可能となる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、以下の説明において、「試料上」とは、電子ビームが照射される試料面上ということを意味する。
（実施形態）
本実施形態の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法は、カソードの寿命基準値を用いてカソードのエミッタンスを計算する工程と、エミッタンスを用いてカソードのエミッタ寿命直径を計算する工程と、カソードから照射される電子ビームを用いて試料上にパターンを描画する工程と、電子ビームのエミッション電流を測定する工程と、エミッション電流を用いてエミッタ直径を計算する工程と、エミッタ直径の経時変化を測定する工程と、経時変化の回帰式を決定する工程と、回帰式とエミッタ寿命直径を用いてカソードの寿命を予測する工程と、を含む。
本実施形態の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法は、カソードの寿命基準値を用いてカソードのエミッタンスを計算する工程と、エミッタンスを用いてカソードのエミッタ寿命直径を計算する工程と、カソードから照射される電子ビームを用いて試料上にパターンを描画する工程と、電子ビームのエミッション電流を測定する工程と、エミッション電流を用いてエミッタ直径を計算する工程と、エミッタ直径の経時変化を測定する工程と、経時変化の回帰式を決定する工程と、回帰式とエミッタ寿命直径を用いてカソードの寿命を予測する工程と、を含む。
以下の実施の形態では、電子ビーム描画装置の一例として、可変成形型の電子ビーム描画装置について説明する。
図１は、本実施形態の可変成形型電子ビーム描画装置の構成を示す概念図である。可変成形型電子ビーム描画装置１００は、描画部１５０と第１の制御部１６０とを備えている。描画部１５０は、電子鏡筒１０２と描画室１０３とを備えている。電子鏡筒１０２内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、第１の成形アパーチャ２０３、成形レンズ２０４、成形偏向器２０５、第２の成形アパーチャ２０６、対物レンズ２０７、副偏向器２１２、主偏向器２１４、縮小レンズ２１６、ブランキング（ＢＬＫ）偏向器２１８、ブランキング（ＢＬＫ）アパーチャ２１９、が設けられている。ＸＹステージ１０５には、電子ビーム２００の電流を測定するためのビーム吸収電極（ファラデーカップ２０９）が配置されている。電子銃２０１は、カソード２２０及びアノード２２６を有している。カソード２２０は、エミッタ２２２及びウェネルト電極２２４を有している。また、アノード２２６は、接地（地絡）されている。描画室１０３内には、ＸＹステージ１０５が配置される。ＸＹステージ１０５上には、描画時には描画対象となるマスク等の試料３４０（図１１）が配置される。試料３４０には、半導体装置を製造する際の露光用マスクが含まれる。また、試料３４０には、ガラス基板上にクロム（Ｃｒ）等の遮光膜が形成され、遮光膜上にレジストが塗布された、まだ何も描画されていないマスクブランクスが含まれる。電子鏡筒１０２は、たとえば描画室１０３から取り外しが可能である。
第１の制御部１６０は、電子銃電源２３０、及び描画制御回路２４０を有している。電子銃電源２３０内では、エミッタ２２２の両極に定電流源２３１により所定の加熱電流を流している。そして、エミッタ２２２の両極の中間電圧とウェネルト電極２２４間には所定のバイアス電圧（ウェネルト電圧）が可変電圧源２３４によって印加される。また、エミッタ２２２の両極の中間電圧には、可変電圧源２３４と並列に所定の直流電源が配置され、直流電源の他方は電流計２３８を介して地絡されている。また、可変電圧源２３４と並列に電圧計２３６が配置される。描画制御回路２４０には、電流密度測定部２４２及びＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御部２４４が配置される。ここでＰＩＤ制御とは、目標値との偏差に比例（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）した修正量、過去の目標値との偏差を積分（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）した修正量および目標値との偏差の時間変化を微分（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）した修正量に基づく制御である。図１では、本実施形態を説明する上で必要な構成部分について記載している。描画装置１００にとって、通常、必要なその他の構成が含まれることは言うまでもない。
また、電子銃電源２３０内では、第２の制御部２３２が電圧計２３６で検出しながら可変電圧源２３４から印加されるバイアス電圧（ウェネルト電圧）を可変制御して、目標となるエミッション電流になるように制御している。エミッション電流の値は電流計２３８で検出することができる。
そして、電子銃２０１から電子ビーム２００が照射される。電子銃２０１から出た電子ビーム２００は、照明レンズ２０２により矩形例えば長方形の穴を持つ第１の成形アパーチャ２０３全体を照明する。ここで、電子ビーム２００をまず矩形例えば長方形に成形する。そして、第１の成形アパーチャ２０３を通過した第１のアパーチャ像の電子ビーム２００は、成形レンズ２０４により第２の成形アパーチャ２０６上に投影される。かかる第２の成形アパーチャ２０６上での第１のアパーチャ像の位置は、成形偏向器２０５によって偏向制御され、ビーム形状と寸法を変化させることができる。その結果、電子ビーム２００は成形される。そして、第２の成形アパーチャ２０６を通過した第２のアパーチャ像の電子ビーム２００は、縮小レンズ２１６で縮小され、対物レンズ２０７により焦点を合わせ、主偏向器２１４及び副偏向器２１２により偏向される。その結果、連続移動するＸＹステージ１０５上の試料３４０上の所望する位置に照射される。
また、試料３４０上の電子ビーム２００が、所望する照射量を試料３４０に入射させる照射時間Δｔに達した場合、以下のようにブランキングする。すなわち、試料３４０上に必要以上に電子ビーム２００が照射されないようにするため、例えば静電型のＢＬＫ偏向器２１８で電子ビーム２００を偏向すると共にＢＬＫアパーチャ２１９で電子ビーム２００をカットする。これにより、電子ビーム２００が試料３４０面上に到達しないようにする。ＢＬＫ偏向器２１８の偏向電圧は、描画制御回路２４０によって制御される。また、電子鏡筒１０２内および描画室１０３内は、図示していない真空ポンプにより真空引きされ、大気圧よりも低い圧力となる真空雰囲気となっている。
次に、本実施形態の電子ビーム描画装置が備える、描画中の電子ビームの電流密度Ｊを実質的に一定に制御する機構、および描画中の電子ビームの電流密度Ｊを実質的に一定に制御する方法を説明する。まず、試料３４０に所望するパターンを描画している間に、複数回、電流密度Ｊを測定し、その変化を補正して所望する一定値に収束させるためのエミッション電流Ｉｅの目標値を測定の都度、演算する。そして、その目標値を電子銃電源２３０に出力する。そして、電子銃電源２３０内で描画中にバイアス電圧を可変制御させ、エミッション電流Ｉｅを目標値に近づけさせる。このように構成することで、描画している間、電流密度Ｊを実質的に一定に維持することができる。
図２は、本実施形態の電子ビームの電流密度調整方法を説明するための概念図である。図２で電子銃電源２３０は、バイアス電圧ＶＢの値をフィードバック制御することでミッション電流Ｉｅの目標値に合わせる。そして、電子銃２０１からは、エミッション電流Ｉｅの電子ビーム２００が照射される。そして、開口サイズが定まっている第１の成形アパーチャ２０３を通過した全ビームをファラデーカップ２０９で受ける。そして、ファラデーカップ２０９で受けた電流強度から得られる第１の成形アパーチャ電流値を電流密度測定部２４２に出力する。ここでは、第１の成形アパーチャ２０３を通過した全ビームのビーム電流を第１の成形アパーチャ電流とする。そして、電流密度測定部２４２で第１の成形アパーチャ電流値を第１の成形アパーチャ２０３の開口面積で割ることで電流密度Ｊを測定する。そして、電流密度ＪはＰＩＤ制御部２４４に出力され、ＰＩＤ制御部２４４で設定された電流密度Ｊに収束するようにするためのエミッション電流Ｉｅの目標値を演算する。かかる目標値は電子銃電源２３０に出力され、電子銃電源２３０は、バイアス電圧ＶＢの値をフィードバック制御することでエミッション電流Ｉｅを目標値に合わせる。このループ動作を試料３４０の描画中に複数回行なう。
図３は、本実施形態の電子ビームの電流密度調整方法の要部工程を示すフローチャート図である。まず、電子銃電源２３０の第２の制御部２３２にミッション電流Ｉｅの初期値を設定する。そして、第２の制御部２３２は、バイアス電圧ＶＢの値をフィードバック制御しながら可変制御を行なうことで最初の目標値となるミッション電流Ｉｅの初期値に合わせる。そして、試料３４０に所定のパターンの描画を開始する。そして、描画中に以下に示すような電子ビームの電流密度調整を複数回行なう。例えば、１０〜３０分おきに電子ビームの電流密度調整を行なう。このタイミングは、例えば、描画中に定期的に行なわれるビーム位置補正シーケンスの中で一緒に行なえばよい。このようにすることで、電子ビームの電流密度調整のための新たな時間が不要となりスループットの低下を抑制することができる。以下、電子ビームの電流密度調整方法の要部工程を説明する。
Ｓ（ステップ）１０２で、ビーム照射工程として、電子銃２０１は、エミッション電流Ｉｅが目標値に合わせ込まれた電子ビーム２００を照射する。電子銃２０１は、照射源の一例となる。
Ｓ１０４で、電流密度測定工程として、電流密度測定部２４２は、図３のステップが繰り返される毎に電子ビーム２００の電流密度Ｊを測定する。すなわち、電子ビーム２００を用いた試料３４０への描画が行なわれている間に、複数回電子ビーム２００の電流密度Ｊを測定する。その手法は、上述したように、開口サイズが定まっている第１の成形アパーチャ２０３を通過した全ビームをファラデーカップ２０９で受ける。具体的には、電子銃２０１から照射された電子ビーム２００は、照明レンズ２０２によって、第１の成形アパーチャ２０３上に照明される。そして、第１の成形アパーチャ２０３を通過した第１の成形アパーチャ２０３像が第２の成形アパーチャ２０６に遮蔽されないように成形偏向器２０５で電子ビーム２００を偏向する。そして、第２の成形アパーチャ２０６を通過した全ビームのビーム電流をファラデーカップ２０９で測定する。そして、ファラデーカップ２０９の出力が電流密度測定部２４２に送信される。そして、電流密度測定部２４２で第１の成形アパーチャ電流値を第１の成形アパーチャ２０３の開口面積で割ることで電流密度Ｊを算出する。第１の成形アパーチャ電流を測定することで、成形レンズ２０４や成形偏向器２０５の変動（雑音）が電流密度算出精度に悪影響を及ぼすことを回避することができる。
ここで、上述した例では、第１の成形アパーチャ２０３を通過した全ビームから電流密度Ｊを算出しているが、これに限るものではない。例えば、第１の成形アパーチャ２０３と第２の成形アパーチャ２０６とにより例えば１μｍ角のビームを成形する。そして、その成形されたビームをファラデーカップ２０９で測定するようにしてもよい。そして、成形された面積でビーム電流値を割れば電流密度Ｊを求めることができる。このように、成形される面積を予め決めておけば電流密度Ｊを測定することができる。
Ｓ１０６で、目標エミッション電流演算工程として、ＰＩＤ制御部２４４は、電子ビームの電流密度の測定毎に、電子ビーム２００の電流密度Ｊが実質的に一定になるように、測定された電子ビーム２００の電流密度Ｊに応じて変化するエミッション電流Ｉｅの目標値を演算する。そして、演算の都度、エミッション電流Ｉｅの目標値を第２の制御部２３２に出力する。また、ＰＩＤ制御部２４４は、ＰＩＤ法を用いて、電流密度Ｊが一定値に収束するようにエミッション電流Ｉｅの目標値を演算する。
図４は、本実施形態の電流密度とエミッション電流Ｉｅの目標値との一例を示す図である。図４（ａ）では、電流密度Ｊが時間の経過と共に収束する様子を示している。図４（ａ）に示すような収束方向に導くために、ＰＩＤ制御部２４４は、ＰＩＤ法を用いて、図４（ｂ）に示すようなエミッション電流Ｉｅの目標値を演算する。
Ｓ１０８で、目標エミッション電流設定工程として、第２の制御部２３２は、エミッション電流Ｉｅの目標値を入力し、それまで設定されていた値に代えて設定し直す。
Ｓ１１０で、バイアス電圧可変制御工程として、第２の制御部２３２は、新たなエミッション電流Ｉｅの目標値に基づいて電子銃２０１を制御する。
Ｓ１１２で、判定工程として、描画が終了しているかどうかを判定する。そして、まだ、描画中である場合には、Ｓ１０２に戻る。そして、上述した例えば１０〜３０分毎にまたＳ１０２からＳ１１２までを繰り返す。このようにして、電子ビーム２００を用いた試料３４０への描画が行なわれている間に、複数回電子ビーム２００の電流密度Ｊを測定して、その都度、エミッション電流Ｉｅの目標値を変えていく。そして、描画が終了したら終了する。或いは、次の試料３４０の描画のために、描画をしていないときにも、上述した電流密度調整を定期的に行なっても好適である。これにより、常に電流密度を実質的に一定に保つことができる。
ここで、上述した例では、ＰＩＤ制御部２４４が電子ビーム２００の電流密度Ｊが実質的に一定になるように、エミッション電流Ｉｅの目標値を演算するように構成したがこれに限るものではない。例えば、バイアス電圧ＶＢの目標値を演算して出力するようにしても好適である。そして、その場合には、第２の制御部２３２が入力したバイアス電圧ＶＢの目標値に可変電圧源２３４の出力を変えるように構成すればよい。
次に、本実施形態の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法を述べる。図５は、本実施形態における電子ビームの模式図である。カソード２２０のエミッタ２２２から射出された電子ビーム２００は、クロスオーバー面３４４上において陰極（カソード２２０）、ウェネルト電極２２４、陽極（アノード２２６）が作るレンズ界によりクロスオーバーと呼ばれる状態が形成される。その後電子ビーム２００は広がり、コリメータレンズ（照明レンズ）２２８によって試料面３４２に対して垂直あるいはほぼ垂直なビームに屈折され、試料３４０に照射される。
図６は、本実施形態のエミッタの模式図である。エミッタ２２２は、六硼化ランタン２と、六硼化ランタン２の周囲に設けられたカーボン４と、を有する。六硼化ランタン２はエミッタ面６を有する。上述の電子ビーム２００は、エミッタ面６から照射される。ここで、エミッタ面６の直径ｄを、エミッタ直径と呼ぶ。また、たとえば光学顕微鏡などの顕微鏡を用いてエミッタ面６を観察することにより求めたエミッタ直径を、実測エミッタ直径と呼ぶ。なお、エミッタ面６の形状が楕円である場合には、エミッタ面６の短径と長径を測定し、短径と長径の平均を計算して求めることが好ましい。
なお、本発明の実施の形態においては、エミッタを構成する材料として六硼化ランタン（ＬａＢ６）以外のものを用いることができる。エミッタの構成材料には、高い電気伝導、高温における機械的強度と化学的安定性が求められる。ここで、高温における機械的強度と化学的安定性は、高い融点を有することによって実現可能である。尚、高い融点とは、具体的には、電子ビーム描画装置の動作温度より高い融点を言う。こうした特性を満たし、さらに六硼化ランタン（ＬａＢ６）と同程度に低い仕事関数を有する材料としては、六硼化セリウム（ＣｅＢ６）、六硼化ガドリニウム（ＧｄＢ６）、六硼化イットリウム（ＹＢ６）などの金属六硼化物が挙げられる。また、タングステン（Ｗ）などをエミッタの構成材料として用いることも可能である。タングステン（Ｗ）は、六硼化ランタン（ＬａＢ６）や六硼化セリウム（ＣｅＢ６）に比べて融点が高いので、例えば、２０００Ｋ程度の温度で使用することも可能である。
図７は、本実施形態の試料３４０上の電子ビームの分布を示す模式図である。図７（ａ）は、電子ビーム２００の半径Ｒ方向の分布を示す模式図である。図７（ｂ）は、電子ビーム２００の角度Ａ方向の分布を示す模式図である。ここでの角度は、上述のクロスオーバー後の光軸に対する電子ビームのビーム角である。本実施形態の電子ビームの分布は、図７（ａ）または図７（ｂ）に示すようなガウス分布である。図７（ｃ）は、電子ビーム２００が試料３４０上に形成するショット２６４を示す模式図である。図７（ｃ）に示したショット２６４の形状は、長辺（一辺）の長さがＷｎで短辺（他辺）の長さがＨｎの矩形たとえば長方形であるものとする。電子ビーム中心２６２の位置は、当該ショット２６４の重心の位置とすることが可能である。たとえばショット２６４が長方形である場合には、当該長方形の中心とすることができる。また、電子ビーム端２６０は、電子ビーム中心２６２から最も長い距離を有するショット２６４の端として、あらかじめ定めておく。なお、Ｗｎ＝Ｈｎである場合には、ショット２６４の形状は正方形である。
カソード２２０を使用していくと、カソード２２０を構成する材料の一部が蒸発してしまうため、エミッタ面６（図６）の直径が小さくなり、ビームの均一性が低下していく。ここで、ビームの均一性をｎとすると、ｎは電子ビーム中心２６２と電子ビーム端２６０の距離をＲｎとしたときに、電子ビーム端２６０の電流密度Ｊ（Ｒｎ）と電子ビーム中心２６２の電流密度Ｊ（０）を用いて以下の数式（１）により計算される。
ビームの均一性ｎは、カソード２２０の寿命基準値の一例である。ビームの均一性ｎがある基準値を下回ると、当該カソード２２０が寿命であるとされる。ｎは、たとえば０．９５から０．９９の程度であれば好ましい。以下の説明においては、ｎは０．９８とする。
電子ビーム２００の分布がガウス分布である場合、Ｒを試料３４０上での電子ビーム中心２６４からの距離として、電子ビームの電流密度Ｊ（Ｒ）は、以下の数式（２）で表される。
ここでＲｅは、図７（ａ）に示されるような、試料３４０上での、電子ビーム２００内の単位時間あたりの電子数が電子ビーム中心２６２の１／ｅ（ｅは自然対数の底）となる、電子ビーム２００の半径とする。すると、数式（１）と数式（２）を用いて、ビームの均一性ｎは以下の数式（３）で表される。カソード２２０を使用してエミッタ面６（図６）の直径が小さくなると共に、Ｒｅは小さくなる。これに伴い、ｎは以下の数式（３）により小さくなる。
また、ショット２６４の形状が図７（ｃ）に示したような長方形である場合には、ＲｎはＷｎとＨｎを用いて以下の数式（４）により表せる。
すると、Ｒｅは、数式（３）と数式（４）を用いて以下の数式（５）により表される。
次に、カソードのエミッタンス（Ｅｍｉｔｔａｎｃｅ）について説明する。カソードのエミッタンスは、カソードから放出される電子ビームの広がりを表す量である。ここで上述のＲｅを用いると、電子ビームの広がりの目安となる直径は２Ｒｅと表される。またＡｅを、図７（ｂ）に示されるような、試料３４０上で電子ビーム２００内の単位時間あたりの電子数が電子ビーム中心（Ａ＝０）２６２の１／ｅ（ｅは自然対数の底）となる角度とする。かかる場合、電子ビームの角度方向における広がりの目安は、正の角度方向の広がりと負の角度方向の広がりを足し合わせて２Ａｅと表される。そこで、本実施形態のカソードのエミッタンスを、上述の２Ｒｅと２Ａｅとの積として、以下の数式（６）により定義する。
数式（５）と数式（６）を用いると、エミッタンスは以下の数式（７）で表される。
ショット２６４の形状が正方形であるとき、すなわちＷｎ＝Ｈｎである場合は、エミッタンスは以下の数式（８）で表される。
図８は、本実施形態のカソード２２０のエミッタンスと実測エミッタ直径の関係を示すグラフである。ここで、図８に示すエミッタンスは実測値である。図８に示されるように、エミッタンスと実測エミッタ直径の間には良い相関関係が認められる。そのため、カソード２２０が寿命となるビームの均一性ｎから、カソード２２０が寿命となるエミッタ寿命直径を求めることが出来る。本実施形態では、ｎ＝０．９８となるエミッタンスは６４μｍ・ｍｒａｄである。したがって、エミッタ寿命直径は３３μｍと見積もられる。そのため、エミッタ直径の経時変化を測定することが出来れば、カソード２２０の寿命を予測することが可能となる。なお、エミッタンスとしては、数式（６）、数式（７）および数式（８）の定数倍等、数式（６）、数式（７）および数式（８）で求められる値を基準にした値を用いても良い。
図９は、本実施形態の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法の要部工程を示すフローチャート図である。本実施形態の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法は、ビームの均一性決定工程（Ｓ２０２）と、エミッタンス計算工程（Ｓ２０４）と、エミッタ寿命直径計算工程（Ｓ２０６）と、描画工程（Ｓ２０８）と、エミッション電流測定工程（Ｓ２１０）と、エミッタ直径計算工程（Ｓ２１２）と、エミッタ直径経時変化測定工程（Ｓ２１４）と、経時変化回帰式決定工程（Ｓ２１６）と、寿命予測工程（Ｓ２１８）という一連の工程を実施する。
まず、ビームの均一性決定工程（Ｓ２０２）として、第１の制御部１６０またはオペレータは、電子ビーム２２０の均一性ｎを決定する。決定されたビームの均一性ｎは、たとえば記憶部２５４に保存される。
次に、エミッタンス計算工程（Ｓ２０４）として、オペレータは、または第１の制御部１６０は第１の計算部２４６を使用して、ビームの均一性決定工程（Ｓ２０２）で決定されたｎを用いて、たとえば数式（６）、数式（７）または数式（８）によりカソードのエミッタンスを計算する。ここでビームの均一性ｎとしては、たとえば記憶部２５４に保存されたｎを用いることができる。
次に、エミッタ寿命直径計算工程（Ｓ２０６）として、オペレータは、または第１の制御部１６０は第２の計算部２４８を使用して、エミッタンス計算工程（Ｓ２０４）で計算されたエミッタンスを用いて、たとえば図８に示した関係を用いて、カソード２２０のエミッタ寿命直径を計算する。
次に、描画工程（Ｓ２０８）として、第１の制御部１６０はカソード２２０から照射される電子ビーム２００を用いて試料３４０上にパターンを描画する。
次に、エミッション電流測定工程（Ｓ２１０）として、オペレータは、または第１の制御部１６０は、電流計２３８を用いて電子ビーム２００のエミッション電流を測定する。
次に、エミッタ直径計算工程（Ｓ２１２）として、オペレータは、または第１の制御部１６０は第３の計算部２５０を使用して、エミッション電流測定工程（Ｓ２１０）で測定されたエミッション電流を用いて、エミッタ直径を計算する。本実施形態の電子ビーム描画装置では、電流密度を一定に制御することが可能である。この場合、エミッション電流Ｉｅと電流密度Ｊとエミッタ直径ｄとの関係は下記の数式（９）であらわされるため、エミッタ直径を計算で求めることが出来る。
次に、エミッタ直径経時変化測定工程（Ｓ２１４）として、オペレータは、または第１の制御部１６０は処理部２５６を使用して、エミッタ直径計算工程（Ｓ２１２）で計算されたエミッタ直径の経時変化を測定し、たとえばエミッタ直径の経時変化をグラフにプロットする。
次に、経時変化回帰式決定工程（Ｓ２１６）として、オペレータは、または第１の制御部１６０は処理部２５６を使用して、エミッタ直径経時変化測定工程（Ｓ２１４）で得られたエミッタ直径の経時変化の回帰式を決定する。
次に、寿命予測工程（Ｓ２１８）として、オペレータは、または第１の制御部１６０は第４の計算部２５２を使用して、経時変化回帰式決定工程（Ｓ２１６）で得られた回帰式と、エミッタ寿命直径計算工程（Ｓ２０６）で計算されたエミッタ寿命直径を用いて、カソード２２０の寿命を予測する。
図１０は、本実施形態の電子ビーム描画装置のエミッタ直径の経時変化を示すグラフである。図１０のグラフは、たとえばエミッタ直径経時変化測定工程（Ｓ２１４）において得られるものである。また、図１０でのエミッタ直径経時変化測定工程（Ｓ２１４）で得られたエミッタ直径の経時変化の回帰式は、たとえば、一次関数である。図１０でエミッタ直径が３３μｍになる日数は、エミッタ直径が測定された日数の範囲に応じて２６０日または２９０日と予測することが出来る。なお回帰式は一次関数に限定されない。
電子ビーム描画装置を運用していく上で、カソードの寿命を予測することは、カソードの交換などを含む電子ビーム描画装置のメンテナンスをするため好ましいことである。本実施形態の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法によれば、定量的なカソードの寿命の予測ができる。特に、図１０のように、エミッタ直径の経時変化が一次関数の回帰式でよくあらわされる。そのため、簡単で精度良い寿命の予測が可能となる。図８のように、エミッタンスとエミッタ直径の間に良い直線関係があることは、このような予測を可能とした一因であると考えられる。
以上、本実施形態の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法によれば、定量的な予測をすることが出来る、電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法を提供することができる。
以上の説明において、第１の制御部１６０、第２の制御部２３２、電流密度測定部２４２、ＰＩＤ制御部２４４、第１の計算部２４６、第２の計算部２４８、第３の計算部２５０、第４の計算部２５２、処理部２５６は、その機能の処理を、コンピュータを搭載した制御計算機によりソフトウェアにより実効してもよい。或いは、電気的な回路によるハードウェアにより実施させても構わない。或いは、電気的な回路によるハードウェアとソフトウェアとの組合せにより実施させても構わない。或いは、かかるハードウェアとファームウェアとの組合せでも構わない。また、ソフトウェアにより構成される場合、プログラムは、図示しない磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録される。その際、制御計算機がバスを介して、記憶装置（記憶部）の一例となるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ、磁気ディスク（ＨＤ）装置、入力手段の一例となるキーボード（Ｋ／Ｂ）、マウス、出力手段の一例となるモニタ、プリンタ、或いは、入力出力手段の一例となる外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）、ＦＤ、ＤＶＤ、ＣＤ等に接続されていても構わない。
実施形態では、構成等、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる構成等を適宜選択して用いることができる。また、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
２ 六硼化ランタン
４ カーボン
６ エミッタ面
１００ 描画装置
１０２ 電子鏡筒
１０３ 描画室
１０５ ＸＹステージ
１５０ 描画部
１６０ 第１の制御部
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２ 照明レンズ
２０３ 第１の成形アパーチャ
２０４ 成形レンズ
２０５ 成形偏向器
２０６ 第２の成形アパーチャ
２０７ 対物レンズ
２０９ ファラデーカップ
２１２ 副偏向器
２１４ 主偏向器
２１６ 縮小レンズ
２１８ ＢＬＫ偏向器
２１９ ＢＬＫアパーチャ
２２０ カソード
２２２ エミッタ
２２４ ウェネルト電極
２２６ アノード
２２８ コリメータレンズ（照明レンズ）
２３０ 電子銃電源
２３１ 定電流源
２３２ 第２の制御部
２３４ 可変電圧源
２３６ 電圧計
２３８ 電流計
２４０ 描画制御回路
２４２ 電流密度測定部
２４４ ＰＩＤ制御部
２４６ 第１の計算部
２４８ 第２の計算部
２５０ 第３の計算部
２５２ 第４の計算部
２５４ 記憶部
２５６ 処理部
２６０ 電子ビーム端
２６２ 電子ビーム中心
２６４ ショット
３３０ 電子ビーム
３４０ 試料
３４２ 試料面
３４４ クロスオーバー面
４１０ 第１のアパーチャ
４１１ 開口
４２０ 第２のアパーチャ
４２１ 可変成形開口
４３０ 電子ソース
４ カーボン
６ エミッタ面
１００ 描画装置
１０２ 電子鏡筒
１０３ 描画室
１０５ ＸＹステージ
１５０ 描画部
１６０ 第１の制御部
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２ 照明レンズ
２０３ 第１の成形アパーチャ
２０４ 成形レンズ
２０５ 成形偏向器
２０６ 第２の成形アパーチャ
２０７ 対物レンズ
２０９ ファラデーカップ
２１２ 副偏向器
２１４ 主偏向器
２１６ 縮小レンズ
２１８ ＢＬＫ偏向器
２１９ ＢＬＫアパーチャ
２２０ カソード
２２２ エミッタ
２２４ ウェネルト電極
２２６ アノード
２２８ コリメータレンズ（照明レンズ）
２３０ 電子銃電源
２３１ 定電流源
２３２ 第２の制御部
２３４ 可変電圧源
２３６ 電圧計
２３８ 電流計
２４０ 描画制御回路
２４２ 電流密度測定部
２４４ ＰＩＤ制御部
２４６ 第１の計算部
２４８ 第２の計算部
２５０ 第３の計算部
２５２ 第４の計算部
２５４ 記憶部
２５６ 処理部
２６０ 電子ビーム端
２６２ 電子ビーム中心
２６４ ショット
３３０ 電子ビーム
３４０ 試料
３４２ 試料面
３４４ クロスオーバー面
４１０ 第１のアパーチャ
４１１ 開口
４２０ 第２のアパーチャ
４２１ 可変成形開口
４３０ 電子ソース
Claims (5)
- カソードの寿命基準値を用いて前記カソードのエミッタンスを計算する工程と、
前記エミッタンスを用いて前記カソードのエミッタ寿命直径を計算する工程と、
前記カソードから照射される電子ビームを用いて試料上にパターンを描画する工程と、
前記電子ビームのエミッション電流を測定する工程と、
前記エミッション電流を用いてエミッタ直径を計算する工程と、
前記エミッタ直径の経時変化を測定する工程と、
前記経時変化の回帰式を決定する工程と、
前記回帰式と前記エミッタ寿命直径を用いて前記カソードの寿命を予測する工程と、
を含む電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法。 - 前記エミッション電流を用いて前記エミッタ直径を計算する工程において、前記電子ビームの電流密度をＪ、前記エミッション電流をＩｅとした場合に、前記エミッタ直径ｄを以下の数式（１０）を用いて計算する請求項１記載の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法。
- 前記カソードの前記寿命基準値を用いて前記カソードの前記エミッタンスを計算する工程において、前記試料上での前記電子ビームの電子ビーム中心と前記電子ビームが前記試料上に形成するショットの電子ビーム端の距離をＲｎとしたときに、前記電子ビーム端の電流密度Ｊ（Ｒｎ）と前記電子ビーム中心の電流密度Ｊ（０）を用いて前記寿命基準値ｎを以下の数式（１１）により計算する請求項１または請求項２記載の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法。
- 前記カソードの前記寿命基準値を用いて前記カソードの前記エミッタンスを計算する工程において、前記電子ビームの単位時間あたりの電子数が前記電子ビームの前記電子ビーム中心での単位時間あたりの電子数の１／ｅとなる角度をＡｅ、前記試料上で前記電子ビームの単位時間あたりの電子数が前記電子ビームの前記電子ビーム中心での単位時間あたりの電子数の１／ｅとなる前記電子ビームの半径をＲｅとした場合に、前記エミッタンスを以下の数式（１２）を用いて計算する請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法。
- 前記カソードの前記寿命基準値を用いて前記カソードの前記エミッタンスを計算する工程において、前記ショットの形状が長方形であり、前記長方形の一辺の長さがＷｎで他辺の長さがＨｎである場合に、前記エミッタンスを以下の数式（１３）を用いて計算する請求項４記載の電子ビーム描画装置のカソードの寿命予測方法。
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